粗轧机电机功率选择

R四辊水平初轧机轧制力能参数介绍及其主电机容量的选择一、R四辊水平初轧机主要参数介绍：用途：与E立辊轧机一起经57道次轧制。代表钢种20钢轧制5道，代表钢种X70钢轧制7道。型式：最大轧制压力： 轧制力矩： 轧制速度： 最大压下量： 工作辊尺寸： 支承辊尺寸：主传动电机：四辊可逆式初轧机。55000 KN2X3150KNm（1 5 倍过载）03.256.5 m/s50 mm1250/1150X2250 mm1650/ 1500X2230 mmAC11000 Kw 50/100 r/min 2台中间坯规格：厚度：宽度：3560 mm,代表规格为40mm。9002130 mm,代表宽度为 2000mm长度：代表长度：11000mm。连铸坯出炉温度：11501250C钢种：普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、低合金结构钢、IF钢、高耐候 结构钢、汽车大梁用钢、焊接结构用耐候钢、桥梁用结构钢、压力 容器及锅炉用钢、管线钢（X70、X80）、热轧双相钢、中高牌号无 取向硅钢等。代表钢种为20钢、X70钢。二、轧制过程分析及轧件变形区各参数介绍1、简单轧制过程：简单轧制具备以下几个方面的条件：两个轧辊都驱动两个轧辊直径相等 两个轧辊转速相同 轧件除由轧辊施加的外力以外，忽略其它任何作用力。 轧件的机械性能是均匀的 如果轧辊转速均匀，则轧件作等速运动。对R四辊水平初轧机，在轧制过程当中忽略E立辊轧机和R水平轧机之间轧制微张力的影响，可以认为R四辊水平初轧机对轧件的轧 制过程为简单轧制过程。2、轧制过程变形区参数介绍：变形区几何图：L轧件各标注参数说明h、h -轧制前后轧件的高度；0 1h-轧制前后轧件的平均高度，h= (h+h)/2mm01Ah 压下量(绝对压下量)，Ah=h-h0 1L、l -一轧制前后轧件的长度；0咬入角acos a =1-Ah/2R接触弧水平投影长度L：L2=R2-(R- A h/2) 2绝对压下量：A h=h -h0 1相对压下量(变形程度)： = A h/ h0平均变形程度： =2/3* em真实变形程度:真实变形是指轧件原始高度h经过无穷多个中间数值0逐渐变到h,这无穷多个中间数值的总和即反映了真实变形程度。即1r=ln h / h01真实平均变形程度:r=ln(1/(1- e )mm按赛迪提供的初步设计文件资料中查得：当轧制20钢时其所需的最大轧制功率在第四道次，当轧制X70钢时其所需的最大轧制功率在第五道次。 轧辊直径按最在轧辊直径(1250mm)计算。则各变形区的参数计算如下：钢种轧制 功率 最大 道次轧制 前高 度h0轧制 后高 度h1轧制 前长 度l0轧制 后长 度l1咬入角a压卜 量 Ah相对压下量e真实 变形 程度 rm接触弧 水平投 影长度 L204865826.7439.6412.152832.56%24.5%186X705886726.1234.3210. 522123.86%17.3%161轧制时的前滑和后滑：在一般的轧制条件下，轧辊的圆周速度和 轧件的线速度是不相等的，轧件出口速度比轧辊圆周速度大，因 此，轧件与轧辊在出口处产生相对滑动，称之为前滑。轧件入口 速度比轧辊圆周速度低，轧件与轧辊在入口处也产生相对滑动， 称之为后滑。中性角Y的说明：由于存在前滑和后滑，则在变形区中必然存在 一点，这一点上轧件的线速度和轧辊的圆周速度相等，该点称为 中性点，过此点的断面称为中性面，中性点到轧辊中心的连线与 两辊中心线之间的夹角称中性角Y。其所对应的高度为中性面处 的轧件高度hr变形速度u是指单位时间内的相对变形量，即相对变形对时间的 导数。u=de/dt变形速度一般采用平均变形速度来表示：mu =1/l f iu du=v * Ah/(l*h )m 0 x 1 0v1-轧件出口速度。在这里，为方便计算轧件的平均变形速度1忽略轧件前滑的影响，可用轧辊圆周速度近似代替轧件的出口速度。在第四道次，轧辊的稳定圆周速度为4m/s,则：钢种轧制道次轧辊稳定圆周速度m/s轧件变形速度约s-i20447X70546三、传动工作辊四辊水平初轧机轧辊稳定性分析四辊初轧机工作辊稳定性分析简图：由于四辊轧机工作辊与轴承间以及工作辊轴承座和支承辊轴承座与n框架间存在间隙，在轧制过程中如无固定的侧向约束力，工作辊将处于 不稳定的工作状态(不能保持固定的工作位置)。工作辊的这种自由状态 会造成轧件厚度不均，轧辊轴承遭受冲击，工作辊和支承辊之间正常摩擦 关系被破坏，轧辊磨损加剧等到不良后果。因此，保持工作辊对支承辊的 稳定位置，对提高轧制精度和改善轧辊部件的工作条件十分重要。保持工作辊稳定的方法是使工作辊中心相对支承辊中心连线有一个偏移距e。偏移距的大小应使工作辊轴承反力F在轧制过程中其作用力的 方向不变。只有当选择合适的偏移距e大于e时，才能保证工作辊的稳定性。因0R四辊初轧机为可逆轧制，工作辊向入口或出口端偏移，其效果是相同的。 为增加工作辊的稳定性，通常是向出口端偏移一个数值e(e0),经计算, 临界偏移距e为2-5mm，一般取e较e在3-5mm即可，即e=5T0mm，e值 00不宜选择过大，否则，支承辊对工作辊会产生较大的水平力，这对轧机的 整体性稳定是不利的。经核对，一重大连设计院为我方四辊初轧机选择的 偏移距e=10mm，满足对工作辊稳定性的要求。四、轧制力的计算：1、金属塑性变形阻力：是指金属产生塑性变形时所需要的单位面积上的力。用。表示。2、轧制力：是由于金属通过轧辊时产生塑性变形所需要的作用力，即金属变形阻力。3、轧制过程的建立：4、滑动摩擦理论：轧制时变形区中轧件与轧辊之间存在着滑动，处于滑动摩擦条件下，变形区接触弧上各点的摩擦系数u为常数。5、着摩擦理论：轧制时轧件与轧辊之间是否产生相对滑动，决定于单 位摩擦力的大小，当单位摩擦力t小于轧件材料的剪切屈服极限t时s 产生相对滑动;而当单位摩擦力t大于轧件材料的剪切屈服极限T时,S 不产生相对滑动而出现粘着现象，变形区中轧件与轧辊之间没有相对 滑动(粘着)，接触弧上各点的轧件线速度与轧辊线速度相等。6、金属塑性变形条件：在轧制过程中，金属在轧辊之间承受轧制压力 的作用面发生塑性变形。由于金属变形时体积不变，则变形区内的金 属在垂直方向产生压缩，在轧制方向产生延伸，在横向方向上产生宽 展，使变形区内的金属呈现三向应力状态。7、塑性变形方程式：在三向应力状态下，当主应力差的平方和等于金属材料塑性变形阻力平方的二倍时，物体就开始产生塑性变形。以主应力表示的塑性方程式为：(o o )2+(0 o )2+(0 o ) 2=2 o 211- 2 2- 3 3- 1o-金属塑性变形阻力，与应力状态无关。为了方便工程计算应用，可将 1式进行简化为：o 1 o =Bo 21- 3B-中间主应力o的影响系数。2可以证明，中间主应力o的影响系数B值在 1-1.155范围内变化。2目前板带轧制时取& =1.158、影响金属塑性变形阻力的因素金属的化学成分和组织对变形阻力有显著的影响。如合金钢的变 形阻力要比低碳钢的变形阻力要大得多；固溶体的变形阻力比两 相合金的变形阻力要低得多；晶粒细小者具有较大的变形阻力； 变形温度的影响：随着变形温度的提高，各种金属和合金所有的 强度指标均降低。 变形速度的影响：随着轧制速度的提高，变形速度范围扩大，变 形速度最高者可达1000S-1，在热轧生产中，变形速度对变形阻力 的影响显著。 变形程度的影响：在热状态下，变形程度对变形阻力的影响较小， 随变形程度的增加，变形阻力略有增加。9、金属塑性变形阻力o的确定 金属塑性变形阻力数据的获得主要是通过实验得来的，目前， 我国最常用的变形阻力试验公式为：o=o* K* K* K0turo -基准变形阻力，即变形温度t=1000C、变形速度为0u=10s-1、变形程度r=40%时的变形阻力；mK -变形温度影响系数，当t=1000C时,tK=1tK =exp(A+BT)tT=(t+273)/1000K -变形速度影响系数，当u=10s-1时，1uK =(u/10)C+DT T=(t+273)/1000K -变形程度影响系数，当r=40%时，K=1rmrK =E(r /0.4)N-(E-1) r/0.4以上各式中，A、B、C、D、E、N均为系数，可查有关图表, 经查代表钢种20钢及X70钢，其各系数如下:ABCDEN0/MPa203.3212. 6090.1330.211.4540.39155.8X702.8742.2580.3740.3521.2770. 323230轧制20钢时，设初轧第四道轧制时的轧制温度为1100C；轧制X70钢时，设初轧第五道轧制时的轧制温度为1050C。则各影响系数 及变形阻力计算如下：钢种轧制温度KtKuKro /MPa0o /MPa201100C0.820.950.92155.8111.66X701050C0. 8760.9550.86230165.510、摩擦系数的计算 热轧进，轧件与轧辊之间的摩擦系数受诸多因素的影响： 在热轧温度范围内，随着变形温度的提高，摩擦系数有所降 低； 轧辊的表面状态对摩擦系数也有明显的影响； 轧件化学成分及氧化物的性质对摩擦系数也有影响； 热轧时采用轧制润滑工艺，将使摩擦系数降低约20-25%。 一般情况下，对钢轧辊u按以下公式计算：u =1.05-0.0005tt为轧制温度，设t=1150C，则u=0.47511、轧制时接触弧上单位压力微分方程 卡尔曼单位压力微分方程： 对轧制过程作如下假设： 、轧件的宽度比厚度大得多，轧制时可认为无宽展，可看作是平面变形问题； 、轧件的垂直平面在轧制过程中仍保持平面，可把单元体平行平面上的应力看作是主应力，并认为单元体水平方向上 的应力。沿轧件高度方向上是均匀分布的；x 、在轧制过程中应用以主应力表示的塑性方程式。1。=B-3o成立； 、应用干摩擦理论，接触弧上各点的摩擦系数U为常数，单位摩擦力tx= U Px 、变形阻力。在变形区内为常数； 、把轧辊看作是绝对刚体无弹性变形； 、轧件材质各向同性； 、轧制稳定时轧辊的圆周速度是均匀的； 作用在轧件单元体上的应力图：板带轧制时，在变形区内取一单元体，设单元体的宽度为1， 取X方向为力的平衡条件即EX=O即：2 (o +d o ) (y+dy)-2 o y-2p tanW dx+2t dx=O 3因为摩擦力t的垂直分力较单位压力p小得多，可忽略，XY则可认为 o=p、o=o即p-o =o=k(常数)4即：dp =d oxx又：tan甲=dy/dxx又：tx= 土 up (后滑区为正、前滑区为负)则通过上式3可推得卡尔曼单位压力微分方程为：dp /dx-k/y*dy/dx 土 u p/y=Ox12、利用采利柯夫方法求平均单位压力采利柯夫方法：采利柯夫方法是卡尔曼单位压力微分方程的一个 解。为了求解方便，采利柯夫认为接触弧为一条直线，用接触弧的 弦AB来近似地代替弧。见下图：xyLa直线弦AB的方程式为： y=(Ah/2L)*x + h /2微分上式可得：1dx=(2L/ Ah)* dy解得：后滑区：前滑区：式中：将上式代入卡尔曼微分方程，忽略张力的影响(简单轧制过程)通过解卡尔曼微分方程并利用变形区在入口和出口处的边界条件求p = (K/ 6)*(6 -1)*(h/h) s +1 5px= (K/S)*(S-1)*(h0/hx)s -1 6x0 xK = Bo= 1.15 o (常数)S = M*2L/A h设中性面处的中性角为h，根据中性面处的p相等的条件，则 可以得到中性面处的轧件的高度h，即：(h/h)s =1/(s-1)*(s+1) (h /h)s-2简单轧制过程中轧件对轧辊的总压力P的计算：Y 1忽略巾角的影响，轧制总压力P可用下式表示：P=(b+b )/2*ip * dx7由 dx=(2L/Ah)* dy 及 h=2y 可得：xdx=(L/Ah)* dhx则式7可变为：P=(b +b )/2* (L/ Ah) * f hop *dh + f hYp *dh 上式积分可得：hY x x h1 x xP=(b+b)/2*2Lh/Ah(s-1)*(h/h)s-1K对上式除以接触面积则可得到平均单位压力pjp =2h /Ah* 1/(s-1)*(h/h)s-1KmYY 1=n *K n =2h /Ah* 1/( S -1)*(h /h ) s-1 oYY 1上式中：K = Bo= 1.15 o (常数)6 = M*2L/A h13、热轧钢板轧机粗轧机的轧制特点：初轧机的轧制特点是l/h =0. 3sl.2,大部分轧制道次的 l/h8,因此，可不考虑宽度影响系数。初轧机轧制的钢坯为铸造组织，所以在计算初轧机的前面几个 道次的平均单位压力时要乘以一个尺寸系数n1,经査有关图 表，在轧制2150mm板坯时其尺寸系数n1可取0.9。通过前面介绍，对我厂R四辊水平初轧机，在轧制过程当中忽 略E立辊轧机和R水平轧机之间对轧件微张力的影响，可认为 无张力轧制，因此也不考虑张力对应力状态的影响系数。综上所述，初轧机平均单位压力计算公式可表示为：p = n * n * n1 K =1.15 o *0.9 * n n 外区影响系数n的计算00外区影响系数按下式计算：当接触弧长度L与轧件平均高度 h的比值大于1时，不均匀变形程度较小，外区影响不明显，可 不计外区影响系数。钢种轧制前后轧件 的平均高度mm接触弧长度 L(mm)L/hm外区影响系数n 020721862.581X707751612.081以上各参数的计算结果如下：钢种h0h1Ku6hYr n0尺寸系 数n1 n0平均单 位压力 p /MPa208658128.410.4756.3169.62.020.91210X708867190.30.4757.2875.881.70.91291.214、影响应力状态条件的因素由式4可知：p = Bo + o上式表明：凡使水平应力0增大的因素都将使单位压力p增 大；凡使水平应力减小的因素都使单位压力戸减 x水平应力。：单位压力p和单位摩擦力t在水平方向投影的 代数和除以该截面轧件的厚度。摩擦系数u越低，单位摩擦力越小，。越小，则单位压力P 就越小，轧制力就越低。(采用轧制润滑工艺可降低摩擦系数)轧件厚度增加，摩擦力对水平应力。影响减弱，则单位压力V相应有所降低。x轧辊直径减小，摩擦力的水平分力减小，水平应力。也减小Y则单位压力降低，轧制力降低；另一方面，由于轧辊直径减小， 接触区接触面积减小，亦会使轧制力降低。所以在轧制薄规格 时采用小直径的轧辊。 采用张力轧制时，将使变形区内金属在轧制方向产生附加拉应 力，水平应力。减小，则单位压力降低，轧制力降低。 变形区外金属对单位压力的影响：初轧时，当轧件在轧辊间发生塑性变形时，靠近轧辊表面的金属层受摩擦力的限制，其纵 向流动速度比中间层低，入出口端的金属将产生不均匀变形。 由于轧制变形区内金属的不均匀变形会引起变形区外金属的 局部变形，因此，这种不均匀变形的趋势将受到前后端外部金 属的限制，引起变形区内水平应力。的增加，则单位压力增Y高，轧制力增高。15、轧件与轧辊接触面积的计算轧件对轧辊的总压力P为轧制平均压力p与轧件和轧辊接 触面积A的乘积。即：”P=p *A接触面积A的计算公式为：A= (b +b ) /2 *LL一为接触弧长度接触面积A的计算结果如下:钢种最大板坯宽度mm轧件与轧辊的接触面积A(mm2)202000186000X70200016100016、轧制总压力的计算轧件对轧辊的总压力P为轧制平均单位压力p与轧件和轧辊的接触面 积A的乘积，即：mP=p *A计算结果如下： m钢种平均单位压力 p (MPa)接触面积A (mm2)轧制总压力(KN)2021018600039088X70291.21610004688317、轧制力在接触弧上作用点的位置及轧制力矩M的大小Z轧制力在接触弧上作用点的位置直接决定了轧制力臂的大小。 轧制力在接触弧上作用点的位置如上图所示即为B角的确定方法。 目前确定轧制力在接触弧上作用点的位置用力臂系数入表示，即: 入=x/LL-接触弧水平面的投影长度x-轧制力在接触弧上的作用点距轧辊中心连线的距离目前，我国板坯热轧粗轧机上通常取力臂系数入值为入=0.5则轧制力臂a的大小为a=0.5*L轧制力矩M为轧制力P与轧制力臂a的乘积。钢种L/mm力臂系数入轧制力臂mm轧制力 (KN)轧制力矩 M (KN m)201860.593390883635X701610.580.546883377418、四辊粗轧机传动工作辊所需的力矩M的计算作用于工作辊上的力有三个:轧制力 P,它与力臂a组成轧制力矩；工 作辊处的摩擦力F,它与摩擦圆半径P相切，组成摩擦力矩；支承辊对 工作辊的反力N,它与支承辊轴承处的摩擦圆P相切，并在工作辊与支 2承辊接触处偏离一个滚动摩擦力臂m,据估算，m=0.1-0.3mm。这样，传动轧辊所需的力矩M为轧制力矩，由工作辊带动支承辊的 力矩M,与工作辊轴承中的摩擦力矩M三部分这和。即：R f1M = M+ M+ M工作辊传动支承辊的力矩M的计算N轧辊受力情况如下图所示： N工作辊对支承辊的反力NN=P/cos( e+Y)上式中 =arcsin(e/R+R) Y=arcsin(p +m)/R)m-工作辊对支承辊的滚动摩擦力臂，取m=03mmR1、R2-分别为工作辊和支承辊的半径12P -一工作辊对支承辊的反力N的摩擦圆半径2P =ud =0.003*60*25.4=4.6mm22e-一工作辊轴线相对支承辊轴线的偏移距，为10mm反力N对工作辊的力臂c c=mcos Y+ R sinY工作辊轴承处的反力F1F=Nsin( 9 + Y)M=N*c工作辊传动支承辊的力矩MP (KN)9(度)Y (度)N (KN)c (mm)F (KN)M (KN m)N20390880.40.35390914512156.4X70468830.40.35468874742187.5N以上各参数计算结果如下：从以上计算结果可看出,工作辊轴承处的反力F相比轧制力P小得很多，可忽略不计。则传动工作辊轧辊所需的力矩M为:11k钢种M (KN m)k1M (KN m)M (KN m)203635156 4k3791.4X703774187.53961.519、轧机主传动电机所需力矩M计算DM= M+M+M +MD k f2 kon don= M M式中M为静力矩j dOnMf2-附加摩擦力矩，是由主电机到轧辊之间的传动效率 所增加的力矩。Mkon-空转力矩，即轧机空转时，由于各转动件的 重量所产生的摩擦力矩。Mdon-动力矩，即轧辊运转速度不均匀时，各部件由于加速 或减速所引起的惯性力所产生的力矩。 、附加摩擦力矩M的计算：因此处只有万向轴和轧辊扁头之间的连接，因此可取主电机到轧辊之间的传动效率n=098,则M = (1/n-l) Mf21kf2钢种n_k1M (KN m)kM (KN m)f2200.983791.477.4X700.983961.580.8 、空转力矩M的计算工作辊的重量为；31806kg支承辊的重量为：56960kg单根传动轴的重量为：45000kg取滚动轴承的摩擦系数为：0.004 取支承辊油膜轴承摩擦系数为： 0.003则M =2.3kNm 、动力矩M的计算donM 二Jd 3 /dt=GD2/4*d 3 /dt式中GD2-一各转动件推算到电机轴上的飞轮力矩d3/dt电动机的角加速度或减速度。对于一般初轧机，起动加速度可初选为50r/，制动减速度可初选为80r/ min s。工作辊的飞轮力矩为；支承辊的飞轮力矩为： 单根传动轴的飞轮力矩为： 轧件的飞轮力矩：则M =78.8 kNm各计算结果如下： don钢种M (KN m)M (KN m)f2M (KN m)M (KN m)M (KN - m)203791.477.42.378.83871.1X703961.580.82.37884044.620、可逆运转电动机各个阶段力矩的计算 对可逆运转电动机，其转速和力矩与时间的关系可分为以下五 个阶段: 、空载起动阶段：转速从0到咬入轧件时的转速，其力矩M = M + M 、咬入轧件后的加速阶段：转速为咬入轧件时的转速加速到稳定运转时的转速，力矩为md冢M + MD2 j don 、稳定转速轧制阶段：转速不变，力矩为M = MD3 j 、减速阶段：转速为稳定转速阶段减速到抛出轧件时的转速，力矩为M = M -M、制动阶段：转速为抛出轧件时的转速降为0, M = M - M 以上五个阶段所需力矩计算结果如下：D5 kon donM (KN m)D1M (KN m)D2M (KN m)D3M (KN m)D4M (KN m)D5208113950387113792.6-76 5X708114123.44044.63965.8-76.521、可逆运转电动机各个阶段转速的计算 、咬入轧件时的转速：n = 、稳定速度轧制阶段：ny=w、抛出轧件时的转速：n =计算结果如下： p钢种n (r/min)n (r/min)n (r/min)20306030X7030603022、可逆运转电动机各个阶段所需时间的计算 、空载起动阶段：t 、咬入后的加速阶段： 、稳定速度轧制阶段：tjw 、带轧件的减速阶段：tx 、制动阶段：tz 计算结果如下： z钢种t (s)t (s)t (s)t (s)t (s)20y0.50.58.20.50.5X700.50.56.80.50.523、可逆运转电动机功率的选择 、可逆运转电动机转速与时间的关系如下图所示： 、可逆运转电动机力矩与时间的关系如下图所示： 、根据过载选择电动机容量：选择电动机的的过载系数为K=25; 电动机的最大输出功率N在咬入轧件后的加速阶段，即maxN = M*n根据过载条件选择的电动机功率N为：eN= N /K在电动机功率N及转速为n条件下电动机的输出力矩M为M= N/ neeW、电动机的发热验算：根据电动机负荷图可求出等值力矩D w DM =(EM t / 刀 t)1/2；1 : :-一 | junDii11钢种过载系 数junDN (Kw)maxLN (Kw)eM (KN m)eM (KN m)jun202.5248069922.41580X702.525895103581650