变频器驱动下的辊道用减速电机的机械特性研究与应用 The application and mechanical characteristic’s studying of roller table gearmotors driven by inverter 姚寨荣
Yao Zhairong
（宁波东力传动设备股份有限公司，浙江 宁波 315033） (Ningbo donly transmission equipment Co.,ltd. Zhejiang Ningbo 315033)
摘要：对变频器控制下的减速机和变频辊道用电动机的载荷特性进行了分析和研究，提出了合理地选择变频辊道减速电机的方法，对降低辊道减速电机能耗，减少故障时间和维护工作量，降低设备故障停机率等有非常重要的意义。
Abstract: Through analysing and studying the mechanical characteristics of gearboxes and roller table motors driven by inverter, a new theory of selecting suitable roller table gearmotor for roller table is advanced. It is very important to reduce the consumption of roller table gearmotors, to decrease the malfunction time, to decrease the maintenance work and breakdown rate etc.
关键词: 变频器; 辊道; 减速电机; 选型; 机械特性
翻板百叶Key words: Inverter; Roller table; Gearmotor; Type selection; Mechanical characteristic
0 引言
随着电动机变频技术和齿轮设计加工技术的快速发展，一种新型的辊道驱动型式（变频器—减速电机——辊道）被广泛地应用在热连轧厂的辊道驱动上，这些辊道包括加热炉、轧区、冷床、精整、卷取等各个区域。在热轧厂，辊道几乎占总轧线的60%，因此针对新型驱动传动方案中各部件（变频器、电动机、减速机等）的机械特性，合理地选择辊道的驱动设备——变频辊道减速电机，对降低能耗、减少故障及维护工作量、降低设备故障停机时间等具有非常重要的意义。
1 主要部件的机械特性及相互间的影响
1.1减速机
减速电机中的减速机，普遍采用硬齿面齿轮，其给出的许用转矩M r是指不考虑实际使用工况的情况下（即工况系数Ka=1的情况下），减速机100%载荷连续运转所能承受的转矩，在应力循环次数不超过10000次的情况下，尖峰载荷不应超过200%。即减速机的最大瞬间载荷M rmax/M r<2。选用时需要根据实际工况考虑服务系数，。 1.2变频辊道电机
变频辊道电机既考虑了变频调速时对电机的低速运转要求，又考虑了辊道冲击载荷和恶劣工况环境的要求，以YPG系列变频辊道电机为例，该电机在设计时已经考虑辊道的实际运行工况。其给定的额定功率是基频时可连续100%载荷运行的功率。其最大转矩/额定转矩M mmax/M m=3.3‐4（实际值取决于具体型号规格的电机）。选用时直接根据计算载荷选定即可。
1.3变频器
变频器作为智能电气部件，辊道用变频器的过载能力一般为200%负载持续60S。继续
过流或过载，变频器会自动停机保护，或降低速度以减少负载转矩。基于保护功率模块的原因，选型时一般会考虑适当放大变频器容量20%左右，即M i =1.2*M m 。
核桃脱壳机
1.4 变频器驱动电机
在正常稳态运行时，变频器主动供电驱动电动机运行，因此最大负载受限于变频器，即M max =2*M i =2*1.2*M m =2.4*M m ；最大转矩不会超过2.4倍的电动机额定转矩。
在启动时间过短或载荷瞬间过大时，由于动态响应速度问题，在变频器接收到反馈信号并调整电流、电压输出给电动机前，电动机处于持续加大转矩状态，在负载足够大的情况下，电动机将转矩加大到最大转矩值，即M max =(3.3‐4)*M m 。没有变频器控制的电动机，在频繁启动状态下，经常会运行在
这种状态。
1.5 电动机与减速机
无论稳态还是瞬态运行，减速机和电动机采用的是刚性耦合（第一级小齿轮直接安装在电动机轴上），因此，所有电动机载荷会直接传递给减速机，即减速机所承受的最大载荷可能会达到M rmax =(3.3‐4)*M m*i 。式中i 为减速比。
1.6 匹配原则
从以上各部件的机械特性可知：变频器的保护功能最全，只受电流发热的影响，其过载后产生的破坏性最小；电动机是电——机械能转换部件，定子和转子之间是一个电磁耦合环节，无刚性联结，瞬间过载不会造成电动机的永久性破坏；减速机是纯机械构造，其过载哪怕是瞬时过载，一旦超过机械材料的屈服强度，就会造成永久性变形和损坏。因此，在匹配时按下述原则进行，将承载的薄弱环节机转移到变频器。
M rmax =2*M r >M mmax *i=(3‐4)*M m *i>M imax *i=2*1.2*M i *i ；按电动机的最大过载倍数4考虑，则 M r >2*M m *i ，即齿轮减速电机的服务系数fB>2。本文的服务系数是指减速机额定转矩与电动机额定转矩的比值。
2 辊道机械特性
辊道运行时主要有四种力矩需要计算考虑：
2.1 静力矩M j
M j ——辊道稳定运行时，克服辊子轴承摩擦力和轧件与辊子间的滚动摩擦力所需的力矩： M j =(Q+G)*μ*d/2+Qf Q —— 作用在一个辊道上的轧件重量N ；按下表选取
轧件特性
作用在一个辊子上的轧件重量(重力)Q ， N 备注
端面面积 mm 2
长度 >10000
<3l 0.75GW l —辊道辊距; GW —轧件重量(重力),N >2000
>3l 0.5GW >2000
>4l 0.3GW 小型型钢和薄带材 >10I 三个辊距长度的轧件重量(重力 ) G —— 一个辊子的重量，N ；
μ —— 辊子轴承中的摩擦系数，滚动轴承μ=0.005；铜瓦轴承μ=0.06‐0.08；
d —— 辊子轴颈的直径，m ；
f —— 轧件在辊子上的滚动摩擦系数，对于冷轧件f=0.001m ，热轧件f=0.0015，热钢锭f=0.002m 。
μ1 —— 辊子与轧件间的滑动摩擦系数，对冷轧件μ1=0.15‐0.18，热轧件μ1=0.3； D ——辊子直径，m 。
高压直流稳压电源2.2最大静力矩M jma x水位电极
M jma——轧件遇到障碍物突然停止时，辊子还在转动，轧件停止时产生的最大打滑力矩： M jmax=(Q+G)*μ*d/2+Q*μ1*D/2
2.3动力矩M d
M d——辊道处于变频器主动拖动状态时的启动加速力矩，取决于变频器设定的加速时间： M d= GD12/4/g*(2*a/D)+ Q*D/2/g*a
a——启动时的加速度m/s2;
g——重力加速度9.8m/s2;
GD12——辊子的飞轮转矩N.m2。
2.4 最大动力矩M dma x
M dma x——启动时，轧件与辊道间可能产生打滑时的最大动力矩：
M dmax= GD12/2/D*μ1+ Q*μ1*D/2
3选型原则
3.1 传统的辊道驱动力矩计算
3.1.1 连续工作制辊道
连续工作制辊道主要考虑辊道在稳定运行时的静力矩和过载时可能出现的最大静力矩M jmax来计算。
因此选型时必须符合以下两个条件：
①减速电机额定转矩大于静力矩M>M j ；
大电容
②减速电机的最大转矩大于最大静力矩M max>M jmax。
3.1.2 启动工作制辊道
启动工作制的辊道是在加速情况下运送轧件的，由于电机直接启动，实际加速时间无法控制，为安全起见，一般将可能出现的最大动转矩作为额定转矩计算，
即减速电机额定转矩大于静力矩和最大动转矩之和：M>M j+M dmax 。
3.2 变频辊道减速电机驱动力矩特点及计算
3.2.1 连续工作制辊道
连续工作制辊道主要运行在恒定载荷区，只有在极端情况下，如轧件卡住等情况下，才会出现过载现象，而且因为变频器具有过载保护功能，因此变频辊道减速电机只考虑运行负载，而不考虑过载问题，即
减速电机转矩大于计算静转矩即可：M>M j
同时根据M r>2*M m*i的匹配原则，选减速电机的服务系数fB>2。
3.2.2 启动工作制辊道
启动工作制辊道主要工作在加速阶段，动力矩主要取决于加速时间。因此，将设定启动速度时的动力矩作为转矩计算依据，即
减速电机转矩大于计算静转矩和动转矩之和：M>M j+M d
根据M r>2*M m*i的匹配原则，选减速电机的服务系数fB>2。在某些启动特别频繁的场合（变频器的动态响应没有电动机快时），为保障减速机的安全，应将减速机的服务系数fB 提高到3.3‐4.0 (取决于电动机的最大转矩倍数)，保证M r>M mmax*(3.3‐4)*i。
4．传统力矩计算与变频辊道减速电机力矩计算的举例计算说明
已知：辊子直径D=0.45m，辊子转速n2=60rpm，辊子重量G=27000N，单辊轧件重量Q=50000N，辊子与轧件的滑动摩擦系数μ1=0.3，辊子滚动轴承的摩擦系数μ=0.005，辊子轴颈的直径d=0.24m；轧件在辊子上的滚动摩擦系数f=0.002m，，辊子的飞轮转矩GD12=2980N.m2，变频器控制启动加速时间2S（计算加速度a≈0.71m/s2）。
计算辊道转矩如下：
静力矩
M j=(Q+G)*μ*d/2+Qf=(50000+27000)*0.005*0.24/2+50000*0.002≈146N.m
最大静力矩
M jmax =(Q+G)*μ*d/2+Q*μ1*D/2
=(50000+27000)*0.005*0.24/2+50000*0.3*0.45/2≈3421N.m
a=0.71m/S2时的动力矩
M d=GD12/4/g*(2*a/D)+Q*D/2/g*a=2980/4/9.8*(2*0.71/0.45)+50000*0.45/2/9.8*0.71≈1055N.m 最大动力矩
M dmax= GD12/2/D*μ1+Q*μ1*D/2=2980/2/0.45*0.3+50000*0.3*0.45/2
≈4368N.m
4.1 连续工作制辊道
按传统减速电机选型原则，
①M>M j=146N.m
②M max>M jmax=3421N.m
因一般辊道电机的最大转矩/额定转矩倍数为3.3‐4倍左右，按3.3倍计算，则
减速电机的额定转矩M>M max/3.3=3421/3.3≈1037N.m
按照变频辊道减速电机的选型原则，则
减速电机的额定转矩M> M j=146N.m，减速机服务系数fB>2.0。
无线收发芯片
按变频控制状态下的载荷特性选型后，电动机的额定转矩仅为传统转矩计算值的14%左右，减速机的额定转矩为传统转矩计算值的28%左右。
4.2 启动工作制辊道
按传统减速电机选型原则，
M>M j+M dmax=146+4368=4514N.m
按照变频辊道减速电机的选型原则，则
M>M j+M d=146+1055=1201N.m，减速机服务系数fB>2.0。
按变频控制状态下的载荷特性选型后，电动机的额定转矩仅为传统转矩计算值的27%左右，减速机的额定转矩为传统转矩计算值的54%左右。
5 结论
从转矩计算示例可以看出，针对变频辊道减速电机提出的转矩计算方法，不但充分考虑了变频器、电动机、减速机、辊道等部件自身的机械特性，而且考虑了其相互间的影响，并提出将薄弱环节控制到变频器环节，从而保障了系统的安全可靠，避免在极端情况下出现减速机打齿等破坏性故障。这样，既可以选用较小规格的减速电机，而且可以实现变频器——电机——减速机——辊道之间的最佳匹配，从而实现降低辊道减速电机能耗，减少故障时间和维护工作量，降低设备故障停机率。
本文是假设计算条件准确的前提下作出的推导，实际应用中需要根据实际辊道的负载状况，对计算转矩值进行修正M修正= M计算*K a，即考虑实际工况系数K a。
参考文献
[1] 边金生主编，《轧钢机械设备》，冶金工业出版社,1998
[2] 李微，热轧厂运输辊道传动及电机选型的研究与应用，《机械工程与自动化》第4期（总第155期），2009年8月
[3] 王琦、张元国、杨星原、陈爱闽、王长路起草，GB/Z 19414‐2003/ISO/TR 13593：1999《工业用闭式齿轮传动装置》，2003‐11‐25
作者简介：姚寨荣，（1977.2.5—），男，浙江宁波人，工程师，高级经济师，工学硕士
获 杭州电子科技大学 机械电子工程专业 工学硕士
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议