Выбор мощности двигателя – одно из важнейших решений при проектировании или модернизации прокатного стана.. Выбор неправильного двигателя может привести к выходу оборудования из строя., простой производства, или напрасные затраты энергии. В этом руководстве, мы изучим фундаментальные методы, которые инженеры используют для определения подходящей мощности двигателя для различных типов прокатных станов..
Понимание характеристик нагрузки прокатного стана
Перед выбором мощности двигателя для прокатного стана, инженеры должны сначала понять, как ведет себя нагрузка во время работы. Процесс прокатки создает различные схемы нагрузки в зависимости от обрабатываемого материала., скорость прокатки, и коэффициент уменьшения. Эти характеристики нагрузки напрямую влияют на то, какой метод расчета работает лучше всего..
Прокатные станы можно разделить на три основные категории в зависимости от характера их рабочих нагрузок.:
| Категория | Поведение нагрузки | Распространенные типы двигателей | Типичные применения |
|---|---|---|---|
| Тип 1 | Постоянная нагрузка с небольшими изменениями | Асинхронный двигатель переменного тока, Синхронный двигатель | Непрерывные станы горячей прокатки, проволочные станы |
| Тип 2 | Большие колебания нагрузки при пиковых нагрузках | Двигатель переменного тока с маховиком, Составной двигатель постоянного тока | Блюминговые мельницы, слябинговые станы |
| Тип 3 | Частые изменения скорости и реверс. | Шунтовый двигатель постоянного тока, Двигатель переменного тока с регулируемой частотой | Реверсивные станы холодной прокатки, пластинчатые станы |
Метод 1: Расчет статической нагрузки
Метод статической нагрузки является самым простым подходом и хорошо работает для прокатных станов, где нагрузка остается относительно постоянной во время работы.. Этот метод рассчитывает мощность двигателя на основе силы прокатки, необходимой для деформации металла, без учета нагрузок ускорения или замедления..
Основная формула для расчета статической мощности
Р = М × п / 9550
Где:
P = мощность двигателя (кВт)
M = крутящий момент (Н·м)
n = Скорость вращения (об/мин)
9550 = Константа преобразования
Крутящий момент состоит из нескольких составляющих, которые необходимо рассчитывать отдельно.:
- Деформационный момент: Сила, необходимая для пластической деформации металла.
- Момент трения: Сопротивление подшипников шейки ролика
- Потери при передаче: Энергия, теряемая в редукторах и муфтах
Типичные требования к статической мощности
| Тип прокатного стана | Диаметр рулона (мм) | Типичная мощность двигателя (кВт) | Диапазон скоростей (об/мин) |
|---|---|---|---|
| Стан горячей прокатки | 600-800 | 5,000-10,000 | 50-200 |
| Стан холодной прокатки | 400-600 | 3,000-8,000 | 100-500 |
| пластинчатый стан | 800-1200 | 8,000-15,000 | 30-120 |
| Проволочный стан | 200-350 | 500-2,000 | 300-1000 |
| Секция Мельница | 500-900 | 2,000-6,000 | 60-180 |
Метод 2: Расчет динамической нагрузки с маховиком
Когда прокатный стан испытывает большие колебания нагрузки между проходами, инженеры часто добавляют в систему привода маховик. Этот метод требует более сложных расчетов, поскольку маховик во время работы накапливает и выделяет кинетическую энергию..
Как работают маховики на прокатных станах
Во время перекатного прохода (когда металл деформируется), маховик замедляется и высвобождает накопленную энергию, помогая двигателю преодолевать пиковые нагрузки.. В перерыве между проходами (без нагрузки), маховик снова ускоряется и сохраняет энергию для следующего прохода. Эта система позволяет инженерам использовать двигатель меньшего размера, чем в противном случае потребовалось бы..
Важное примечание: Использование маховика приводит к дополнительным потерям энергии из-за постоянного ускорения и замедления.. Этот компромисс необходимо учитывать при расчете общей эффективности системы..
Динамические компоненты крутящего момента
Для прокатных станов с маховиком, общий крутящий момент двигателя включает в себя:
| Компонент крутящего момента | Описание | Типичный диапазон (%) |
|---|---|---|
| Статический вращающий момент | Сила, необходимая для деформации металла | 60-75% |
| Момент ускорения маховика | Энергия для восстановления скорости маховика | 15-25% |
| Трение и потери | Трение подшипника, парусность, передача инфекции | 10-15% |
Параметры определения размера маховика
Момент инерции маховика (ГД²) рассчитывается исходя из необходимой емкости накопителя энергии. Ниже приведены типичные значения для различных размеров прокатных станов.:
| Моторная мощность (кВт) | Маховик GD² (кг·м²) | Падение скорости (%) | Время восстановления (с) |
|---|---|---|---|
| 500-1,000 | 2,000-5,000 | 8-12% | 1.5-2.5 |
| 1,000-3,000 | 5,000-15,000 | 10-15% | 2.0-3.5 |
| 3,000-6,000 | 15,000-40,000 | 12-18% | 3.0-5.0 |
Метод 3: Метод эквивалентной нагрузки для реверсивных мельниц
Реверсивные прокатные станы представляют собой наиболее сложный сценарий выбора двигателя. Эти мельницы должны часто ускоряться, замедляться, и обратное направление, создавая значительные динамические нагрузки. Метод эквивалентной нагрузки учитывает эти изменяющиеся условия путем расчета средней потребляемой мощности за полный цикл прокатки..
Среднеквадратичный (среднеквадратичное значение) Расчет мощности
Псреднеквадратичное значение = √[(P₁²t₁ + P₂²t₂ + … + Pₙ²tₙ) / (т₁ + т₂ + … + тₙ)]
Где:
Псреднеквадратичное значение = Среднеквадратическая мощность (кВт)
П₁, P₂…Pₙ = Мощность на каждой фазе цикла прокатки.
т₁, t₂…tₙ = Продолжительность каждой фазы
Типичные фазы прокатного цикла
Полный цикл реверсивного прокатного стана включает в себя следующие отдельные этапы::
| Фаза | Продолжительность (с) | Уровень мощности | Нагрузка двигателя (%) |
|---|---|---|---|
| Ускорение вперед | 0.5-2.0 | Пик | 180-250% |
| Вперед | 2.0-8.0 | Высокий | 80-120% |
| замедление | 0.3-1.5 | Регенеративный | -50 к -150% |
| Время перерыва (Разворот) | 0.5-1.5 | Праздный | 5-10% |
| Обратное ускорение | 0.5-2.0 | Пик | 180-250% |
| Обратная прокатка | 2.0-8.0 | Высокий | 80-120% |
Анализ диаграммы нагрузки двигателя
Независимо от того, какой метод расчета вы используете, построение диаграммы нагрузки двигателя является важным шагом. На этой диаграмме показано, как крутящий момент или мощность двигателя изменяются в течение цикла прокатки.. Инженеры используют эту информацию, чтобы убедиться, что выбранный двигатель может выдерживать как средние, так и пиковые нагрузки..
Шаги по созданию диаграммы нагрузки
- Рассчитайте крутящий момент прокатки для каждого прохода на основе коэффициента обжатия и свойств материала.
- Определите моменты ускорения и замедления на основе инерции системы.
- Добавьте потери на трение и трансмиссию к каждой фазе.
- Постройте график зависимости крутящего момента или мощности от времени для полного цикла прокатки.
- Определите пиковые значения и рассчитайте эквивалент RMS.
Тепловая проверка двигателя
После расчета необходимой мощности, инженеры должны убедиться, что двигатель может выдерживать тепловую нагрузку без перегрева.. Эта проверка особенно важна для прокатных станов с высокой нагрузкой или частыми перегрузками..
Контрольный список термической проверки
- Действующий ток не должен превышать номинальный ток двигателя.
- Пиковый ток должен находиться в пределах перегрузочной способности двигателя. (обычно 150-250% для 10-60 секунды)
- Рабочий цикл должен соответствовать номиналу двигателя. (S1 непрерывный, S3 прерывистый, S6 непрерывная работа с прерывистой нагрузкой)
- Температура окружающей среды и высота над уровнем моря должны соответствовать техническим характеристикам двигателя.
- Мощность системы охлаждения должна быть адекватной ожидаемому выделению тепла.
Типы двигателей для прокатных станов
Выбор типа двигателя существенно влияет на расчет выбора мощности.. Различные технологии двигателей имеют разную перегрузочную способность., диапазоны регулирования скорости, и характеристики эффективности.
| Тип двигателя | Перегрузочная способность | Диапазон скоростей | Эффективность | Лучшее приложение |
|---|---|---|---|---|
| Асинхронный двигатель переменного тока | 150-200% | 1:10 с ЧРП | 92-96% | Мельницы непрерывного действия, постоянная нагрузка |
| Синхронный двигатель | 200-250% | 1:20 с циклоконвертером | 95-97% | Большие мельницы, высокая мощность |
| Шунтовый двигатель постоянного тока | 200-300% | 1:20 базовая скорость, 1:3 ослабление поля | 90-94% | Реверсивные мельницы, точный контроль |
| Двигатель с постоянным магнитом | 180-220% | 1:1000+ | 95-98% | Современные высокопроизводительные мельницы |
Практический пример: Выбор двигателя стана горячей прокатки
Рассмотрим упрощенный пример выбора мощности двигателя клети чистового стана горячей прокатки..
Заданные параметры:
- Диаметр рабочего валка: 700 мм
- Ширина полосы: 1,500 мм
- Толщина входа: 25 мм
- Выходная толщина: 12 мм
- Скорость прокатки: 5 РС
- Материал: Низкоуглеродистая сталь при 950°C
- Напряжение потока: 120 МПа
Результаты расчета:
- Длина контакта: 95.4 мм
- Сила прокатки: 18,500 кН
- Крутящий момент качения: 880 кН·м (за рулон)
- Скорость рулона: 136 об/мин
- Статическая мощность: 6,270 кВт (за стенд)
- С 15% запас прочности: 7,200 кВт
Факторы, влияющие на требования к мощности двигателя
Несколько факторов могут увеличить или уменьшить фактическую мощность двигателя, необходимую для прокатного стана.. Понимание этих переменных помогает инженерам принимать более обоснованные решения при выборе..
Свойства материала
Более прочные материалы требуют большей силы прокатки.. Температура существенно влияет на напряжение текучести: горячая прокатка требует меньше усилий, чем холодная прокатка, для того же обжатия..
Коэффициент уменьшения
Большие обжатия за проход увеличивают силу прокатки и крутящий момент.. Зависимость не является линейной: удвоение снижения более чем вдвое увеличивает требуемую мощность..
Диаметр рулона
Ролики меньшего размера требуют меньшего крутящего момента, но создают более высокие контактные напряжения.. Диаметр ролика влияет на геометрию контакта и условия трения..
Скорость вращения
Более высокие скорости требуют большей мощности даже при постоянном крутящем моменте.. Скорость также влияет на чувствительность к скорости деформации в некоторых материалах..
Условия трения
Смазка снижает трение и энергопотребление.. Горячая прокатка обычно работает с более высоким трением, чем холодная прокатка со смазкой..
Эффективность трансмиссии
Эффективность коробки передач (обычно 96-98% через сцену) и потери в подшипниках увеличивают требуемую мощность двигателя.. Несколько ступеней редуктора усугубляют эти потери..
Запасы безопасности и конструктивные факторы
Инженеры обычно добавляют запасы безопасности к своим расчетным требованиям к мощности, чтобы учесть неопределенности и будущие потребности в мощности.. В таблице ниже показаны рекомендуемые коэффициенты безопасности для различных применений..
| Тип приложения | Фактор безопасности | Рассуждение |
|---|---|---|
| Четко определенный непрерывный процесс | 1.10-1.15 | Стабильные условия, известные нагрузки |
| Переменный ассортимент продукции | 1.15-1.25 | Разные материалы и размеры |
| Реверсивная операция | 1.20-1.30 | Динамические нагрузки, частые старты |
| Будущее расширение мощностей | 1.25-1.40 | Возможность роста без замены двигателя |
Распространенные ошибки, которых следует избегать
На основе полевого опыта, вот некоторые частые ошибки, которые приводят к неправильному подбору двигателя для прокатных станов:
- Игнорирование динамических нагрузок: Использование только статических расчетов для реверсивных мельниц приводит к созданию двигателей меньшего размера.
- Забывая о потерях при передаче: Двухступенчатый редуктор может добавить 4-8% требуемой мощности двигателя
- Неправильный номинал рабочего цикла: Указание S1 (непрерывный) когда фактическая операция — S6 (прерывистый)
- Пренебрежение эффектами высоты: Двигатели теряют охлаждающую способность на больших высотах — их мощность снижается на 1% на 100м свыше 1000м
- Слишком большой размер: Двигатели, работающие при очень малых нагрузках, имеют низкий КПД и коэффициент мощности.
Краткое изложение процесса отбора
Процесс выбора мощности двигателя для любого прокатного стана следует этой общей последовательности.:
- Классифицируйте прокатные станы по нагрузочным характеристикам. (устойчивый, колеблющийся, или обратный ход)
- Расчет сил качения и крутящих моментов для всех условий эксплуатации.
- Добавьте динамические нагрузки (ускорение, замедление) где это применимо
- Включить потери при передаче и на трение.
- Нарисуйте полную диаграмму нагрузки двигателя за один цикл прокатки.
- Рассчитать эквивалент (среднеквадратичное значение) мощность для термического определения размеров
- Проверьте пиковые нагрузки на перегрузочную способность двигателя.
- Применять соответствующие коэффициенты безопасности
- Проверка тепловых возможностей посредством расчетов нагрева.
- Выберите двигатель из доступных типоразмеров.
Правильный выбор мощности двигателя обеспечивает надежную работу., оптимальная энергоэффективность, и длительный срок службы оборудования. Уделение времени точному анализу требований к нагрузке и применению правильного метода расчета приносит дивиденды на протяжении всего срока службы прокатного стана..
Последний совет: Когда сомневаешься, проконсультируйтесь с производителями двигателей, имеющими опыт эксплуатации прокатных станов.. Они могут предоставить рекомендации для конкретного применения и помочь сверить ваши расчеты с кривыми производительности двигателей..
