摘 要
钢铁工业是国民经济的基础产业，在我国经济的发展中一直处在主要地位，
我国钢铁工业的发展长期以来都得到国家的重视，我国钢铁工业发展迅速，形成了完整的成熟的工业体系。
板带材是钢铁产业中的一类重要产品，早已成为国家基建和人民生活中常用
的重要物资。伴随着中国工业化和经济建设的进一步深入，对板带材等钢铁产品的需求也愈加强劲。
随着科学技术的发展，板带材生产目前大部分采用连续化成卷生产。在带钢
生产过程中，张力辊(Tension Roll) 作为重要组成部分，在板带材生产线上的作用至关重要。该设备在连续退火机组中使用非常广泛。
张力辊装置就是用于在连续带材生产线上实现张力调节的一种设备。采用张
力辊装置来实现张力调节是一项新技术 。其原理为： 带钢包绕在张力辊上，在其包绕接触处(即包角处) 产生摩擦力，以此使出口张力与入口张力按某种规律变化，借此改变张力值，对机组实现张力控制。
在查阅了大量相关资料和对连退机组及其张力辊相关设备进行了系统的了
解下，本文中以机械动力学、机械原理、机械设计和材料力学等知识作为理论基础，从经济、可靠、实用的角度出发，对张力辊和压辊的结构、传动系统以及压下装置进行了细致的设计，并对各部分的重点零部件进行了强度校核。
关键词： 张力辊； 钢铁； 板带材
Abstract
Iron and steel industry is a foundation industry of economy, it acts
as a very important role during the development of our country. By the lasting support and guidance of the government, our iron and steel industry develops quickly, a mature industry system has been built up.
Board strips is an important class of product in steel industry and
had become a common material in the national’s infrastructure and the People's Daily life. Along with the futher development of industrialization and economy construction in China, our country has a strong demand of iron and steel, such as Board strips.
With the development of science and technology, now most of the
production of board strips use the method of continuously volume production. In the production process, the Tension roller as an important part in the production process of strip, act as an important role in the board strips production line. And the equipment has come to widespread used in the continuous annealing unit is very extensive.
Tension roller device is used in cont as a kind of equipment to realize
tension adjustment. And adopt tension roller to realize tension adjust is a new technology. The principle is: Strip bag around tension roller, and at the contact point (namely Angle place) produces friction, so as to make the export tension and entry tension change according to some law ,and the the tension value will change. Then realized the tension control of the whole unit.
In a lot of relevant information and access to Continuous Annealing
Line and it’s tension roller related equipment, This paper take the knowledge of mechanical dynamics, mechanical principle, mechanical design and material mechanics as it ’s oretical basis, from the economical,
reliable and practical point of view, From the angle of economic, reliable and practical. Take a meticulous design to structure of the tension roller and pressure roller, transmission system and pressing device. And take the key elements of all part into stress test.
Key words: Tension Roll； Steel； Steel and Strip
目 录
1 绪论.................................................. 错误！未定义书签。
1.1 我国钢铁生产的现状 ............................................... 6
1.2 连续退火技术的工艺及发展 ......................................... 6
1.3 板带材的特点 ..................................................... 7
1.3.1 板带产品的外形、使用特点.................................... 7
1.3.2 板带产品分类及技术要求...................................... 8
1.3.3 板带产品的生产特点......................................... 10
1.3.4 张力辊在板带材生产中的作用................................. 10 2 张力辊的设计和研究.................................... 错误！未定义书签。
2.1 设计参数 ........................................ 错误！未定义书签。
2.2 张力辊几何参数的设计计算 ........................ 错误！未定义书签。
2.2.1 张力辊直径的选择........................... 错误！未定义书签。
2.2.2 张力放大系数的确定......................... 错误！未定义书签。
2.3 张力辊的结构设计 ................................ 错误！未定义书签。
2.3.1 上辊的几何参数及材质选用................... 错误！未定义书签。
2.3.2 上辊的结构设计............................. 错误！未定义书签。
2.4 压辊的设计计算 . .................................. 错误！未定义书签。
2.4.1 压辊几何参数的设计计算
2.4.2 压辊压力的计算
3 张力辊传动系统的设计.................................. 错误！未定义书签。
3.1 张力辊整体结构设计 .............................. 错误！未定义书签。
3.1.1 定性选电机................................. 错误！未定义书签。
3.2 电机的选择 . ...................................... 错误！未定义书签。
3.2.1 张力辊电机功率的确定........................ 错误！未定义书签。
3.2.2张力辊电动机的选型
3.3 减速器的选择 .................................... 错误！未定义书签。
3.4 联轴器的选择 .................................... 错误！未定义书签。
3.4.1 联轴器的分类............................... 错误！未定义书签。
3.4.2 联轴器的选择............................... 错误！未定义书签。
3.5 轴承的选择 ...................................... 错误！未定义书签。
3.5.1 张力辊受力分析............................. 错误！未定义书签。
3.5.2 张力辊轴承的选择........................... 错误！未定义书签。 4 张力辊的强度校核...................................... 错误！未定义书签。
4.1 张力辊的传动原理及受力分析 ...................... 错误！未定义书签。
4.2 张力辊的扭矩及弯矩分析 .......................... 错误！未定义书签。
4.2.1 扭矩的确定 . ................................ 错误！未定义书签。
4.2.2张力辊的剪切力及弯矩计算 .................... 错误！未定义书签。
4.3 张力辊的校核 .................................... 错误！未定义书签。
4.3.1 许用应力和许用安全系数的选择............... 错误！未定义书签。
4.3.2 张力辊校核................................. 错误！未定义书签。
4.4 张力辊有限元分析 ................................ 错误！未定义书签。
4.4.1有限元简介.................................. 错误！未定义书签。
4.4.2张力辊有限元分析............................ 错误！未定义书签。
4.4.3张力辊强度校核 .............................. 错误！未定义书签。 结束语................................................... 错误！未定义书签。 参考文献................................................. 错误！未定义书签。 致谢..................................................... 错误！未定义书签。
1、绪论
1.1、前言
各种带钢连续处理机组（如连续酸洗、退火、各种镀涂层、精整等机组），对带钢的张力都有严格的要求，同时合适的带钢张力也是保证带钢高速同时合适的带钢张力也是保证带钢高速、稳定运行的基本条件, 因此, 本文着重研究保障张力关键设备 —— 张力辊。
近几年, 尽管国内钢铁得到了迅猛的发展, 但国内高速的、运行平稳的机 组绝 大部分是引进的, 而完全国产的这类机组的速度较低, 生产带钢品质也低, 有些机组无法稳定运行、甚至影响带钢的板形等等, 这种状态的形成与国内目前缺少对张力辊等这类设备的理论和实践研 究不无关系。因此, 针对张力辊的研究尤为必要。在设计张力辊时，首先根据被处理的材料（材质、厚度和宽度等），带钢的表面要求、张力要求、运行速度等，确定张力辊的型式，张力辊的辊径，驱动张力辊的电机功率及压辊的设置，然后是传动系统的确定，选择电机、减速器、联轴器、轴承和键。
1.2 、我国钢铁生产的现状
目前，我国已成为世界第一产钢大国，热轧带钢品种在我国钢铁工业中占有极其重要的地位，国内各大钢铁公司为了尽快占领板带材市场，纷纷花巨资新建或改造薄板连轧厂，不断扩大品种范围及产量。但总体而言，我国热轧薄板生产、设计水平与世界先进水平相比仍有一定差距，我们需要不断了解、掌握热轧薄板生产的新技术、新工艺，提升热轧板带产品质量。
板带材是钢铁材料中的重要产品，在国民经济中的应用十分广泛。热扎板带材的退火是板带材生产中十分重要的辅助环节，目前世界上比较先进的退火工艺就是连续退火技术, 它不但比以往的罩式退火技术提高了速度, 退火质量还更加好。在连续退火机组中张力辊必须提供足够的张力，以保证后续工序的顺利进行，以得到生产所需要的板带质量。
1.3 、连续退火技术的工艺及发展
带钢在直通式炉内连续运行过程中完成的退火工艺称为连续退火。连续退火是相对罩式退火而言的，连续退火为带钢连续通过退火炉，退火炉无封口，带钢不经过停留而直接进行卷取的生产方式。在大生产应用中，连续退火应用广泛，
连续退火使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒，同时消除加工硬化和残留内应力，钢的组织和性能恢复到冷变形前状态的热处理工艺。带钢的连续退火研究开始于20世纪30年代。50一60年代连续热处理工艺在镀锡原板的生产中得到广泛运用。随 后，日本采用高温轧制、高温卷取工序同退火时过时效处理工序合并的方法，生产深冲用冷轧钢板获得成功。1971年 和1972年日本先后建成了两条连续退火生产线。到了 80年代连续退火得到了广泛应用。
连续退火机组的工艺流程为：开卷、焊接→清洗→活套→连续退火→平整、拉矫→卷取。
连续退火炉按作业方式分立式(塔式) 与卧式两 种。塔式退火炉用于每月必须退火1万t 以上的带钢 时才是经济的。产量低时，用卧式连续退火炉较经济， 因为这种炉子投资低、热量消耗较少。
目前，在生产中运行的有4种工艺:
(1)新日铁公司的NSC 一CAPL 方法;
(2)日本钢管公司的NKK- CAL方法;
(3)川崎公司的KM 一CAL 方法;
(4)比利时公司的NOWAQ 方法。
它们的不同点在于加热后的 冷却方法不同，有水冷、气冷、辊冷、水一气复合冷却、 辊一气复合冷却、浸冷、喷冷等。各种冷却方法用来控制冷却速度，以得到所需组织结构的冷却带钢。4种方法原则上有两种不同的退火周期。一种是加热到退火温度后保温，冷却到过时效温度时再保温，随后冷却到室温。另一种是加热到退火温度后保温，冷却到室温， 再重新加热到过时效温度，在此温度上保温，最后冷却 到室温。对双相钢，无需加热到过时效温度。用上述两 种不同退火周期，可生产CQ(商用质量) 、1洲二(冲压质量) 、Dl 双(深冲质量) 、HS(高强度钢) 和双相钢。 连续退火因周期短、产品质量均匀、设备投资节省、占地面积少等优点而获得广泛发展。日本1982年建造的带钢生产线，将酸洗、冷轧、电解脱脂、退火、 精整等工序合并成一条连续生产线，成为工艺更先进 的全连续冷轧带钢机组。
1.4、板带材的特点
1.4.1、板带产品的外形、使用特点
1）外形特点：板带产品外形扁平, 宽厚比大，单位体积的表面积很大
2）使用上的特点:
a) 表面积大，故包容覆盖能力强，在化工、容器、建筑、金属制品、金属结构等方面都得到广泛应用
b) 可任意剪裁、弯曲、冲压、焊接、制成各种制品构件，使用灵活方便，在汽车、航空、造船及拖拉机制造等部门占有极其重要的地位
c) 可弯曲、焊接成各类复杂断面的型钢、钢管、大型工字钢等结构件，故称为“万能钢材”。
1.4.2、板带产品分类及技术要求
一般将单张供应的板材和成卷供应的带材总称为板带
1.4.2.1、板带材产品分类
一般分类：
1) 按材料种类：钢板钢带、铜板铜带和铝板铝带等
2) 按产品尺寸规格：一般可分为厚板（包括中板和特厚板) 、薄板和极薄带材（箔材) 三类。
我国分类：
1）中厚板：厚度在4.0mm 以上 (其中4～20mm 者为中板，20～60mm 者为厚板，60mm 以上者为特厚板, 特厚板可厚至500mm 以上，最宽可达5000mm)
2）薄板：4.0～0.2mm
3）极薄带钢（箔材）：0.2mm 以下, 目前箔材最薄可达0.001mm.
1.4.2.2、板带产品技术要求
对板带材的技术要求具体体现为产品的标准
板带材的产品标准包括：
品种(规格）标准、技术条件、试验标准及交货标准等
根据板带材用途的不同，对其提出的技术要求也各不一样，基于其相似的外形特点和使用条件，其技术要求归纳起来：“尺寸精确板型好，表面光洁性能高”。
（1）尺寸精度要求高
①尺寸精度主要是厚度精度, 因为它不仅影响到使用性能及连续自动冲压后步工序，而且在生产中难度最大
②厚度偏差对节约金属影响很大。板带钢由于B/H很大，厚度一般很小，厚度的微小变化势必引起其使用性能和金属消耗的巨大波动。
③故在板带钢生产中一般都应力争高精度轧制, 力争按负公差轧制（在负偏差范围内轧制，实质上就是对轧制精确度的要求提高了一倍，这样自然要节约大量金属，并且还能使金属结构的重量减轻 ）
（2）板型要好
①板型要平坦，无浪形瓢曲：对普通中厚板，其每米长度上的瓢曲度不得大于l5mm ，优质板不大于10mm ，对普通薄板原则上不大于20mm 。
②板带钢既宽且薄，对不均匀变形的敏感性特别大，所以要保持良好的板型很不易。
③板带愈薄，其不均匀变形的敏感性越大，保持良好板型的困难也就愈大。板型的不良来源于变形的不均，而变形的不均又往往导致厚度的不均，因此板型的好坏往往与厚度精确度也有着直接的关系
（3）表面质量要好
①板带钢是单位体积的表面积最大的一种钢材，又多用作外围构件，故必须保证表面的质量
无论是厚板或薄板表面皆不得有气泡、结疤、拉裂、刮伤、折叠、裂缝、夹杂和压入氧化铁皮，这些缺陷不仅损害板制件的外观，而且往往败坏性能或成为产生破裂和锈蚀的策源地，成为应力集中的薄弱环节
②例如：硅钢片表面的氧化铁皮和表面的光洁度就直接败坏磁性，深冲钢板表面的氧化铁皮会使冲压件表面粗糙甚至开裂，并使冲压工具迅速磨损，至于对不锈钢板等特殊用途的板带，还可提出特殊的技术要求
（4）性能要好
①主要包括机械性能、工艺性能和某些钢板的特殊物理或化学性能
②一般结构钢板：具备较好的工艺性能，例如，冷弯和焊接性能等，而对机械性能的要求不很严格
③甲类钢钢板：要保证性能，有一定的强度和塑性
④重要用途的结构钢板：要求有较好的综合性能，除要有良好的工艺性能，甚至除了一定的强度和塑性以外，还要求保证一定的化学成分，保证良好的焊接性能、常温或低温的冲击韧性，或一定的冲压性能、一定的晶粒组织及各向组织的均匀性等等
⑤特殊用途的钢板：如高温合金板、不锈钢板、硅钢片、复合板等，它们或要求特殊的高温性能、低温性能、耐酸耐碱耐腐蚀性能，或要求一定的物理性能如磁性) 等
1.4.3、板带产品的生产特点
（1）板带材是用平辊轧出，故改变产品规格较简单容易，调整操作方便，易于实现全面计算机控制的自动化生产
（2) 带钢的形状简单，可成卷生产，且在国民经济中用量最大，故必须而且能够实现高速度的连轧生产
（3）由于宽厚比和表面积都很大，故生产中轧制压力很大，可达数百万至数千万牛顿，不仅使轧机设备复杂庞大，而且使产品厚、宽尺寸精度和板形控制技术及表面质量控制技术变得十分困难和复杂。
1.4.4、张力辊在板带材生产中的作用
张力辊作为必不可少的设备, 在整条生产线上起着为全线提供张力的作用。连续生产线的带钢必须在张力之下运行，张力的最基本作用是保证带钢的正常运行，使带钢尽可能沿着生产线的中心线运行而不致因走偏而造成边部刮伤甚至断带。
机组各段张力值的建立，是依靠在机组适当位置设置的夹送辊和张力辊实现的。带钢包绕在张力辊上，在其包绕接触处（包角处）产生摩擦力，正是这个摩擦力，使出口张力与入口张力按某种规律变化，借此改变张力值，对整条机组实现张力控制，因此张力辊是后处理机组连续运行的重要设备组成单元［1］。如何正确地获得精确的张力值及张力变化规律，更好地控制张力，使整个机组的张力得到合理的匹配，对提高产品质量，降低机组的能耗有着重要的意义，因此张力辊的设计对机组的正常连续运行显得尤为重要。
2、张力辊的设计计算
2.1、设计参数
带钢厚度：入口 0.45～2.3mm 出口 0.45～2.3mm ；
带钢宽度：入口 900～1860mm 出口 900～1860mm ；
单位钢卷重量（kg/mm）：入口 最大 24 kg/mm，平均 18 kg/mm； 出口 最大 24 kg/mm，平均 18 kg/mm； 原料强度：屈服极限 最大 1200Mpa ， 最小 345Mpa；
弹性模量 206Gpa；
带钢单位张力（N /mm 2）：带钢入口单位张力为83N /mm 2；
出口单位张力为24.06N /mm 2；
带钢运行速度：601m/min；
2.2、张力辊几何参数设计计算
2.2.1、张力辊直径的选择
张力辊直径的选择应以带钢的最外(或最里) 表面没有达到屈服极限为条件, 这样带钢只产生弹性变形, 可以防止带钢产生塑性变形(弯曲或伸长) 。显然张力辊辊径越小, 产生变形就越大, 要保证其变形在弹性范围之内, 张力辊的辊径不能太小, 必须有一定的限制。
计算原则: 带钢缠绕在张力辊上不产生塑性弯曲变形，即按厚带材绕过张力辊的弯矩小于或等于带材的弹性极限弯矩计算辊径。
计算公式如下： D = h max *E
σs
其中： D ： 张力辊的辊径 ，单位 mm；
h ： 钢板的厚度 ，单位 mm；
E : 带钢的弹性模量 ，单位 MPa；
σs ：带钢的屈服强度 ，单位 MPa。
已知带钢的最大厚度为2.3mm ，带钢的弹性模量为206GPa ，带钢的屈服强度为345MPa ，代入上式得张力辊辊径为：
D=h max *E
σs =206000Mpa *2.3mm =1373.33mm 345Mpa
张力辊辊径的大小取决于被处理带材的材质和最大厚度，辊径并非越大越好，应结合实际生产经验，确定合理的张力辊辊径。
根据实际生产经验，最终确定张力辊辊径D=1300mm。
张力辊辊身的长度依据带钢的宽度选取，通常是带钢的带宽加200~300mm，带钢的宽度为900~1860mm，则取张力辊辊身L=2100mm。
2.2.2、张力放大系数λ的确定
张力辊的工作原理是带钢包绕在张力辊上，在其包绕接触处(即包角处) 产生摩擦力，以此使出口张力与入口张力按某种规律变化，借此改变张力值，对机组实现张力控制。张力放大系数λ就反映了张力变化规律。
在辊面材质和被处理材质一定的前提下，即摩擦系数一定的前提下，包角的大小决定了张力辊的张力放大系数λ的大小。所以，在设计辊子的布置型式时，要考虑辊子的数量及总包角。
张力辊处在“电动状态”下工作时，张力辊为主动，即驱动的张力辊带动带钢运动，如图2.1所示，入口张力T 入大于出口张力T 出。
图2.1 “电动状态”张力辊示意图
张力放大系数计算公式： λ=eμα=T 入
T 出
其中： T 入：张力辊的入口张力，单位 kn；
T 出：张力辊的出口张力，单位 kn；
μ：包角处带钢与张力辊之间的摩擦系数；
α：带钢在张力辊上的包角。
λ：张力辊传动带钢，保证带钢不打滑可能产生的张力放大倍数。
这是可能产生的放大倍数，张力辊实际放大能力取决于传动功
率，但是传动能力超过此范围也没有意义。
选取0.6⨯1860的带钢计算，可求得入口和出口张力分别为：
T 入=83⨯（0.6⨯1860）≈93kn
T 出=24.06⨯（0.6⨯1860）≈27kn
已知张力辊出口张力为93kn ，入口张力为27kn ，采用钢辊接触，摩擦系数取0.074, 。代入公式得： λ=eμα=T 入
T 出=93=3.44 27
由此可知，所需的张力辊总包角α：
α=ln 3.44
μ=ln 3.44≈16.69 弧度 0.074
将弧度转化为角度后，可知所需的张力辊总包角α=956。
张力辊的型式一般有二辊式、三辊式、四辊式等。结合本机组所需的张力辊总包角，以及本机组设计中带材入口与出口的位置，确定张力辊的型式为四辊式。辊子布置如图2.2所示：
图2.2 辊子布置图
图中，α1=α2=α3=α4≈240。
2.3、张力辊的结构设计
张力辊辊身为2100mm ，直径为1300mm ，考虑到张力辊直径较大，为减轻重量同时节省材料，采用如图2.2所示的空心辊结构。
图2.2 张力辊结构图
（1）、A 必须为锻件。常用钢管的加工方法有锻造、离心铸造、焊接、和无缝钢管等。其中： ①、锻造：利用锻锤的往复冲击力或压力机的压力使坯料改变成我们所需
的形状和尺寸的一种压力加工方法。一般分为自由锻和模锻，
常用作生产大型材、开坯等截面尺钢材寸较大的材料。整体锻
造成型质量好、机械性能最佳，但成本较高，一般适用于特殊
辊坯制造，如需要表面硬化淬火处理，或采用卷板很难成型的
情况下。
②、离心铸造：离心铸造是将液态金属浇入旋转的铸型里，在离心力作用下充型并
凝固成铸件的铸造方法，离心铸造的特点是金属液在离心力作用下充型
和凝固，金属补缩效果好，铸件组织致密，机械性能好；铸造空心铸件
不需浇冒口，金属利用率可大大提高。因此对某些特定形状的铸件来说，
离心铸造是一种节省材料、节省能耗、高效益的工艺，但须特别注意采
取有效的安全措施施。一般用于特殊材料，如不锈钢、耐热钢等热加工
抗力较大材料，或没有相应牌号的板材。但制造成本高，而且需要专门
的模具，冶金行业炉辊多采用此方法制造。
③、焊接：焊接钢管是由卷成管形的钢板以对缝或螺旋缝焊接而成。是最
经济、应用最广泛的成型方法。但对于小直径（
厚（>50m）的套筒有一定局限性，另外由于存在一条贯穿筒身
的纵向焊缝，因此对于焊接质量要求较高。
④无缝钢管：大口径厚壁无缝钢管很少生产，而且规格有限，一般小辊子
多借用不同规格的无缝钢管。国内也有进行扩管生产，但批量
小、规格少、质量部稳定，成本也接近锻造。
张力辊需要直径为1300mm 的钢管强度要求较高，为满足张力辊的尺寸及强度要求，选用锻造的方式加工钢管。
（2）、对B 、C 进行正火处理，以细化金属组织晶粒，消除在锻、轧后的组织缺陷，改善钢的机械性能（强度、韧性和塑性）。
（3）、采用低氢焊条，在预热温度大于100C 时，焊接B 与E ，C 与D 。较其它类型的酸性焊条，低氢焊条有很多优点，如有良好的机械性能(特别是焊缝金属的塑性、韧性及抗时效性能) 和抗裂性能。焊接后，对B 和E 、C 和D 进行退火处理，以消除内应力，并进行磁粉探伤。
（4）、对辊面进行表面喷丸处理，然后进行毛化镀铬，硬度层t 为
0.1±0.03mm ，表面粗糙度R a 为4.04.5μm 。
①、表面喷丸处理：喷丸处理也称喷丸强化，是减少零件疲劳强度，提
高寿命的有效方法之一，喷丸处理就是将高速弹丸流喷射到弹簧表
面，使弹簧表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层，强化层
内形成较高的残余应力，由于弹簧表面压应力的存在，当弹簧承受
载荷时可以抵消一部分抗应力，从而提高弹簧的疲劳强度。
②、毛化镀铬：在各类机组中，诸如张力辊、活套辊、转向辊、纠偏辊
等，原本普遍采用包胶辊、无纺布辊或普通光面镀铬辊。包胶辊、
无纺布辊虽然摩擦系数大，辊面有一定弹性，但表面耐磨性差，使
用寿命短，已不能满足现在高速连续生产线的需要，在大多数场合，
正逐渐被毛化镀铬辊所取代。普通光辊镀铬虽然耐磨性没有问题，
但摩擦系数小，易造成带钢表面擦伤、划伤，也不能满足生产需要。
毛化镀铬辊首先对钢基表面进行研磨、抛光，基本达到或接近镜面
水平，然后按照使用要求不同进行毛化处理，而后电镀硬铬，最终
获得是在光滑表面下，存在一定数量、深度，是人为处理有一定范
围要求的微坑，最终形成特殊的表面毛化镀铬状态。
表面经过毛化处理后，不但大大增加了辊面的摩擦系数，辊面
与带钢贴合更紧密（毛化尖点增加接触压强），更重要的是带钢在
运行过程中，由于微坑存储气体的作用，使得带钢与辊面之间形成
一层保护气膜（其原理类似于油膜轴承），避免了辊面对钢带的擦
伤、划伤，因此，带钢表面质量要求较高，越应采用毛化镀铬辊。
.2.4、压辊的设计计算
2.4.1、压辊几何参数的计算
在精整机组中，一般张力辊都加有压辊，借此可获得初始张力，还可防止带钢在辊子上打滑。打滑会使带钢出现（或加剧）跑偏，影响正常生产。
应指出，带钢在张力辊上出现打滑，与所加压辊压力值有关。不能认为加大压辊压力，可以防止打滑，事实恰恰相反，往往减少压辊压力可以防止打滑。因此，产生另一种想法，为了防止打滑，建议干脆取消压辊。实际表明，这种想珐也是不正确的。那么压辊压力应为何值时，才可防止带钢出现打滑呢？下面讨论”电动状态”下张力辊的受力分析，如图2.3所示。
图2.3 带压辊的张力辊的受力分析
压辊通过液压缸提供的液压力，使其紧紧将板带材压在张力辊上。一般辊身尺寸根据带钢的宽度b 选取，通常是带宽加（200～300）mm ，两边再留出安装轴承和轴承座的尺寸a ，便得到压辊两轴颈之间的长度l 。初步设计时作简化处理，认为压辊的直径在整个轴线上受到张力辊的反作用力是相等的。压辊的受力图
2.4所示。
压辊在中点处挠度最大，采用叠加法求解压辊的变形较为方便。由材料力学变形公式可得，跨度中点处由载荷
dF qdx
图2.4 压辊受力简图
引起的挠度为： dw c =-dF *x 2qx (3l -4x 2) =-(3l 2-4x 2) dx 48EI 48EI
整个均布载荷使跨度中点处产生的挠度应为dw c 的积分，即： w c =-
将 q 48EI 32224⎡324⎤ l a +b -a +b -l a +b ()()⎢⎥2⎣2⎦
I =
代入上式，有： π(2R 2)644, w c ≤[w c ]
⎧⎫32224⎪4q ⎡324⎤⎪D 2≥⎨l (a +b )-(a +b )-l a +a ⎥⎬ ⎢3E πw 22c ⎣⎦⎪⎪⎩⎭14
则
D 2≥200mm
则选取
D 2=219mm
2.4.2、压辊压力的计算
由于带钢与辊子间的摩擦力是由压辊对带钢的压下力使得带钢与张力辊间产生挤压导致的，而带钢的入口张力就是由带钢与辊子间的摩擦力提供的。因此压下力可由摩擦力公式计算得到。
即：
P 入μ=T 入=f
在实际工作中取μ=0.18得:
P 入=516.67kn
同理可得：P 出=150kn。
3、张力辊传动系统的设计
3.1、张力辊的整体结构设计
张力辊整体结构包括电动机（4个），减速器（4个），联轴器（8个），轴承（12个），张力辊（4个），压辊（2个），液压缸（4个）和机架。张力辊整体结构如图3.1所示。
图3.1 张力辊整体结构图
（1）、张力辊：张力辊为此结构的主要工作部件，工作时，带钢包绕在张力辊上，在其包绕接触处（即包角处）产生摩擦力，正是这个摩擦力使出口张力与入口张力按某种规律变化，借此改变张力值，实现张力控制。
（2）、压辊：张力辊的压辊作用就是增加摩擦力的，保证带钢和张力辊不打
滑。在实际应用中，压辊的作用并不是让张力辊能传递更大的张力，而是用于穿带，或用来防止带钢在换卷时打滑，这是因为再换钢卷时，张力辊一侧的带钢张力变为零，压辊用于产生初压力。
（3）、电动机：电动机是把电能转换成机械能的设备，它是利用通电线圈在磁场中受力转动的现象制成，分布于各个用户处，电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。在此张力辊设计中电动机采用单独转动，即每个张力辊配一个电动机。
（4）、减速器：减速器在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，它是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作的需要，选用减速器时应根据工作机的选用条件，技术参数，动力机的性能，经济性等因素，比较不同类型、品种减速器的外廓尺寸，传动效率，承载能力，质量，价格等，选择最适合的减速器。
（5）、联轴器： 联轴器是用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。
（6）、轴承：轴承是在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的部件。也可以说，当其它机件在轴上彼此产生相对运动时，用来降低动力传递过程中的摩擦系数和保持轴中心位置固定的机件。轴承是当代机械设备中一种举足轻重的零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，用以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数。按运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两类。
3.2、电动机的选择
3.2.1、张力辊电机功率的确定
张力辊组的传动方案有以下几种：
电机单独传动，及每个张力辊各由一个电机单独传动。这种传动方式的机、械设备较为简单；从电控角度讲，可单独控制每根张力辊，从而实现张力辊组的速差控制和张力控制两种控制方式。
带差动机构的集中传动，即采用机械差动机构将前后张力辊闭环联接。这种
集中传动方式，辊组间的转速差由差动机构补偿。它的优点是在机组启动或制动的情况下均能保持转速差的恒定；缺点是由于在每个辊组内部各个辊子之间是采用多数传动齿轮联接的，没有差动补偿装置，所以会产生扭矩分配不均的现象，同时各个辊子位置的布置受传动齿轮系的限制，对各辊子的精度要求较高，机械设备也较复杂。
本设计方案采用的张力辊传动方式是电机单独传动。由于带材在每根张力辊上的包角相等，都为240，所以每根张力辊的张力放大系数e μα：
e μα=e 0.074⨯(240⨯π÷180) =1.36
根据欧拉公式：
T 1=T 入e μα=93≈68kn 1.36
1号张力辊的传动力矩：
M 1=(T 入-T 1) =（93-1号张力辊的转速： D 21.3=16.25knm 2
n 1=V 601==147.23r /min πD 3.14⨯1.3
1号张力辊的电机功率为：
N 1=M 1n 116250⨯147.23==263.71kw 9550η9550⨯0.95
同理可得：2号张力辊的电机功率为N 2=189.87kw
3号张力辊的电机功率为N 3=140.29kw
4号张力辊的电机功率为N 4=102.32kw
3.2.2、张力辊电动机的选型
电动机分交流电动机和直流电动机两种，由于直流电动机需要直流电源，结构较复杂，价格较高，维护比较不便等缺点，因此无特殊要求是不宜采用。
冶金行业生产单位一般为三相交流电源，因此，应选用交流电动机，同时交流电动机又分为异步电动机和同步电动机两类，我国新设计的Y 系列三相笼型
异步电动机属于一般用途的全封闭自扇冷电动机，其具有以下优点：
1、结构简单，工作可靠，价格低廉，维护方便； 2、适用于不易然，不易爆，无腐蚀性气体和无特殊要求的机械上； 3、由于起动性能较好，也适用与某些要求起动转矩较高的机械。 根据计算结果，查电机手册，选择的电机型号与技术参数如表3.1所示： 表3.1 张力辊电机型号与技术参数
3.3、 减速器的选择
ZDY 、ZLY 、ZSY 型外啮合渐开线斜齿圆柱齿轮减速器，适用于冶金、矿山、起重运输、水泥、建筑、化工、纺织、轻工等行业，所以选择该类型硬齿面圆柱齿轮减速器。
硬齿面圆柱齿轮减速器高速轴不大于1500r/min；齿轮传动圆周速度不大于20m/s；工作环境温度为-40到45C ，低于0C 时，启动前润滑油要预热。
传动部分的传动比计算公式为：
i =
n
n 1
其中n 为电动机的额定转速。 则
i =
1500r /min
≈10.19
147.23r /min
减速器的承载能力受机械强度和热平衡许用功率两方面的限制。因此选用减速器必须经过以下两个步骤：
（1）选用减速器的公称输入功率P 1
应满足：
P 2m =P 2K A S A
K A ：工况系数（及使用系数）； S A ：安全系数;
P 1:减速器公称输入功率，kw
1号电机对应的减速器：负载功率P 2为250kw ，查机械设计手册表可选工况系数K A 为1.5，安全系数S A 为1.5，代入公式，可得机械强度计算功率为：
P 2m =P 2K A S A =250kw ⨯1.5⨯1.5=562.5kw
传动比为i=10，工称转速n=1500r/min，查表可得公称输入功率为762kw ，可以选择减速器型号为ZLY 355。
（2）校核热平衡许用功率 应满足：
P 2t =P 2f 1f 2f 3≤P G 1或P G2 式中 P 2t :计算热功率，kw ；
P G 1，P G 2：减速器热功率，无冷却装置为P G 1，有冷却装置为P G 2； f 1：环境温度系数； f 2：载荷功率系数； f 3：公称功率利用系数。
查机械设计手册可选，环境温度系数f 1为1.3，载荷功率系数f 2为1，公称功率利用系数f 3为1.25
P 2t =P 2f 1f 2f 3=250kw ⨯1.3⨯1⨯1.25=406.3kw
查表：ZLY 355，P G 1
P 2t 因此可以选定：ZLY 355-10-Ⅰ减速器，采用油池润滑，盘状水管通过水冷却润滑油。
同理通过计算，查表可以得到2到四号电机对应的减速器如表3.2所示： 表3.2 电机所对应的减速器
3.4、联轴器的选择 3.4.1、联轴器的分类
连轴器是连接两轴或连接轴与回转件的一个部件，在传递运动和动力过程中和轴一同回转不脱开。联轴器除具有连接功能外，也可使之具有安全防护等功能。
按照联轴器的性能可分为刚性联轴器和挠性联轴器。刚性联轴器对所联两轴间的相对位移缺乏补偿能力，但有结构简单，制造容易，不需维护，成本低等特点而仍有其应用范围；挠性联轴器中又分为无弹性元件的挠性联轴器和带弹性元件的挠性联轴器，。前一类只具有补偿两轴间相对位移的能力，后一类因装有弹性元件，不仅可以补偿两轴间的相对位移，而且具有缓冲减振的能力。 3.4.2、联轴器的选择
联轴器的选择主要考虑所需传递轴转速的高低、载荷的大小、被联接两部件的安装精度等、回转的平稳性、价格等，参考各类联轴器的特性，选择一种合用的联轴器类型。具体选择时可考虑以下几点
1. 所联接两个轴的轴径；
2. 传递的转矩大小和性质以及对缓冲减振功能的要求；
3. 联轴器的工作转速高低和引起的离心力大小，对于高速传动轴，应选用平衡精度高的联轴器；
4. 两轴相对位移的大小和方向，当安装调整后，难以保持两轴严格精确对中，
或工作过程中两轴将产生较大的附加相对位移时，应选用挠性联轴器； 5. 联轴器的可靠性和工作环境，通常由金属元件制成的不需润滑的联轴器比较可靠；需要润滑的联轴器，其性能易受润滑完善程度的影响，且可能污染环境。含有橡胶等非金属元件的联轴器对温度、腐蚀性介质及强光等比较敏感，而且容易老化。
6. 轴器的制造、安装、维护和成本。在满足便用性能的前提下，应选用装拆方便、维护简单、成本低的联轴器。例如刚性联轴器不但结构简单，而且装拆方便，可用于低速、刚性大的传动轴。一般的非金属弹性元件联轴器(例如弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器、梅花形弹性联轴器等) ，由于具有良好的综合能力，广泛适用于一般的中、小功率传动。 转矩的计算：
由T =
得到的转矩如表3.3所示：
表3.3 各段转矩
9550P
v
考虑到本设计中各传动轴对中性能比较差，传动转矩较大，而且可能存在冲击载荷，联轴器选用弹性柱销式联轴器。
所选的联轴器型号如表3.4所示：
表3.4 各段联轴器型号
3.5、轴承的选择 3.5.1、张力辊受力分析
对于1号张力辊，可看成带钢张力T 入、T 1，压辊压力P 入和张力辊所受重力G 产生的合力为F 1，对张力辊产生的扭矩为M 1，可以得出合力F 1与张力辊轴承座产生的支持力相平衡，扭矩M 1与电动机扭矩相平衡，根据图3.2求合力F 1
T 入
图3.2 1号张力辊的受力分析
T 1x =T 1⨯sin 30=34kn ，T 1y =T 1⨯cos 30=58.89kn
计算张力的重力时将张力辊辊粗略的视为一个环形筒，如图3.3所示：
图3.3 张力辊简图
1300212302
) -() ) =0.292m 3 张力辊体积V =2100π((22
钢的密度：
ρ钢＝8.7*103kg /m 3
则张力辊的重力为：
G =ρ钢Vg 得：
G =24.9kn
四个力T 入、T 1、P 入和G 在X 、Y 轴产生的合力F 1x 和F 1y 计算如下：
F 1x =T 入+T 1x =93+34=127kn
F 1y =P 入+G -T 1y =516.7+24.9-58.89=482.71kn
根据合力F 1=
F 1=499.14kn 同理得：F 2=118.65kn F 3=88.8kn F 4=150.13kn 3.5.2、张力辊轴承的确定
选择滚动轴承的类型与多种因素有关，通常根据下列几种主要因素：
① 允许空间。
② 载荷大小和方向。例如既有径向又有轴向的联合载荷一般选用角接触球
轴承或圆锥滚子轴承，如径向载荷大，轴向载荷小，可选用深沟球轴承和内外都有挡边的圆柱滚子轴承，如同时还存在轴或壳体变形大以及安装对中性差的情况，可选用调心球轴承、调心滚子轴承；如轴向载荷大，径向载荷小，可选用推力角接触球轴承、推力圆锥滚子轴承，若同时要求调心性能，可选推力调心滚子轴承。 ③ 轴承工作速度。
④ 旋转精度。一般机械均可用0级公差轴承。
⑤ 轴承的刚性。一般滚子轴承的刚性大于球轴承，提高轴承的刚性，可通
过“预紧”，但必须适当。
⑥ 轴向游动。轴承配置通常是一端固定，一端游动，以适应轴的热胀冷缩，
保证轴承游动方式，一是可选用内圈或外圈无挡边的轴承，另一种是在内圈与轴或者外圈与轴承孔之间采用间隙配合。
⑦ 摩擦力矩。需要低摩擦力矩的机械（如仪器），应尽量采用球轴承，还应
避免采用接触式密封轴承。
⑧ 安装于拆装。装卸频繁时，可选用分离型轴承，或选用内圈为圆锥空的、
带紧定套或退卸套的调心滚子轴承、调心球轴承。
选择轴承一般根据机械的类型、工作条件、可靠度要求及轴承的工作转速n ，预定一个适当的使用寿命L h （用工作小时表示），在进行额定动载荷和额定静载荷的计算。
（1） 基本额定动载荷计算
对于转速较高的轴承（n
C =
f h f m f d
P
式中 C:基本额定动载荷计算值，N ；
P：当量动载荷，N ； f h ：寿命因素； f n ：速度因素；
f m ：力矩载荷因素，力矩较小时f h =1.5，力矩载荷较大时f h =2； f d ：冲击载荷因素； f T ：温度因素；
C r ：轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定动载荷，N ； C a ：轴承尺寸及性能表中所列轴径向基本额定动载荷，N 。
轴承的基本额定动载荷是在假定的运转条件下确定的。其中载荷条件是：向心轴承仅受纯径向载荷；推力轴承仅受纯轴向载荷。实际上，轴承在大多数应用场合，常常同时承受径向载荷和轴向载荷，因此，在进行轴承计算时，必须把实际载荷转换为与确定额定动载荷相一致的当量动载荷。当量动载荷的一般计算公式为：
P=XF r +YF a
式中 P：当量动载荷，N ； F r ：径向载荷，N ； F r ：轴向载荷，N ； X：径向动载荷系数： Y：轴向动载荷系数。
考虑到载荷较大，且主要承受径向载荷，所以选择调心滚子轴承，对于1号张力辊，当量动载荷P=250kn，根据技术要求查机械手册表得：寿命系数
f h =1.54，速度系数f n =0.643，力矩载荷系数f m =1，冲击载荷系数f d =1，温度系
数f T =1。代入公式得：
C =
f h f m f d 1.54⨯1⨯1
P =⨯250=1008.3kn f n f T 0.643⨯1
（2） 额定静载荷的计算
对低速旋转或缓慢摆动的轴承，应分别计算额定动载荷和额定静载荷，取其中较大者选择轴承。额定静载荷计算公式如下：
C 0=S 0P 0
式中 C 0：基本额定静载荷计算值，N ； P 0：当量静载荷，N ； S 0：安全系数；
C 0r ：轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定静载荷，N ； C 0a ：轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定静载荷，N 。
计算得额定静载荷C 0=1473.5kn。
查表可知型号为22244的轴承基本额定动载荷C r =1170kn，基本额定动载荷
C 0r =2220kn ，能够满足要求。因为1号张力辊所受的力最大，所以以此所计算
选择的轴承可以满足其它三个辊子的要求。
查表可得22244型调心滚子轴承的技术参数如表3.5所示： 表3.5 轴承技术参数
4、张力辊的强度校核
在张力辊的设计过程中，很多工程师只考虑了如何合理选择电机、减速机和辊子直径几个重要参数，往往会忽略张力辊本体的受力分析，结构设计和各部件的强度校核。这样势必会造成两方面的问题：一方面很多工程师为确保安全，各部件均设计得较笨重，不但会造成材料的浪费且辊子的转动惯量较大，不利于薄带的生产；另一方面，若局部设计强度不够，会造成“断辊”而影响生产，给企业带来不少经济损失。 因此，对辊子本体的结构进行受力分析和对各部件进行强度校核很有必要。
四个张力辊的结构与几何尺寸都相同，1号张力辊所受的力与扭矩最大，所以只需要对1号张力辊进行校核即可。 4.1、张力辊的传动原理及受力分析
因张力辊为传递并缩放张力的设备，钢带以一定的包角缠绕在每只辊子上，从钢带接触辊子到离开辊子这一段，钢带张力逐渐增加或减小。在此设计中张力辊为电动状态，所以我们处以张力减小进行计算，即T 入>T 1>T 2>T 3>T 出，图4.1为张力辊力传递示意图：
图4.1 张力辊力传递示意图 带钢各段的受力如表4.1所示： 表4.1 张力辊各段受力
其中1号张力辊的受力最大，综合考虑1号张力辊的受力，其受力分析如图4.2所示：
1860
90
M
F A
图4.2 张力辊简化受力图 4.2、张力辊的扭矩及弯矩分析 4.2.1、扭矩的确定
电动机传递给张力辊的扭矩计算公式：
F B
M =(T 入-T 1)
代入数值计算得：
D
2
M =(T 入-T 1)
D
2
=(93-68)
1.3
=16.25kn . m 2
其扭矩图如图4.3所示：
q
(A)
(B)
M
图4.3 张力辊的扭矩图 4.2.2、张力辊的剪切力及弯矩计算
张力辊的受力分析及剪力和弯矩图如图4.4所示：
我们知道，带钢是均匀缠绕到辊身上的，所以该载荷为均布载荷，压辊对张力辊的压力也是均匀，我们也可将张力辊自身重力看做均匀载荷，将三者矢量相加可得均布载荷的集度为q=268.35kn/m。
由前面的设计计算我们知道AC=DB=370mm，CD=1860mm，AB=2600mm；而且有
F A =F B =250kn。
这种梁，应分为AC 、CD 和DB 三段分别列出剪力方程和弯矩方程，以支座A 为原点，上述三段内的剪力方程和弯矩方程分别为：
在AC 段内：
Q （x ）=F A
M（x ）=F A .x 在CD 段内：
Q （x ）=F A -q （x-0.37）
M（x ）=F A .x-q （x-0.37）2/2 在DB 段内：
Q（x ）=-F B
M（x ）=F B . （2.6-x ）
将数据代入式中，求得张力辊辊身与辊径交界处M=F A ⨯0.25=62.5kn.m。 在张力辊中心的左侧F A 引起的弯矩为正，且数值为F A ⨯1.3=325kn.m；中间截面左边的均布载荷引起的弯矩为为负，且数值为：
2
q ⨯(1.3-0.37) /2=116.05kn.m。
将数据代入式中，求得中点截面上的弯矩：
M =F A ⨯1.3-q ⨯(1.3-0.37) 2/2=208.95kn . m
q
(A)
(B)
Q
M
（C ）
图4.4 张力辊的剪力和弯矩图 4.3、 张力辊部件的校核
4.3.1、许用应力和许用安全系数的选择
首先我们应区分该材料为塑性还是脆性材料，延伸率≥5%的为塑性材料，延伸率＜5%的为脆性材料。塑性材料的许用应力【σ】=σs /S；当为脆性材料时，用【σ】=σb/S 。张力辊辊颈材料为25号钢，辊身材料为45号钢，25号钢和45号钢均为塑性材料，
式中： S：安全系数，一般设计对塑性材料取 1.5～2.0；对脆性材料取 2.5～
3.0。
σs ：屈服强度，25号的屈服强度σs 为275MPa ，45号钢的屈服强度
σs 为355MPa 。
σb ：抗拉强度，25号的抗拉强度σb 不低于450MPa ；45号钢的抗拉
强度值为σb 不低于600MPa 。
所以，一般通用情况下，25号钢的许用拉应力【σ】=137～183MPa ；45号钢的许用拉应力【σ】=178～240MPa 。 4.3.2、张力辊的校核 （1）抗扭强度的校核
τmax = Mn max /Wn≤【τ】
式中： Wn：抗扭截面模量，其中Wn=πD /16
上式为零件只承受纯扭矩的校核；零件只承受弯曲应力时，可按表4.2的计算公式核算圆形截面的最大弯曲剪应力。
表4.2 典型截面的最大弯曲剪应力
因辊颈处为扭转和弯曲的组合变形，所以不必单独进行核算。
（2）扭弯组合变形
按第四强度理论，得到扭弯组合变形的强度条件为：
/W≤【σ】
式中：W 为抗弯截面模量：当为圆截面时：W=π. D 3/32。当为圆环截面时：W=π. D 3(1-α4) /32，其中α=
d
，d 为小径，D 为大径。 D
按第三强度理论，得到扭弯组合变形的强度条件为：
σ】 ；
4
由上已知，在张力辊辊身与辊径交界处上：【σ】=137～183MPa, 扭矩
M n =16.25kn.m，弯矩M=62.5kn.m ，D=240mm 。
按第三强度力辊计算，代入数值则有：
≈47.6MPa
在张力辊辊身中点截面处：【σ】=178～240MPa, 扭矩M n =16.25kn.m，弯矩
M=208.95kn.m，大径D=1300mm，小径d=1230mm。 按第三强度力辊计算，代入数值则有：
≈5MPa
满足要求。 4.4、张力辊有限元分析及强度校核 4.4.1、有限元分析简介
有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。
在解偏微分方程的过程中, 主要的难点是如何构造一个方程来逼近原本研究的方程, 并且该过程还需要保持数值稳定性. 目前有许多处理的方法， 他们各
有利弊. 当区域改变时(就像一个边界可变的固体), 当需要的精确度在整个区域上变化, 或者当解缺少光滑性时, 有限元方法是在复杂区域(像汽车和输油管道) 上解偏微分方程的一个很好的选择. 例如, 在正面碰撞仿真时, 有可能在" 重要" 区域(例如汽车的前部) 增加预先设定的精确度并在车辆的末尾减少精度(
如此可以减少仿真所需消耗); 另一个例子是模拟地球的气候模式, 预先设定陆地部分的精确度高于广阔海洋部分的精确度是非常重要的. 4.4.2、张力辊的有限元分析
（1）、张力辊有限元模型的建立
首先对张力辊建立物理模型, 在遵循保证计算精度同时考虑计算耗费原
则的基础上对模型作出如下简化: 将焊缝与母材作为整体, 忽略部分倒角及圆角, 坐标原点取在轴颈端面的中心上, X 轴沿轴中心线方向, Y 轴沿铅垂方向, Z 轴沿水平径向。对模型划分网格的工作包括选择单元类型、定义材料属性、网格划分设置、划分网格等内容，得到网格模型如图4.5所示：
图4.5 张力辊网格模型 （2）、施加载荷和边界约束
①、边界条件
将张力辊简化为简支梁, 结合简支梁受力、变形情况, 在左端轴承轴对称面上的节点施加径向和轴向约束, 在右端轴承轴对称面上的节点施加径向约束。 ②、施加载荷
带钢对于张力辊的压力是均匀的，计算求得张力辊带钢处面压p=0.08MPa，压辊对于张力辊的压力是为均布线载荷，并考虑张力辊自重及扭矩，施加约束与载荷效果图见图4.6。
图4.6 约束与负载图 ③、整理分析计算结果
载荷施加完成后，即可进行有限元的求解。有限元分析完成之后进入通用后处理器，提取并评价和分析结果。
（a ）、绘制结构变形图。通过绘制结构变形图，可以直接找出辊子变形最大的地方，结构变形图如图4.7所示。
（b ）、绘制位移矢量图。通过位移矢量图可以直接看到模型上各店在载荷作用下发生位移的大小。位移矢量图如图4.8所示。
图 4.7 张力辊结构变形图
图4.8 位移矢量图
4.4.3、张力辊强度校核
张力辊安全系数图如图4.9所示：
张力辊轴的的材料为25钢，屈服强度为450MPa ，由应力图可知张力辊最大应力发生在轴承处，最大应力σmax 为270MPa ，安全系数为：
n =
满足要求。
σs
=1.67 σmax
摘 要
钢铁工业是国民经济的基础产业，在我国经济的发展中一直处在主要地位，
我国钢铁工业的发展长期以来都得到国家的重视，我国钢铁工业发展迅速，形成了完整的成熟的工业体系。
板带材是钢铁产业中的一类重要产品，早已成为国家基建和人民生活中常用
的重要物资。伴随着中国工业化和经济建设的进一步深入，对板带材等钢铁产品的需求也愈加强劲。
随着科学技术的发展，板带材生产目前大部分采用连续化成卷生产。在带钢
生产过程中，张力辊(Tension Roll) 作为重要组成部分，在板带材生产线上的作用至关重要。该设备在连续退火机组中使用非常广泛。
张力辊装置就是用于在连续带材生产线上实现张力调节的一种设备。采用张
力辊装置来实现张力调节是一项新技术 。其原理为： 带钢包绕在张力辊上，在其包绕接触处(即包角处) 产生摩擦力，以此使出口张力与入口张力按某种规律变化，借此改变张力值，对机组实现张力控制。
在查阅了大量相关资料和对连退机组及其张力辊相关设备进行了系统的了
解下，本文中以机械动力学、机械原理、机械设计和材料力学等知识作为理论基础，从经济、可靠、实用的角度出发，对张力辊和压辊的结构、传动系统以及压下装置进行了细致的设计，并对各部分的重点零部件进行了强度校核。
关键词： 张力辊； 钢铁； 板带材
Abstract
Iron and steel industry is a foundation industry of economy, it acts
as a very important role during the development of our country. By the lasting support and guidance of the government, our iron and steel industry develops quickly, a mature industry system has been built up.
Board strips is an important class of product in steel industry and
had become a common material in the national’s infrastructure and the People's Daily life. Along with the futher development of industrialization and economy construction in China, our country has a strong demand of iron and steel, such as Board strips.
With the development of science and technology, now most of the
production of board strips use the method of continuously volume production. In the production process, the Tension roller as an important part in the production process of strip, act as an important role in the board strips production line. And the equipment has come to widespread used in the continuous annealing unit is very extensive.
Tension roller device is used in cont as a kind of equipment to realize
tension adjustment. And adopt tension roller to realize tension adjust is a new technology. The principle is: Strip bag around tension roller, and at the contact point (namely Angle place) produces friction, so as to make the export tension and entry tension change according to some law ,and the the tension value will change. Then realized the tension control of the whole unit.
In a lot of relevant information and access to Continuous Annealing
Line and it’s tension roller related equipment, This paper take the knowledge of mechanical dynamics, mechanical principle, mechanical design and material mechanics as it ’s oretical basis, from the economical,
reliable and practical point of view, From the angle of economic, reliable and practical. Take a meticulous design to structure of the tension roller and pressure roller, transmission system and pressing device. And take the key elements of all part into stress test.
Key words: Tension Roll； Steel； Steel and Strip
目 录
1 绪论.................................................. 错误！未定义书签。
1.1 我国钢铁生产的现状 ............................................... 6
1.2 连续退火技术的工艺及发展 ......................................... 6
1.3 板带材的特点 ..................................................... 7
1.3.1 板带产品的外形、使用特点.................................... 7
1.3.2 板带产品分类及技术要求...................................... 8
1.3.3 板带产品的生产特点......................................... 10
1.3.4 张力辊在板带材生产中的作用................................. 10 2 张力辊的设计和研究.................................... 错误！未定义书签。
2.1 设计参数 ........................................ 错误！未定义书签。
2.2 张力辊几何参数的设计计算 ........................ 错误！未定义书签。
2.2.1 张力辊直径的选择........................... 错误！未定义书签。
2.2.2 张力放大系数的确定......................... 错误！未定义书签。
2.3 张力辊的结构设计 ................................ 错误！未定义书签。
2.3.1 上辊的几何参数及材质选用................... 错误！未定义书签。
2.3.2 上辊的结构设计............................. 错误！未定义书签。
2.4 压辊的设计计算 . .................................. 错误！未定义书签。
2.4.1 压辊几何参数的设计计算
2.4.2 压辊压力的计算
3 张力辊传动系统的设计.................................. 错误！未定义书签。
3.1 张力辊整体结构设计 .............................. 错误！未定义书签。
3.1.1 定性选电机................................. 错误！未定义书签。
3.2 电机的选择 . ...................................... 错误！未定义书签。
3.2.1 张力辊电机功率的确定........................ 错误！未定义书签。
3.2.2张力辊电动机的选型
3.3 减速器的选择 .................................... 错误！未定义书签。
3.4 联轴器的选择 .................................... 错误！未定义书签。
3.4.1 联轴器的分类............................... 错误！未定义书签。
3.4.2 联轴器的选择............................... 错误！未定义书签。
3.5 轴承的选择 ...................................... 错误！未定义书签。
3.5.1 张力辊受力分析............................. 错误！未定义书签。
3.5.2 张力辊轴承的选择........................... 错误！未定义书签。 4 张力辊的强度校核...................................... 错误！未定义书签。
4.1 张力辊的传动原理及受力分析 ...................... 错误！未定义书签。
4.2 张力辊的扭矩及弯矩分析 .......................... 错误！未定义书签。
4.2.1 扭矩的确定 . ................................ 错误！未定义书签。
4.2.2张力辊的剪切力及弯矩计算 .................... 错误！未定义书签。
4.3 张力辊的校核 .................................... 错误！未定义书签。
4.3.1 许用应力和许用安全系数的选择............... 错误！未定义书签。
4.3.2 张力辊校核................................. 错误！未定义书签。
4.4 张力辊有限元分析 ................................ 错误！未定义书签。
4.4.1有限元简介.................................. 错误！未定义书签。
4.4.2张力辊有限元分析............................ 错误！未定义书签。
4.4.3张力辊强度校核 .............................. 错误！未定义书签。 结束语................................................... 错误！未定义书签。 参考文献................................................. 错误！未定义书签。 致谢..................................................... 错误！未定义书签。
1、绪论
1.1、前言
各种带钢连续处理机组（如连续酸洗、退火、各种镀涂层、精整等机组），对带钢的张力都有严格的要求，同时合适的带钢张力也是保证带钢高速同时合适的带钢张力也是保证带钢高速、稳定运行的基本条件, 因此, 本文着重研究保障张力关键设备 —— 张力辊。
近几年, 尽管国内钢铁得到了迅猛的发展, 但国内高速的、运行平稳的机 组绝 大部分是引进的, 而完全国产的这类机组的速度较低, 生产带钢品质也低, 有些机组无法稳定运行、甚至影响带钢的板形等等, 这种状态的形成与国内目前缺少对张力辊等这类设备的理论和实践研 究不无关系。因此, 针对张力辊的研究尤为必要。在设计张力辊时，首先根据被处理的材料（材质、厚度和宽度等），带钢的表面要求、张力要求、运行速度等，确定张力辊的型式，张力辊的辊径，驱动张力辊的电机功率及压辊的设置，然后是传动系统的确定，选择电机、减速器、联轴器、轴承和键。
1.2 、我国钢铁生产的现状
目前，我国已成为世界第一产钢大国，热轧带钢品种在我国钢铁工业中占有极其重要的地位，国内各大钢铁公司为了尽快占领板带材市场，纷纷花巨资新建或改造薄板连轧厂，不断扩大品种范围及产量。但总体而言，我国热轧薄板生产、设计水平与世界先进水平相比仍有一定差距，我们需要不断了解、掌握热轧薄板生产的新技术、新工艺，提升热轧板带产品质量。
板带材是钢铁材料中的重要产品，在国民经济中的应用十分广泛。热扎板带材的退火是板带材生产中十分重要的辅助环节，目前世界上比较先进的退火工艺就是连续退火技术, 它不但比以往的罩式退火技术提高了速度, 退火质量还更加好。在连续退火机组中张力辊必须提供足够的张力，以保证后续工序的顺利进行，以得到生产所需要的板带质量。
1.3 、连续退火技术的工艺及发展
带钢在直通式炉内连续运行过程中完成的退火工艺称为连续退火。连续退火是相对罩式退火而言的，连续退火为带钢连续通过退火炉，退火炉无封口，带钢不经过停留而直接进行卷取的生产方式。在大生产应用中，连续退火应用广泛，
连续退火使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒，同时消除加工硬化和残留内应力，钢的组织和性能恢复到冷变形前状态的热处理工艺。带钢的连续退火研究开始于20世纪30年代。50一60年代连续热处理工艺在镀锡原板的生产中得到广泛运用。随 后，日本采用高温轧制、高温卷取工序同退火时过时效处理工序合并的方法，生产深冲用冷轧钢板获得成功。1971年 和1972年日本先后建成了两条连续退火生产线。到了 80年代连续退火得到了广泛应用。
连续退火机组的工艺流程为：开卷、焊接→清洗→活套→连续退火→平整、拉矫→卷取。
连续退火炉按作业方式分立式(塔式) 与卧式两 种。塔式退火炉用于每月必须退火1万t 以上的带钢 时才是经济的。产量低时，用卧式连续退火炉较经济， 因为这种炉子投资低、热量消耗较少。
目前，在生产中运行的有4种工艺:
(1)新日铁公司的NSC 一CAPL 方法;
(2)日本钢管公司的NKK- CAL方法;
(3)川崎公司的KM 一CAL 方法;
(4)比利时公司的NOWAQ 方法。
它们的不同点在于加热后的 冷却方法不同，有水冷、气冷、辊冷、水一气复合冷却、 辊一气复合冷却、浸冷、喷冷等。各种冷却方法用来控制冷却速度，以得到所需组织结构的冷却带钢。4种方法原则上有两种不同的退火周期。一种是加热到退火温度后保温，冷却到过时效温度时再保温，随后冷却到室温。另一种是加热到退火温度后保温，冷却到室温， 再重新加热到过时效温度，在此温度上保温，最后冷却 到室温。对双相钢，无需加热到过时效温度。用上述两 种不同退火周期，可生产CQ(商用质量) 、1洲二(冲压质量) 、Dl 双(深冲质量) 、HS(高强度钢) 和双相钢。 连续退火因周期短、产品质量均匀、设备投资节省、占地面积少等优点而获得广泛发展。日本1982年建造的带钢生产线，将酸洗、冷轧、电解脱脂、退火、 精整等工序合并成一条连续生产线，成为工艺更先进 的全连续冷轧带钢机组。
1.4、板带材的特点
1.4.1、板带产品的外形、使用特点
1）外形特点：板带产品外形扁平, 宽厚比大，单位体积的表面积很大
2）使用上的特点:
a) 表面积大，故包容覆盖能力强，在化工、容器、建筑、金属制品、金属结构等方面都得到广泛应用
b) 可任意剪裁、弯曲、冲压、焊接、制成各种制品构件，使用灵活方便，在汽车、航空、造船及拖拉机制造等部门占有极其重要的地位
c) 可弯曲、焊接成各类复杂断面的型钢、钢管、大型工字钢等结构件，故称为“万能钢材”。
1.4.2、板带产品分类及技术要求
一般将单张供应的板材和成卷供应的带材总称为板带
1.4.2.1、板带材产品分类
一般分类：
1) 按材料种类：钢板钢带、铜板铜带和铝板铝带等
2) 按产品尺寸规格：一般可分为厚板（包括中板和特厚板) 、薄板和极薄带材（箔材) 三类。
我国分类：
1）中厚板：厚度在4.0mm 以上 (其中4～20mm 者为中板，20～60mm 者为厚板，60mm 以上者为特厚板, 特厚板可厚至500mm 以上，最宽可达5000mm)
2）薄板：4.0～0.2mm
3）极薄带钢（箔材）：0.2mm 以下, 目前箔材最薄可达0.001mm.
1.4.2.2、板带产品技术要求
对板带材的技术要求具体体现为产品的标准
板带材的产品标准包括：
品种(规格）标准、技术条件、试验标准及交货标准等
根据板带材用途的不同，对其提出的技术要求也各不一样，基于其相似的外形特点和使用条件，其技术要求归纳起来：“尺寸精确板型好，表面光洁性能高”。
（1）尺寸精度要求高
①尺寸精度主要是厚度精度, 因为它不仅影响到使用性能及连续自动冲压后步工序，而且在生产中难度最大
②厚度偏差对节约金属影响很大。板带钢由于B/H很大，厚度一般很小，厚度的微小变化势必引起其使用性能和金属消耗的巨大波动。
③故在板带钢生产中一般都应力争高精度轧制, 力争按负公差轧制（在负偏差范围内轧制，实质上就是对轧制精确度的要求提高了一倍，这样自然要节约大量金属，并且还能使金属结构的重量减轻 ）
（2）板型要好
①板型要平坦，无浪形瓢曲：对普通中厚板，其每米长度上的瓢曲度不得大于l5mm ，优质板不大于10mm ，对普通薄板原则上不大于20mm 。
②板带钢既宽且薄，对不均匀变形的敏感性特别大，所以要保持良好的板型很不易。
③板带愈薄，其不均匀变形的敏感性越大，保持良好板型的困难也就愈大。板型的不良来源于变形的不均，而变形的不均又往往导致厚度的不均，因此板型的好坏往往与厚度精确度也有着直接的关系
（3）表面质量要好
①板带钢是单位体积的表面积最大的一种钢材，又多用作外围构件，故必须保证表面的质量
无论是厚板或薄板表面皆不得有气泡、结疤、拉裂、刮伤、折叠、裂缝、夹杂和压入氧化铁皮，这些缺陷不仅损害板制件的外观，而且往往败坏性能或成为产生破裂和锈蚀的策源地，成为应力集中的薄弱环节
②例如：硅钢片表面的氧化铁皮和表面的光洁度就直接败坏磁性，深冲钢板表面的氧化铁皮会使冲压件表面粗糙甚至开裂，并使冲压工具迅速磨损，至于对不锈钢板等特殊用途的板带，还可提出特殊的技术要求
（4）性能要好
①主要包括机械性能、工艺性能和某些钢板的特殊物理或化学性能
②一般结构钢板：具备较好的工艺性能，例如，冷弯和焊接性能等，而对机械性能的要求不很严格
③甲类钢钢板：要保证性能，有一定的强度和塑性
④重要用途的结构钢板：要求有较好的综合性能，除要有良好的工艺性能，甚至除了一定的强度和塑性以外，还要求保证一定的化学成分，保证良好的焊接性能、常温或低温的冲击韧性，或一定的冲压性能、一定的晶粒组织及各向组织的均匀性等等
⑤特殊用途的钢板：如高温合金板、不锈钢板、硅钢片、复合板等，它们或要求特殊的高温性能、低温性能、耐酸耐碱耐腐蚀性能，或要求一定的物理性能如磁性) 等
1.4.3、板带产品的生产特点
（1）板带材是用平辊轧出，故改变产品规格较简单容易，调整操作方便，易于实现全面计算机控制的自动化生产
（2) 带钢的形状简单，可成卷生产，且在国民经济中用量最大，故必须而且能够实现高速度的连轧生产
（3）由于宽厚比和表面积都很大，故生产中轧制压力很大，可达数百万至数千万牛顿，不仅使轧机设备复杂庞大，而且使产品厚、宽尺寸精度和板形控制技术及表面质量控制技术变得十分困难和复杂。
1.4.4、张力辊在板带材生产中的作用
张力辊作为必不可少的设备, 在整条生产线上起着为全线提供张力的作用。连续生产线的带钢必须在张力之下运行，张力的最基本作用是保证带钢的正常运行，使带钢尽可能沿着生产线的中心线运行而不致因走偏而造成边部刮伤甚至断带。
机组各段张力值的建立，是依靠在机组适当位置设置的夹送辊和张力辊实现的。带钢包绕在张力辊上，在其包绕接触处（包角处）产生摩擦力，正是这个摩擦力，使出口张力与入口张力按某种规律变化，借此改变张力值，对整条机组实现张力控制，因此张力辊是后处理机组连续运行的重要设备组成单元［1］。如何正确地获得精确的张力值及张力变化规律，更好地控制张力，使整个机组的张力得到合理的匹配，对提高产品质量，降低机组的能耗有着重要的意义，因此张力辊的设计对机组的正常连续运行显得尤为重要。
2、张力辊的设计计算
2.1、设计参数
带钢厚度：入口 0.45～2.3mm 出口 0.45～2.3mm ；
带钢宽度：入口 900～1860mm 出口 900～1860mm ；
单位钢卷重量（kg/mm）：入口 最大 24 kg/mm，平均 18 kg/mm； 出口 最大 24 kg/mm，平均 18 kg/mm； 原料强度：屈服极限 最大 1200Mpa ， 最小 345Mpa；
弹性模量 206Gpa；
带钢单位张力（N /mm 2）：带钢入口单位张力为83N /mm 2；
出口单位张力为24.06N /mm 2；
带钢运行速度：601m/min；
2.2、张力辊几何参数设计计算
2.2.1、张力辊直径的选择
张力辊直径的选择应以带钢的最外(或最里) 表面没有达到屈服极限为条件, 这样带钢只产生弹性变形, 可以防止带钢产生塑性变形(弯曲或伸长) 。显然张力辊辊径越小, 产生变形就越大, 要保证其变形在弹性范围之内, 张力辊的辊径不能太小, 必须有一定的限制。
计算原则: 带钢缠绕在张力辊上不产生塑性弯曲变形，即按厚带材绕过张力辊的弯矩小于或等于带材的弹性极限弯矩计算辊径。
计算公式如下： D = h max *E
σs
其中： D ： 张力辊的辊径 ，单位 mm；
h ： 钢板的厚度 ，单位 mm；
E : 带钢的弹性模量 ，单位 MPa；
σs ：带钢的屈服强度 ，单位 MPa。
已知带钢的最大厚度为2.3mm ，带钢的弹性模量为206GPa ，带钢的屈服强度为345MPa ，代入上式得张力辊辊径为：
D=h max *E
σs =206000Mpa *2.3mm =1373.33mm 345Mpa
张力辊辊径的大小取决于被处理带材的材质和最大厚度，辊径并非越大越好，应结合实际生产经验，确定合理的张力辊辊径。
根据实际生产经验，最终确定张力辊辊径D=1300mm。
张力辊辊身的长度依据带钢的宽度选取，通常是带钢的带宽加200~300mm，带钢的宽度为900~1860mm，则取张力辊辊身L=2100mm。
2.2.2、张力放大系数λ的确定
张力辊的工作原理是带钢包绕在张力辊上，在其包绕接触处(即包角处) 产生摩擦力，以此使出口张力与入口张力按某种规律变化，借此改变张力值，对机组实现张力控制。张力放大系数λ就反映了张力变化规律。
在辊面材质和被处理材质一定的前提下，即摩擦系数一定的前提下，包角的大小决定了张力辊的张力放大系数λ的大小。所以，在设计辊子的布置型式时，要考虑辊子的数量及总包角。
张力辊处在“电动状态”下工作时，张力辊为主动，即驱动的张力辊带动带钢运动，如图2.1所示，入口张力T 入大于出口张力T 出。
图2.1 “电动状态”张力辊示意图
张力放大系数计算公式： λ=eμα=T 入
T 出
其中： T 入：张力辊的入口张力，单位 kn；
T 出：张力辊的出口张力，单位 kn；
μ：包角处带钢与张力辊之间的摩擦系数；
α：带钢在张力辊上的包角。
λ：张力辊传动带钢，保证带钢不打滑可能产生的张力放大倍数。
这是可能产生的放大倍数，张力辊实际放大能力取决于传动功
率，但是传动能力超过此范围也没有意义。
选取0.6⨯1860的带钢计算，可求得入口和出口张力分别为：
T 入=83⨯（0.6⨯1860）≈93kn
T 出=24.06⨯（0.6⨯1860）≈27kn
已知张力辊出口张力为93kn ，入口张力为27kn ，采用钢辊接触，摩擦系数取0.074, 。代入公式得： λ=eμα=T 入
T 出=93=3.44 27
由此可知，所需的张力辊总包角α：
α=ln 3.44
μ=ln 3.44≈16.69 弧度 0.074
将弧度转化为角度后，可知所需的张力辊总包角α=956。
张力辊的型式一般有二辊式、三辊式、四辊式等。结合本机组所需的张力辊总包角，以及本机组设计中带材入口与出口的位置，确定张力辊的型式为四辊式。辊子布置如图2.2所示：
图2.2 辊子布置图
图中，α1=α2=α3=α4≈240。
2.3、张力辊的结构设计
张力辊辊身为2100mm ，直径为1300mm ，考虑到张力辊直径较大，为减轻重量同时节省材料，采用如图2.2所示的空心辊结构。
图2.2 张力辊结构图
（1）、A 必须为锻件。常用钢管的加工方法有锻造、离心铸造、焊接、和无缝钢管等。其中： ①、锻造：利用锻锤的往复冲击力或压力机的压力使坯料改变成我们所需
的形状和尺寸的一种压力加工方法。一般分为自由锻和模锻，
常用作生产大型材、开坯等截面尺钢材寸较大的材料。整体锻
造成型质量好、机械性能最佳，但成本较高，一般适用于特殊
辊坯制造，如需要表面硬化淬火处理，或采用卷板很难成型的
情况下。
②、离心铸造：离心铸造是将液态金属浇入旋转的铸型里，在离心力作用下充型并
凝固成铸件的铸造方法，离心铸造的特点是金属液在离心力作用下充型
和凝固，金属补缩效果好，铸件组织致密，机械性能好；铸造空心铸件
不需浇冒口，金属利用率可大大提高。因此对某些特定形状的铸件来说，
离心铸造是一种节省材料、节省能耗、高效益的工艺，但须特别注意采
取有效的安全措施施。一般用于特殊材料，如不锈钢、耐热钢等热加工
抗力较大材料，或没有相应牌号的板材。但制造成本高，而且需要专门
的模具，冶金行业炉辊多采用此方法制造。
③、焊接：焊接钢管是由卷成管形的钢板以对缝或螺旋缝焊接而成。是最
经济、应用最广泛的成型方法。但对于小直径（
厚（>50m）的套筒有一定局限性，另外由于存在一条贯穿筒身
的纵向焊缝，因此对于焊接质量要求较高。
④无缝钢管：大口径厚壁无缝钢管很少生产，而且规格有限，一般小辊子
多借用不同规格的无缝钢管。国内也有进行扩管生产，但批量
小、规格少、质量部稳定，成本也接近锻造。
张力辊需要直径为1300mm 的钢管强度要求较高，为满足张力辊的尺寸及强度要求，选用锻造的方式加工钢管。
（2）、对B 、C 进行正火处理，以细化金属组织晶粒，消除在锻、轧后的组织缺陷，改善钢的机械性能（强度、韧性和塑性）。
（3）、采用低氢焊条，在预热温度大于100C 时，焊接B 与E ，C 与D 。较其它类型的酸性焊条，低氢焊条有很多优点，如有良好的机械性能(特别是焊缝金属的塑性、韧性及抗时效性能) 和抗裂性能。焊接后，对B 和E 、C 和D 进行退火处理，以消除内应力，并进行磁粉探伤。
（4）、对辊面进行表面喷丸处理，然后进行毛化镀铬，硬度层t 为
0.1±0.03mm ，表面粗糙度R a 为4.04.5μm 。
①、表面喷丸处理：喷丸处理也称喷丸强化，是减少零件疲劳强度，提
高寿命的有效方法之一，喷丸处理就是将高速弹丸流喷射到弹簧表
面，使弹簧表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层，强化层
内形成较高的残余应力，由于弹簧表面压应力的存在，当弹簧承受
载荷时可以抵消一部分抗应力，从而提高弹簧的疲劳强度。
②、毛化镀铬：在各类机组中，诸如张力辊、活套辊、转向辊、纠偏辊
等，原本普遍采用包胶辊、无纺布辊或普通光面镀铬辊。包胶辊、
无纺布辊虽然摩擦系数大，辊面有一定弹性，但表面耐磨性差，使
用寿命短，已不能满足现在高速连续生产线的需要，在大多数场合，
正逐渐被毛化镀铬辊所取代。普通光辊镀铬虽然耐磨性没有问题，
但摩擦系数小，易造成带钢表面擦伤、划伤，也不能满足生产需要。
毛化镀铬辊首先对钢基表面进行研磨、抛光，基本达到或接近镜面
水平，然后按照使用要求不同进行毛化处理，而后电镀硬铬，最终
获得是在光滑表面下，存在一定数量、深度，是人为处理有一定范
围要求的微坑，最终形成特殊的表面毛化镀铬状态。
表面经过毛化处理后，不但大大增加了辊面的摩擦系数，辊面
与带钢贴合更紧密（毛化尖点增加接触压强），更重要的是带钢在
运行过程中，由于微坑存储气体的作用，使得带钢与辊面之间形成
一层保护气膜（其原理类似于油膜轴承），避免了辊面对钢带的擦
伤、划伤，因此，带钢表面质量要求较高，越应采用毛化镀铬辊。
.2.4、压辊的设计计算
2.4.1、压辊几何参数的计算
在精整机组中，一般张力辊都加有压辊，借此可获得初始张力，还可防止带钢在辊子上打滑。打滑会使带钢出现（或加剧）跑偏，影响正常生产。
应指出，带钢在张力辊上出现打滑，与所加压辊压力值有关。不能认为加大压辊压力，可以防止打滑，事实恰恰相反，往往减少压辊压力可以防止打滑。因此，产生另一种想法，为了防止打滑，建议干脆取消压辊。实际表明，这种想珐也是不正确的。那么压辊压力应为何值时，才可防止带钢出现打滑呢？下面讨论”电动状态”下张力辊的受力分析，如图2.3所示。
图2.3 带压辊的张力辊的受力分析
压辊通过液压缸提供的液压力，使其紧紧将板带材压在张力辊上。一般辊身尺寸根据带钢的宽度b 选取，通常是带宽加（200～300）mm ，两边再留出安装轴承和轴承座的尺寸a ，便得到压辊两轴颈之间的长度l 。初步设计时作简化处理，认为压辊的直径在整个轴线上受到张力辊的反作用力是相等的。压辊的受力图
2.4所示。
压辊在中点处挠度最大，采用叠加法求解压辊的变形较为方便。由材料力学变形公式可得，跨度中点处由载荷
dF qdx
图2.4 压辊受力简图
引起的挠度为： dw c =-dF *x 2qx (3l -4x 2) =-(3l 2-4x 2) dx 48EI 48EI
整个均布载荷使跨度中点处产生的挠度应为dw c 的积分，即： w c =-
将 q 48EI 32224⎡324⎤ l a +b -a +b -l a +b ()()⎢⎥2⎣2⎦
I =
代入上式，有： π(2R 2)644, w c ≤[w c ]
⎧⎫32224⎪4q ⎡324⎤⎪D 2≥⎨l (a +b )-(a +b )-l a +a ⎥⎬ ⎢3E πw 22c ⎣⎦⎪⎪⎩⎭14
则
D 2≥200mm
则选取
D 2=219mm
2.4.2、压辊压力的计算
由于带钢与辊子间的摩擦力是由压辊对带钢的压下力使得带钢与张力辊间产生挤压导致的，而带钢的入口张力就是由带钢与辊子间的摩擦力提供的。因此压下力可由摩擦力公式计算得到。
即：
P 入μ=T 入=f
在实际工作中取μ=0.18得:
P 入=516.67kn
同理可得：P 出=150kn。
3、张力辊传动系统的设计
3.1、张力辊的整体结构设计
张力辊整体结构包括电动机（4个），减速器（4个），联轴器（8个），轴承（12个），张力辊（4个），压辊（2个），液压缸（4个）和机架。张力辊整体结构如图3.1所示。
图3.1 张力辊整体结构图
（1）、张力辊：张力辊为此结构的主要工作部件，工作时，带钢包绕在张力辊上，在其包绕接触处（即包角处）产生摩擦力，正是这个摩擦力使出口张力与入口张力按某种规律变化，借此改变张力值，实现张力控制。
（2）、压辊：张力辊的压辊作用就是增加摩擦力的，保证带钢和张力辊不打
滑。在实际应用中，压辊的作用并不是让张力辊能传递更大的张力，而是用于穿带，或用来防止带钢在换卷时打滑，这是因为再换钢卷时，张力辊一侧的带钢张力变为零，压辊用于产生初压力。
（3）、电动机：电动机是把电能转换成机械能的设备，它是利用通电线圈在磁场中受力转动的现象制成，分布于各个用户处，电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。在此张力辊设计中电动机采用单独转动，即每个张力辊配一个电动机。
（4）、减速器：减速器在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，它是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作的需要，选用减速器时应根据工作机的选用条件，技术参数，动力机的性能，经济性等因素，比较不同类型、品种减速器的外廓尺寸，传动效率，承载能力，质量，价格等，选择最适合的减速器。
（5）、联轴器： 联轴器是用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。
（6）、轴承：轴承是在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的部件。也可以说，当其它机件在轴上彼此产生相对运动时，用来降低动力传递过程中的摩擦系数和保持轴中心位置固定的机件。轴承是当代机械设备中一种举足轻重的零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，用以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数。按运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两类。
3.2、电动机的选择
3.2.1、张力辊电机功率的确定
张力辊组的传动方案有以下几种：
电机单独传动，及每个张力辊各由一个电机单独传动。这种传动方式的机、械设备较为简单；从电控角度讲，可单独控制每根张力辊，从而实现张力辊组的速差控制和张力控制两种控制方式。
带差动机构的集中传动，即采用机械差动机构将前后张力辊闭环联接。这种
集中传动方式，辊组间的转速差由差动机构补偿。它的优点是在机组启动或制动的情况下均能保持转速差的恒定；缺点是由于在每个辊组内部各个辊子之间是采用多数传动齿轮联接的，没有差动补偿装置，所以会产生扭矩分配不均的现象，同时各个辊子位置的布置受传动齿轮系的限制，对各辊子的精度要求较高，机械设备也较复杂。
本设计方案采用的张力辊传动方式是电机单独传动。由于带材在每根张力辊上的包角相等，都为240，所以每根张力辊的张力放大系数e μα：
e μα=e 0.074⨯(240⨯π÷180) =1.36
根据欧拉公式：
T 1=T 入e μα=93≈68kn 1.36
1号张力辊的传动力矩：
M 1=(T 入-T 1) =（93-1号张力辊的转速： D 21.3=16.25knm 2
n 1=V 601==147.23r /min πD 3.14⨯1.3
1号张力辊的电机功率为：
N 1=M 1n 116250⨯147.23==263.71kw 9550η9550⨯0.95
同理可得：2号张力辊的电机功率为N 2=189.87kw
3号张力辊的电机功率为N 3=140.29kw
4号张力辊的电机功率为N 4=102.32kw
3.2.2、张力辊电动机的选型
电动机分交流电动机和直流电动机两种，由于直流电动机需要直流电源，结构较复杂，价格较高，维护比较不便等缺点，因此无特殊要求是不宜采用。
冶金行业生产单位一般为三相交流电源，因此，应选用交流电动机，同时交流电动机又分为异步电动机和同步电动机两类，我国新设计的Y 系列三相笼型
异步电动机属于一般用途的全封闭自扇冷电动机，其具有以下优点：
1、结构简单，工作可靠，价格低廉，维护方便； 2、适用于不易然，不易爆，无腐蚀性气体和无特殊要求的机械上； 3、由于起动性能较好，也适用与某些要求起动转矩较高的机械。 根据计算结果，查电机手册，选择的电机型号与技术参数如表3.1所示： 表3.1 张力辊电机型号与技术参数
3.3、 减速器的选择
ZDY 、ZLY 、ZSY 型外啮合渐开线斜齿圆柱齿轮减速器，适用于冶金、矿山、起重运输、水泥、建筑、化工、纺织、轻工等行业，所以选择该类型硬齿面圆柱齿轮减速器。
硬齿面圆柱齿轮减速器高速轴不大于1500r/min；齿轮传动圆周速度不大于20m/s；工作环境温度为-40到45C ，低于0C 时，启动前润滑油要预热。
传动部分的传动比计算公式为：
i =
n
n 1
其中n 为电动机的额定转速。 则
i =
1500r /min
≈10.19
147.23r /min
减速器的承载能力受机械强度和热平衡许用功率两方面的限制。因此选用减速器必须经过以下两个步骤：
（1）选用减速器的公称输入功率P 1
应满足：
P 2m =P 2K A S A
K A ：工况系数（及使用系数）； S A ：安全系数;
P 1:减速器公称输入功率，kw
1号电机对应的减速器：负载功率P 2为250kw ，查机械设计手册表可选工况系数K A 为1.5，安全系数S A 为1.5，代入公式，可得机械强度计算功率为：
P 2m =P 2K A S A =250kw ⨯1.5⨯1.5=562.5kw
传动比为i=10，工称转速n=1500r/min，查表可得公称输入功率为762kw ，可以选择减速器型号为ZLY 355。
（2）校核热平衡许用功率 应满足：
P 2t =P 2f 1f 2f 3≤P G 1或P G2 式中 P 2t :计算热功率，kw ；
P G 1，P G 2：减速器热功率，无冷却装置为P G 1，有冷却装置为P G 2； f 1：环境温度系数； f 2：载荷功率系数； f 3：公称功率利用系数。
查机械设计手册可选，环境温度系数f 1为1.3，载荷功率系数f 2为1，公称功率利用系数f 3为1.25
P 2t =P 2f 1f 2f 3=250kw ⨯1.3⨯1⨯1.25=406.3kw
查表：ZLY 355，P G 1
P 2t 因此可以选定：ZLY 355-10-Ⅰ减速器，采用油池润滑，盘状水管通过水冷却润滑油。
同理通过计算，查表可以得到2到四号电机对应的减速器如表3.2所示： 表3.2 电机所对应的减速器
3.4、联轴器的选择 3.4.1、联轴器的分类
连轴器是连接两轴或连接轴与回转件的一个部件，在传递运动和动力过程中和轴一同回转不脱开。联轴器除具有连接功能外，也可使之具有安全防护等功能。
按照联轴器的性能可分为刚性联轴器和挠性联轴器。刚性联轴器对所联两轴间的相对位移缺乏补偿能力，但有结构简单，制造容易，不需维护，成本低等特点而仍有其应用范围；挠性联轴器中又分为无弹性元件的挠性联轴器和带弹性元件的挠性联轴器，。前一类只具有补偿两轴间相对位移的能力，后一类因装有弹性元件，不仅可以补偿两轴间的相对位移，而且具有缓冲减振的能力。 3.4.2、联轴器的选择
联轴器的选择主要考虑所需传递轴转速的高低、载荷的大小、被联接两部件的安装精度等、回转的平稳性、价格等，参考各类联轴器的特性，选择一种合用的联轴器类型。具体选择时可考虑以下几点
1. 所联接两个轴的轴径；
2. 传递的转矩大小和性质以及对缓冲减振功能的要求；
3. 联轴器的工作转速高低和引起的离心力大小，对于高速传动轴，应选用平衡精度高的联轴器；
4. 两轴相对位移的大小和方向，当安装调整后，难以保持两轴严格精确对中，
或工作过程中两轴将产生较大的附加相对位移时，应选用挠性联轴器； 5. 联轴器的可靠性和工作环境，通常由金属元件制成的不需润滑的联轴器比较可靠；需要润滑的联轴器，其性能易受润滑完善程度的影响，且可能污染环境。含有橡胶等非金属元件的联轴器对温度、腐蚀性介质及强光等比较敏感，而且容易老化。
6. 轴器的制造、安装、维护和成本。在满足便用性能的前提下，应选用装拆方便、维护简单、成本低的联轴器。例如刚性联轴器不但结构简单，而且装拆方便，可用于低速、刚性大的传动轴。一般的非金属弹性元件联轴器(例如弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器、梅花形弹性联轴器等) ，由于具有良好的综合能力，广泛适用于一般的中、小功率传动。 转矩的计算：
由T =
得到的转矩如表3.3所示：
表3.3 各段转矩
9550P
v
考虑到本设计中各传动轴对中性能比较差，传动转矩较大，而且可能存在冲击载荷，联轴器选用弹性柱销式联轴器。
所选的联轴器型号如表3.4所示：
表3.4 各段联轴器型号
3.5、轴承的选择 3.5.1、张力辊受力分析
对于1号张力辊，可看成带钢张力T 入、T 1，压辊压力P 入和张力辊所受重力G 产生的合力为F 1，对张力辊产生的扭矩为M 1，可以得出合力F 1与张力辊轴承座产生的支持力相平衡，扭矩M 1与电动机扭矩相平衡，根据图3.2求合力F 1
T 入
图3.2 1号张力辊的受力分析
T 1x =T 1⨯sin 30=34kn ，T 1y =T 1⨯cos 30=58.89kn
计算张力的重力时将张力辊辊粗略的视为一个环形筒，如图3.3所示：
图3.3 张力辊简图
1300212302
) -() ) =0.292m 3 张力辊体积V =2100π((22
钢的密度：
ρ钢＝8.7*103kg /m 3
则张力辊的重力为：
G =ρ钢Vg 得：
G =24.9kn
四个力T 入、T 1、P 入和G 在X 、Y 轴产生的合力F 1x 和F 1y 计算如下：
F 1x =T 入+T 1x =93+34=127kn
F 1y =P 入+G -T 1y =516.7+24.9-58.89=482.71kn
根据合力F 1=
F 1=499.14kn 同理得：F 2=118.65kn F 3=88.8kn F 4=150.13kn 3.5.2、张力辊轴承的确定
选择滚动轴承的类型与多种因素有关，通常根据下列几种主要因素：
① 允许空间。
② 载荷大小和方向。例如既有径向又有轴向的联合载荷一般选用角接触球
轴承或圆锥滚子轴承，如径向载荷大，轴向载荷小，可选用深沟球轴承和内外都有挡边的圆柱滚子轴承，如同时还存在轴或壳体变形大以及安装对中性差的情况，可选用调心球轴承、调心滚子轴承；如轴向载荷大，径向载荷小，可选用推力角接触球轴承、推力圆锥滚子轴承，若同时要求调心性能，可选推力调心滚子轴承。 ③ 轴承工作速度。
④ 旋转精度。一般机械均可用0级公差轴承。
⑤ 轴承的刚性。一般滚子轴承的刚性大于球轴承，提高轴承的刚性，可通
过“预紧”，但必须适当。
⑥ 轴向游动。轴承配置通常是一端固定，一端游动，以适应轴的热胀冷缩，
保证轴承游动方式，一是可选用内圈或外圈无挡边的轴承，另一种是在内圈与轴或者外圈与轴承孔之间采用间隙配合。
⑦ 摩擦力矩。需要低摩擦力矩的机械（如仪器），应尽量采用球轴承，还应
避免采用接触式密封轴承。
⑧ 安装于拆装。装卸频繁时，可选用分离型轴承，或选用内圈为圆锥空的、
带紧定套或退卸套的调心滚子轴承、调心球轴承。
选择轴承一般根据机械的类型、工作条件、可靠度要求及轴承的工作转速n ，预定一个适当的使用寿命L h （用工作小时表示），在进行额定动载荷和额定静载荷的计算。
（1） 基本额定动载荷计算
对于转速较高的轴承（n
C =
f h f m f d
P
式中 C:基本额定动载荷计算值，N ；
P：当量动载荷，N ； f h ：寿命因素； f n ：速度因素；
f m ：力矩载荷因素，力矩较小时f h =1.5，力矩载荷较大时f h =2； f d ：冲击载荷因素； f T ：温度因素；
C r ：轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定动载荷，N ； C a ：轴承尺寸及性能表中所列轴径向基本额定动载荷，N 。
轴承的基本额定动载荷是在假定的运转条件下确定的。其中载荷条件是：向心轴承仅受纯径向载荷；推力轴承仅受纯轴向载荷。实际上，轴承在大多数应用场合，常常同时承受径向载荷和轴向载荷，因此，在进行轴承计算时，必须把实际载荷转换为与确定额定动载荷相一致的当量动载荷。当量动载荷的一般计算公式为：
P=XF r +YF a
式中 P：当量动载荷，N ； F r ：径向载荷，N ； F r ：轴向载荷，N ； X：径向动载荷系数： Y：轴向动载荷系数。
考虑到载荷较大，且主要承受径向载荷，所以选择调心滚子轴承，对于1号张力辊，当量动载荷P=250kn，根据技术要求查机械手册表得：寿命系数
f h =1.54，速度系数f n =0.643，力矩载荷系数f m =1，冲击载荷系数f d =1，温度系
数f T =1。代入公式得：
C =
f h f m f d 1.54⨯1⨯1
P =⨯250=1008.3kn f n f T 0.643⨯1
（2） 额定静载荷的计算
对低速旋转或缓慢摆动的轴承，应分别计算额定动载荷和额定静载荷，取其中较大者选择轴承。额定静载荷计算公式如下：
C 0=S 0P 0
式中 C 0：基本额定静载荷计算值，N ； P 0：当量静载荷，N ； S 0：安全系数；
C 0r ：轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定静载荷，N ； C 0a ：轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定静载荷，N 。
计算得额定静载荷C 0=1473.5kn。
查表可知型号为22244的轴承基本额定动载荷C r =1170kn，基本额定动载荷
C 0r =2220kn ，能够满足要求。因为1号张力辊所受的力最大，所以以此所计算
选择的轴承可以满足其它三个辊子的要求。
查表可得22244型调心滚子轴承的技术参数如表3.5所示： 表3.5 轴承技术参数
4、张力辊的强度校核
在张力辊的设计过程中，很多工程师只考虑了如何合理选择电机、减速机和辊子直径几个重要参数，往往会忽略张力辊本体的受力分析，结构设计和各部件的强度校核。这样势必会造成两方面的问题：一方面很多工程师为确保安全，各部件均设计得较笨重，不但会造成材料的浪费且辊子的转动惯量较大，不利于薄带的生产；另一方面，若局部设计强度不够，会造成“断辊”而影响生产，给企业带来不少经济损失。 因此，对辊子本体的结构进行受力分析和对各部件进行强度校核很有必要。
四个张力辊的结构与几何尺寸都相同，1号张力辊所受的力与扭矩最大，所以只需要对1号张力辊进行校核即可。 4.1、张力辊的传动原理及受力分析
因张力辊为传递并缩放张力的设备，钢带以一定的包角缠绕在每只辊子上，从钢带接触辊子到离开辊子这一段，钢带张力逐渐增加或减小。在此设计中张力辊为电动状态，所以我们处以张力减小进行计算，即T 入>T 1>T 2>T 3>T 出，图4.1为张力辊力传递示意图：
图4.1 张力辊力传递示意图 带钢各段的受力如表4.1所示： 表4.1 张力辊各段受力
其中1号张力辊的受力最大，综合考虑1号张力辊的受力，其受力分析如图4.2所示：
1860
90
M
F A
图4.2 张力辊简化受力图 4.2、张力辊的扭矩及弯矩分析 4.2.1、扭矩的确定
电动机传递给张力辊的扭矩计算公式：
F B
M =(T 入-T 1)
代入数值计算得：
D
2
M =(T 入-T 1)
D
2
=(93-68)
1.3
=16.25kn . m 2
其扭矩图如图4.3所示：
q
(A)
(B)
M
图4.3 张力辊的扭矩图 4.2.2、张力辊的剪切力及弯矩计算
张力辊的受力分析及剪力和弯矩图如图4.4所示：
我们知道，带钢是均匀缠绕到辊身上的，所以该载荷为均布载荷，压辊对张力辊的压力也是均匀，我们也可将张力辊自身重力看做均匀载荷，将三者矢量相加可得均布载荷的集度为q=268.35kn/m。
由前面的设计计算我们知道AC=DB=370mm，CD=1860mm，AB=2600mm；而且有
F A =F B =250kn。
这种梁，应分为AC 、CD 和DB 三段分别列出剪力方程和弯矩方程，以支座A 为原点，上述三段内的剪力方程和弯矩方程分别为：
在AC 段内：
Q （x ）=F A
M（x ）=F A .x 在CD 段内：
Q （x ）=F A -q （x-0.37）
M（x ）=F A .x-q （x-0.37）2/2 在DB 段内：
Q（x ）=-F B
M（x ）=F B . （2.6-x ）
将数据代入式中，求得张力辊辊身与辊径交界处M=F A ⨯0.25=62.5kn.m。 在张力辊中心的左侧F A 引起的弯矩为正，且数值为F A ⨯1.3=325kn.m；中间截面左边的均布载荷引起的弯矩为为负，且数值为：
2
q ⨯(1.3-0.37) /2=116.05kn.m。
将数据代入式中，求得中点截面上的弯矩：
M =F A ⨯1.3-q ⨯(1.3-0.37) 2/2=208.95kn . m
q
(A)
(B)
Q
M
（C ）
图4.4 张力辊的剪力和弯矩图 4.3、 张力辊部件的校核
4.3.1、许用应力和许用安全系数的选择
首先我们应区分该材料为塑性还是脆性材料，延伸率≥5%的为塑性材料，延伸率＜5%的为脆性材料。塑性材料的许用应力【σ】=σs /S；当为脆性材料时，用【σ】=σb/S 。张力辊辊颈材料为25号钢，辊身材料为45号钢，25号钢和45号钢均为塑性材料，
式中： S：安全系数，一般设计对塑性材料取 1.5～2.0；对脆性材料取 2.5～
3.0。
σs ：屈服强度，25号的屈服强度σs 为275MPa ，45号钢的屈服强度
σs 为355MPa 。
σb ：抗拉强度，25号的抗拉强度σb 不低于450MPa ；45号钢的抗拉
强度值为σb 不低于600MPa 。
所以，一般通用情况下，25号钢的许用拉应力【σ】=137～183MPa ；45号钢的许用拉应力【σ】=178～240MPa 。 4.3.2、张力辊的校核 （1）抗扭强度的校核
τmax = Mn max /Wn≤【τ】
式中： Wn：抗扭截面模量，其中Wn=πD /16
上式为零件只承受纯扭矩的校核；零件只承受弯曲应力时，可按表4.2的计算公式核算圆形截面的最大弯曲剪应力。
表4.2 典型截面的最大弯曲剪应力
因辊颈处为扭转和弯曲的组合变形，所以不必单独进行核算。
（2）扭弯组合变形
按第四强度理论，得到扭弯组合变形的强度条件为：
/W≤【σ】
式中：W 为抗弯截面模量：当为圆截面时：W=π. D 3/32。当为圆环截面时：W=π. D 3(1-α4) /32，其中α=
d
，d 为小径，D 为大径。 D
按第三强度理论，得到扭弯组合变形的强度条件为：
σ】 ；
4
由上已知，在张力辊辊身与辊径交界处上：【σ】=137～183MPa, 扭矩
M n =16.25kn.m，弯矩M=62.5kn.m ，D=240mm 。
按第三强度力辊计算，代入数值则有：
≈47.6MPa
在张力辊辊身中点截面处：【σ】=178～240MPa, 扭矩M n =16.25kn.m，弯矩
M=208.95kn.m，大径D=1300mm，小径d=1230mm。 按第三强度力辊计算，代入数值则有：
≈5MPa
满足要求。 4.4、张力辊有限元分析及强度校核 4.4.1、有限元分析简介
有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。
在解偏微分方程的过程中, 主要的难点是如何构造一个方程来逼近原本研究的方程, 并且该过程还需要保持数值稳定性. 目前有许多处理的方法， 他们各
有利弊. 当区域改变时(就像一个边界可变的固体), 当需要的精确度在整个区域上变化, 或者当解缺少光滑性时, 有限元方法是在复杂区域(像汽车和输油管道) 上解偏微分方程的一个很好的选择. 例如, 在正面碰撞仿真时, 有可能在" 重要" 区域(例如汽车的前部) 增加预先设定的精确度并在车辆的末尾减少精度(
如此可以减少仿真所需消耗); 另一个例子是模拟地球的气候模式, 预先设定陆地部分的精确度高于广阔海洋部分的精确度是非常重要的. 4.4.2、张力辊的有限元分析
（1）、张力辊有限元模型的建立
首先对张力辊建立物理模型, 在遵循保证计算精度同时考虑计算耗费原
则的基础上对模型作出如下简化: 将焊缝与母材作为整体, 忽略部分倒角及圆角, 坐标原点取在轴颈端面的中心上, X 轴沿轴中心线方向, Y 轴沿铅垂方向, Z 轴沿水平径向。对模型划分网格的工作包括选择单元类型、定义材料属性、网格划分设置、划分网格等内容，得到网格模型如图4.5所示：
图4.5 张力辊网格模型 （2）、施加载荷和边界约束
①、边界条件
将张力辊简化为简支梁, 结合简支梁受力、变形情况, 在左端轴承轴对称面上的节点施加径向和轴向约束, 在右端轴承轴对称面上的节点施加径向约束。 ②、施加载荷
带钢对于张力辊的压力是均匀的，计算求得张力辊带钢处面压p=0.08MPa，压辊对于张力辊的压力是为均布线载荷，并考虑张力辊自重及扭矩，施加约束与载荷效果图见图4.6。
图4.6 约束与负载图 ③、整理分析计算结果
载荷施加完成后，即可进行有限元的求解。有限元分析完成之后进入通用后处理器，提取并评价和分析结果。
（a ）、绘制结构变形图。通过绘制结构变形图，可以直接找出辊子变形最大的地方，结构变形图如图4.7所示。
（b ）、绘制位移矢量图。通过位移矢量图可以直接看到模型上各店在载荷作用下发生位移的大小。位移矢量图如图4.8所示。
图 4.7 张力辊结构变形图
图4.8 位移矢量图
4.4.3、张力辊强度校核
张力辊安全系数图如图4.9所示：
张力辊轴的的材料为25钢，屈服强度为450MPa ，由应力图可知张力辊最大应力发生在轴承处，最大应力σmax 为270MPa ，安全系数为：
n =
满足要求。
σs
=1.67 σmax