不同材质牵引辊性能分析报告

摘要：本文通过计算分析，得出不同材质的牵引辊节能以及性能的差异。

传统牵引辊使用厚重的钢材作为基材来设计制造，同时传统观念下，铝制品“强度”不及铁制品，而实际其二者抗弯强度差异不大，但铝制硬度低，耐磨性相比铁质而言，差异较大，但通过表面处理改性后，耐磨性方面可以得到很大提升，而铝的低密度带来的小转动惯量所产生的优势，在节能及急加减速方面体现得淋漓尽致。

一、相关计算

1、铝制牵引辊相关计算

基本条件，质量m=55.5Kg，牵引辊外径Ø200mm，内径Ø176mm，壁厚12mm，线速度设定为300m/min，加减速时间设为t=5s，薄膜张力250N，牵引电机到牵引辊加速比i=1：3

因此

Nm_辊=V/(ΠD)=477.7r/min

Nm_电机= Nm_辊·i=1433r/min

转矩计算：

T₁=FR==25N·m

T₂=mr²/2·（2Πn/60）/t

   =24.62m²/t=4.924 N·m

∴ 总力矩T_铝= T₁+T₂=29.924N·m

∴T_电机=T_铝×i=9.975 N·m

P_0铝=2Π·Nm·T_L/60

=1468.38W=1.47Kw

2、铁制牵引辊相关计算

基本条件，质量m=161.36Kg，牵引辊外径Ø200mm，内径Ø176mm，壁厚12mm，线速度设定为300m/min，加减速时间设为t=5s，薄膜张力250N，牵引电机到牵引辊加速比i=1：3

因此，综上计算

T_2铁=14.28 N·m

总力矩T_铁= T₁+T_2铁=25+14.28=39.28 N·m

∴ P_0铁=1884.84W=1.89Kw

3、结论

综上，P_0铁=1.89Kw >P_0铝= 1.49Kw，相比而言，单个铝制牵引辊要比铁质牵引辊，每小时节约0.5度电，按照8小时3班次，设备运行率70%，每日可节省约16.8度。

二、惯量与刹车时间计算

1、计算

J_铝= m×（r₁²+r₂²）/2

   =55.5×（100²+88²）/2

   =0.49 Kg·m²

J_铁= m×（r₁²+r₂²）/2

   =1.42Kg·m²

由于加减速为满功率运行，因此Pa=2.9KW，同时在无损耗的理想状态下，且没有增加安系数

Pa=（2Π·Nm/60）²·J_L/T

∴T_铝=（2Π·Nm/60）²·J_L/Pa=0.43s

T_铁=（2Π·Nm/60）²·J_L/ Pa=1.23s

2、结论

综上，在电机允许的转动惯量下，铁辊急停时间为铝辊2.9倍，在发生危险时，损失将更大。

三、工艺、物理属性对比

1、强度对比

铝制牵引辊采用7075-T6铝材，其屈服强度为455 MPa，而铁质牵引辊通常采用45#钢材，其屈服强度为355 MPa以上，同等壁厚要求下，铝制强度更高，抗弯能力更突出。

2、表面处理

铝辊通常使用硬质阳极氧化处理后研磨抛光使用，镀层厚度50μm，表面硬度可达HV500左右，氧化膜及其生产过程的电化学工艺对人体无害，绝缘性好，击穿电压可达到2000V。

铁辊通常使用镀硬铬处理，厚度一般在20μm以上，表面硬度在HV800~900，但镀铬工艺使用的铬酸溶液，会产生铬酸雾和废水，导致严重的环境问题，同时镀铬层具有多孔性，所以对钢铁腐蚀性不是很理想，所以一般先镀铜，再镀镍，最后再镀一层铬，才能达到一定的效果，镀铬层存在微裂纹，不可避免产生穿透性裂纹，导致腐蚀介质从表面渗透至界面而腐蚀基体，造成镀层表面出现锈斑甚至剥落;电镀工艺沉积速度慢，镀0.2~0.3mm厚的镀层往往需要2~3个班的时间，也不利于厚镀层的应用。

3、成本对比

同等使用条件下，镀铬钢辊成品采购价格大约为硬氧铝辊的2.5倍，且后期维护成本高昂，在辊面磨损后，硬氧铝辊可以在50μm膜厚下，重新研磨使用，但镀铬钢辊表面开裂脱落等，无法修复，通常会直接废弃。

4、套印薄膜影响

铁辊加减速间隔过长，会导致升降速张力稳定性变差，套印不稳定。同时在特殊情况，需要急停时，长刹车时间会拉断薄膜，重新穿膜的同时，也增加不必要的工时浪费。

四、结语

轻量化的主动辊是当下绿色节能的发展方向，同时也是安全生产的必要措施。随着社会科技的进步，更多新型材料的发现与创造，也为产业发展提供了更多的可能，更好地推进了行业的发展，造福社会。