熱軋卷取機板材張力與控制系統(tǒng)的關系

熱軋卷取機板材張力與控制系統(tǒng)的關系

1984年，由中國東北輕鉻有限公司與意大利米諾合作，引進意大利aea公司的柜式振動器，改造原有的熱機，并增加了熱機系統(tǒng)和用于冷壓機的材料。熱軋卷取機控制系統(tǒng)設計選用恒張力控制系統(tǒng),在多年的運行過程中,發(fā)現(xiàn)某些熱軋卷材到冷軋開卷時有粘鋁現(xiàn)象,嚴重影響產(chǎn)品質量。為解決這一問題,經(jīng)反復研究,于2005年將熱軋卷取機恒張力控制系統(tǒng)改造為變張力控制系統(tǒng),在卷取過程中,隨著卷材卷徑的增加,系統(tǒng)自動控制卷取張力自動減小,即實現(xiàn)變張力控制方式;并且恒張力與變張力兩種控制方式可以切換。從而解決了板材粘鋁問題,提高了產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率。1變量張力的制備和改造變張力軋制主要在卷取過程中,控制張力隨卷徑的增大而逐漸變小,欲實現(xiàn)變張力控制,首先要分析板材張力與控制系統(tǒng)各參數(shù)之間的函數(shù)關系。1.1基速以下分段控制卷取過程中,板材張力由卷取機和軋機之間建立(見圖1)。卷取過程中卷材卷徑由小變大,若要求卷取過程中板材張力可控,卷取電動機的其他參數(shù)必須隨卷徑及張力給定的變化處于動態(tài)調整中?，F(xiàn)就板材張力與這些參數(shù)之間的關系進行討論。根據(jù)力矩定義,板材張力T與卷取機產(chǎn)生的力矩MD之間有如下關系:MD=T·D/(2i)(1)式中MD—折算到電機軸上的張力矩,kNm;D—帶卷瞬時直徑,mm;T—板材張力,kN;i—卷取電動機與卷筒的轉速比,或稱為卷取機傳動比。由電機學可知,卷取電動機產(chǎn)生的電磁轉矩Mm與勵磁磁通Φ及電樞電流Id有如下關系:Mm=CM·Φ·Id(2)式中Mm—卷取電動機產(chǎn)生的電磁轉矩,kNm;CM—卷取電動機常數(shù),與電動機結構有關;Φ—卷取電動機勵磁磁通,Wb;Id—卷取電動機電樞電流,A。忽略卷取機的摩擦損失,卷取機產(chǎn)生的電磁轉矩應與張力力矩相等,即Mm=MD,則有:CM·Φ·Id=T·(D/2)·(1/i)由此得出張力T的表達式:T=2i·CM·Φ·Id/D=K·Φ·Id/D(3)式中K—常數(shù),K=2i·CM。為了充分利用電動機容量,達到調整范圍較寬之目的,本系統(tǒng)采用了基速以下恒磁(額定磁通)工作,基速以上為弱磁升速的調速方式。在基速以下時,Φ=Φe為一常數(shù),則:T=K·Φe·Id/D=K1·Id/D(4)式中K1—常數(shù),K1=K·Φe?？梢?在基速以下,需要調節(jié)卷取機電樞電流Id和卷徑D與張力給定T的乘積成正比例變化,即:Id∝T·D在基速以上,為弱磁調速階段,這一階段實際上是電機反電勢恒值調節(jié)過程,即反電勢E保持不變。由電機學可知,E=CE·Φ·n,由此得出Φ與n的關系式為:Φ=ECE?nΦ=ECE?n(5)式中E—卷取電動機反電勢,V;CE—電勢常數(shù),與電機制造結構有關,CM=9.55CE);n—卷取機轉速,即角速度,r/min。將(5)式代入(3)式,得:Τ=Κ?Φ?ΙdD=Κ?ECE?n?ΙdD=Κ?E?ΙdCE?n?DT=K?Φ?IdD=K?ECE?n?IdD=K?E?IdCE?n?D(6)設V為板材線速度(m/s),由定義可知,線速度V與角速度n有如下關系:V=π·D·n/60i(7)由此得出n·D=60i·V/π,代入式(6),得:Τ=Κ?E?ΙdCE?60iV/π=Κ?π?E60i?CE?ΙdV=Κ2?ΙdV(8)式中K1—常數(shù),Κ2=Κ?π?E60i?CE?？梢?在基速以上,需要調節(jié)卷取機電樞電流Id隨板材線速度V與張力給定T的乘積成正比例變化,即:Id∝T·V。本系統(tǒng)采用基速以上、基速以下的分段控制方式,在哪個時刻由Id∝T·V切換為Id∝T·D,只與當前卷徑D及板材線速度給定V有關。由式(7)知V與D之間之關系。當n=ne(基速)時,(8)式為V=π?ne60i?D,繪制此時的V與D函數(shù)關系曲線(見圖2)。圖2中左上陰影區(qū)n>ne即為基速以上區(qū)域;右下區(qū)n<ne即為基速以下區(qū)域。可見V與D函數(shù)曲線為分段控制的分界線。在實際系統(tǒng)中,只需將60iπ?ne?V與D進行比較即可。當60iπ?ne?V>D時,為圖2陰影區(qū),即為基速以上,此時控制系統(tǒng)應實現(xiàn)Id∝T·V;當60iπ?ne?V<D時,為基速以下,此時應實現(xiàn)Id∝T·D。此分段控制通過V·D比較選擇器來實現(xiàn)。熱軋卷取機張力控制系統(tǒng)張力給定值T由卷取機操縱手在卷取機操縱臺給出,板材線速度給定值V實際上為熱軋機主軋輥速度,由主操縱手在主機操縱臺給出。將線速度給定V與當前卷徑D值相比較,位于基速以上時,V·D比較選擇器選擇V與張力給定T相乘,該乘積作為電樞電流Id的給定值;當位于基速以下時,則選擇D與張力給定T相乘,該乘積作為電樞電流Id的給定值,此給定值作為電流調節(jié)器給定。卷取機建立起張力正常工作時,控制系統(tǒng)為電流單閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。1.2間接檢測卷徑根據(jù)上述分析,精確測得卷材瞬時卷徑D值是張力控制系統(tǒng)的關鍵。在卷取過程中,卷徑D值是不斷變化的,其測量方法既可以直接測量,也可以間接測量計算。我們采用間接測量方法。由式D=60iπ?Vn可知,只要測出板材線速度V和卷取機角速度n,即可間接得到卷徑D。這一間接檢測卷徑的方法由卷徑記憶單元實現(xiàn)(見圖3)。卷取機在工作之前,應根據(jù)卷筒大小預先設定一個最小卷徑值Dmin(即卷徑預置),存于卷徑記憶單元。卷取機工作時,卷徑記憶單元所記憶的卷徑值與卷取機角速度n(取自于卷取機測速發(fā)電機)相乘,得到模擬線速度V。將模擬線速度V與實際板材線速度V(取自于主軋機速度反饋)相比較,如果差值e=0,則說明卷徑記憶單元所記憶的卷徑值與實際卷徑相符;如果差值e≠0,則說明所記憶卷徑值與實際卷徑值不等,則用e值修改卷徑記憶單元,直到e=0為止。實際上,卷取機在卷取過程中,卷材直徑是在不斷增大的,e≠0始終存在,它在不斷地修改卷徑記憶單元所記憶的卷徑D值,使其跟蹤實際卷徑變化,此為一個動態(tài)調節(jié)過程。1.3模型2:d2采用直接張力補償?shù)姆椒斑^程在上述分析中,卷取過程中的板材線速度給定V為一常數(shù)?，F(xiàn)尚需分析卷取過程中線速度給定V突然變化即存在dvdt的情況。此時,卷取電動機需要額外付出一部分轉矩,用以克服卷材的機械慣性,對這一動態(tài)轉矩必須進行補償。根據(jù)拖動系統(tǒng)運動方程式,動態(tài)轉矩Mg為:Μg=GD2375?dvdt=GD2375?60iπ?D?dvdt=A1?GD2D?dvdt(9)式中A1=60i375π,為一常數(shù)。式(9)推導過程中忽略了卷徑D的變化,即認為dDdt=0。GD2為折算到電動機軸上總的飛輪慣量,且:GD2=GD2D+GD2Μ+GD2A(10)式中GD2D—電動機的飛輪慣量;GD2Μ—卷筒及機械傳動機構的飛輪慣量;GD2A—卷材的飛輪慣量。GD2D與GD2Μ均為固定量,只有GD2A隨卷材卷徑而瞬時變化,為一變量。根據(jù)飛輪慣量定義,得:GD2A=4gi2∫DDminD22dm=4gi2∫DDminD22dπ·D22·B·γ·ρ]=g2i2∫DDminπ·B·γ·ρ·D3dD=π?g?γ?B?ρ8i2?D4DDmin=B1(D4-D4min)(11)式中B1=π?g?γ?B?ρ8i2,為一常數(shù);m—卷材質量;γ—卷材密度;B—卷材寬度;ρ—卷材占積率,一般為0.93～0.96。則:GD2=GD2D+GD2Μ+B1(D4-D4min)=A2+B1D4(12)式中A2=GD2D+GD2Μ-B1·D4min,為一常數(shù)。則:Μg=A1?GD2D?dvdt=A1?A2+B1?D4D?dvdt(13)本系統(tǒng)采用直接補償張力方式,補償張力Tg為:Τg=ΜgD/2?i=2i?A1?A2+B1D4D2?dvdt=C1D2+C2?D2·dvdt(14)式中C1=2i·A1·A2,為一常數(shù);C2=2i·A1·B1,為一常數(shù)。動態(tài)張力補償?shù)膶崿F(xiàn)電路框圖見圖4所示。圖4中,D及1/D信號來自卷徑記憶單元,主機速度經(jīng)過微分器得到dvdt信號,兩階乘法器模擬出C1D2?dvdt和C2?D2?dvdt信號,完全符合上述張力補償方式。1.4變張力和恒張力制備控制若張力給定不變,則實現(xiàn)恒張力軋制;如需變張力軋制,則需將卷徑記憶單元所測得的卷徑信號輸入至張力給定單元,并與張力給定求代數(shù)和,控制系統(tǒng)即可實現(xiàn)變張力軋制?？刂葡到y(tǒng)見圖5。張力變化控制范圍(從最小卷徑到最大卷徑)為0～5%張力給定值。由操作人員在操作臺上通過電位計實現(xiàn),操作人員可以根據(jù)板材的不同合金及規(guī)格,自行設定張力變化的百分比。在操作臺上裝設萬能轉換開關,并控制繼電器K,可以實現(xiàn)變張力或恒張力軋制。繼電器K得電吸合時,為變張力軋制,失電釋放時,為恒張力軋制。2熱軋卷取機運行效果此次變張力控制改造線路簡單,操作方便,成本低,從根本上解決了板材粘鋁問題,提高了產(chǎn)品質量。東北輕合