23輥矯直機組張力、延伸率自動控制系統(tǒng)

宋連慶，楊 楊，權(quán) 策

(1.西安曼海特工業(yè)技術(shù)有限公司，陜西 西安 710018;2.西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048)

目前國內(nèi)外的23輥帶材拉彎矯機組多采用開卷機、入口張力輥組、多輥矯平機、出口張力輥組、卷取機這種三段張力可控、一段延伸率可控的形式。這樣的配置使帶材延伸率產(chǎn)生和殘余應(yīng)力釋放有相互制約的問題，帶材延伸率控制和材料物理性能難以得到同時滿足；而實際生產(chǎn)中對帶材的平直度和帶材的物理性能要求都較高。由我公司研制開發(fā)的高強度帶材拉彎矯機組在矯直加工中采用兩段延伸率、四段張力的控制形式，使材料延伸率和物理性能都得到很好的控制，這樣不僅確保了被矯帶材的平直精度，而且產(chǎn)生的帶材殘余應(yīng)力更小，很好地滿足了用戶的需要。

1 機組工作原理

(1) 機組組成設(shè)備組成見圖1。

圖1 新型拉彎矯直機組示意圖

圖中各數(shù)字所示分別為：①開卷機、②入口轉(zhuǎn)向輥、③入口張力輥組、④拉伸彎曲矯直機、⑤中間張力輥組、⑥23輥矯直機、⑦出口張力輥組、⑧檢查臺、⑨出口轉(zhuǎn)向輥、⑩卷取機。

(2) 兩段延伸率分別由3#、5#設(shè)備，5#、7#設(shè)備產(chǎn)生，5#設(shè)備為機組的速度基準(zhǔn)。四段張力分別為：開卷張力、3#與4#設(shè)備、6#與7#設(shè)備、卷取張力。通過兩段延伸率閉環(huán)控制即可得到理想的板形，通過控制4段張力的大小即可獲得理想的物理特性。

(3)各段張力的大小依據(jù)所加工帶材的規(guī)格型號、開收卷張力以及各張力輥組張力放大倍數(shù)確定該種規(guī)格帶材每段張力的最大值，每段張力的設(shè)定應(yīng)在此范圍以內(nèi)。

2 張力輥組及延伸率控制

2.1 張力輥組簡介

圖2 張力輥組結(jié)構(gòu)及受力

如圖2所示為入口張力輥組，入口張力輥組是一個張力遞增的過程，其張力放大系數(shù)eμα與帶材在張力輥上的包角α和摩擦因數(shù)μ有關(guān)。根據(jù)歐拉公式，第一只輥子所輸出的張力為:

F1=F開eμα1

依次類推，第2、3、4只輥子所輸出的張力分別為:

F2=F1eμα2

F3=F2eμα3

F4=F3eμα4

則由上述公式可得:

F入=F開eμ(a1+a2+a3+a4)

式中F開為開卷機開卷張力、F入為拉矯機入口張力。

由于該張力輥組中各輥都采用直流電機單獨驅(qū)動，因此各輥子的傳動力矩均可單獨調(diào)整，入口張力輥所需的轉(zhuǎn)矩：

式中D為輥子直徑。

按此方法可分別計算出其他各張力輥的輸出轉(zhuǎn)矩，在控制時依據(jù)所生產(chǎn)帶材的規(guī)格型號設(shè)定相應(yīng)各段的張力，并依據(jù)上述公式進(jìn)行判定各段所設(shè)張力差值是否在合理范圍內(nèi)。

上述只是對入口張力輥組的計算，其中間張力輥組、出口張力輥組與入口張力輥組的計算方法相同。

2.2 延伸率控制

延伸率的設(shè)定直接影響了拉矯機組的拉矯效果，是整個機組中最重要的參數(shù)。

延伸率的控制一般分為直接控制和間接控制兩種。間接控制方式是通過控制彎曲輥的壓下量和帶材張力來控制延伸率，是一種延伸率開環(huán)控制方式；如果壓下量增加，則帶材的彎曲程度增加，延伸率也增加。直接控制方式(閉環(huán)延伸率控制)是通過控制前后張力輥組的速度差來控制延伸率。如圖1所示，此機組的延伸率ε為：

式中v入為入口張力輥線速度；v出為出口張力輥線速度。通過調(diào)節(jié)出口張力輥的速度v出，來獲得所需要的延伸率。

本機組采用兩段延伸率控制，在總延伸率ε不變的情況下，通過分別控制兩段延伸率(ε1，ε2)的大小來達(dá)到控制板型的目的。即：ε=ε1+ε2，兩段延伸率大小的分配需要根據(jù)來料板形確定。

3 控制策略

此拉矯機組采用的是兩段延伸率控制，其控制框圖如圖3所示。5#設(shè)備為機組的速度基準(zhǔn)，兩段延伸率在3#、5#設(shè)備，5#、7#設(shè)備之間產(chǎn)生。如圖3所示，5#是整個機組的速度基準(zhǔn)，vg1、vg2分別為3#、7#的速度給定，vg為機組的基準(zhǔn)給定速度，它與該電機的測速編碼器反饋速度vf經(jīng)過調(diào)節(jié)器、驅(qū)動器來驅(qū)動電機。3#與5#設(shè)備之間有個延伸率計算，與給定延伸率ε1之間形成反饋，使前端拉矯機的延伸率穩(wěn)定在ε1上；同理5#與7#設(shè)備之間也是一樣，使23輥矯直機的延伸率穩(wěn)定在ε2上，通過這樣的控制策略來達(dá)到該機組的延伸率要求ε=ε1+ε2。此拉矯機組根據(jù)來料板形通過該控制策略合理分配兩段延伸率的大小，來獲得更好的板形，滿足用戶的需求。

圖3 延伸率控制框圖

4 結(jié)束語

本拉矯機組通過采用兩段延伸率控制，在總延伸率不變的前提下，比采用一段延伸率控制的方式可降低每組張力輥上的張力值，從而也使拉矯機輥系所承受的應(yīng)力相應(yīng)減少，對延長輥系使用壽命具有很大作用。同時由于出口段張力的減少，板材內(nèi)應(yīng)力也相應(yīng)減少，對減少拉矯后板形內(nèi)部殘余應(yīng)力也有相應(yīng)作用。本機組經(jīng)在用戶現(xiàn)場使用效果良好，為用戶帶來的可觀的經(jīng)濟效益，深得用戶好評。

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