Φ508 mm PQF連軋管機前臺芯棒回轉(zhuǎn)臂的傳動改造

李恩學(xué)

（江蘇天淮鋼管有限公司，江蘇淮安223002）

Φ508 mm PQF連軋管機前臺芯棒回轉(zhuǎn)臂的傳動改造

李恩學(xué)

（江蘇天淮鋼管有限公司，江蘇淮安223002）

介紹了Φ508 mm PQF連軋管機前臺芯棒撥入回轉(zhuǎn)臂的工況要求及設(shè)備結(jié)構(gòu)，詳細核算了前臺芯棒撥入回轉(zhuǎn)臂的電機功率；并闡明了該回轉(zhuǎn)臂動作過程中的位置與速度設(shè)定。對于回轉(zhuǎn)臂速度設(shè)定，首先根據(jù)軋制節(jié)奏給出回轉(zhuǎn)臂動作時間，其次根據(jù)傳動計算出的電機轉(zhuǎn)速并結(jié)合工況要求來設(shè)定；對于加速到的最大速度則按照變頻電機在額定頻率時轉(zhuǎn)速值折算到傳動軸上的轉(zhuǎn)速來設(shè)定。

Φ508 mm PQF連軋管機；芯棒回轉(zhuǎn)臂；傳動電機；力能參數(shù)；速度設(shè)定

PQF連軋管機前臺芯棒撥入回轉(zhuǎn)臂位于芯棒潤滑輥道末端、限動床身中心線（即軋制中心線）的惰輥旁側(cè)，回轉(zhuǎn)臂在連軋管機前臺位置如圖1所示，其作用是將冷卻及潤滑后的芯棒從潤滑輥道平移到軋線上，等待穿孔毛管到位后插入毛管進而軋制。

該回轉(zhuǎn)臂由一臺交流變頻電機驅(qū)動，用變頻器來調(diào)整電機的速度和相位，進而控制回轉(zhuǎn)臂。電機軸安裝有1個增量型編碼器，用來反饋電機的實際速度；另外在安裝回轉(zhuǎn)臂體的傳動軸上還配置了1個絕對值編碼器，用來檢測回轉(zhuǎn)臂體的轉(zhuǎn)動位置。該回轉(zhuǎn)臂與芯棒撥出回轉(zhuǎn)臂和限動齒條連鎖控制，以防止相互之間的設(shè)備干涉。

整個回轉(zhuǎn)臂裝置由安裝在兩段傳動軸上的5個回轉(zhuǎn)臂、1臺位于兩段傳動軸中間的直角雙輸出減速器、1臺驅(qū)動電機及聯(lián)軸器等零部件組成，如圖2所示。

在江蘇天淮鋼管有限公司Φ508 mm PQF連軋管機組中［1-2］，國外某公司進行了該機組前臺的基本設(shè)計，其回轉(zhuǎn)臂驅(qū)動電機功率為210 kW（額定轉(zhuǎn)速為480 r/min，過載系數(shù)2.0）。照此設(shè)計進行現(xiàn)場熱試時發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量最大的31.7 t芯棒在回轉(zhuǎn)臂撥料時出現(xiàn)了撥不動的現(xiàn)象；為此，本文對回轉(zhuǎn)臂的力能進行了核算，并對位置控制進行了優(yōu)化。

圖1　回轉(zhuǎn)臂在連軋管機前臺位置

圖2　回轉(zhuǎn)臂裝置的組成

1　回轉(zhuǎn)臂機構(gòu)

回轉(zhuǎn)臂機構(gòu)是斯惠頓杠桿的一種應(yīng)用［3］，常用的回轉(zhuǎn)臂機構(gòu)有齒輪式和鏈傳動式兩種傳動方式。本文介紹的芯棒撥入回轉(zhuǎn)臂采用齒輪傳動方式，齒輪回轉(zhuǎn)臂的主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　齒輪回轉(zhuǎn)臂的主要結(jié)構(gòu)示意

臂體和扇形配重與驅(qū)動軸剛性連接；動齒輪和托盤固定連接在同一軸上，隨軸一起轉(zhuǎn)動；定齒輪在保證托盤叉口豎直朝上的條件下與底座剛性連接，為保證臂體轉(zhuǎn)動過程中托盤叉口始終處于豎直朝上位置，定齒輪、中間齒輪及動齒輪的齒數(shù)及模數(shù)都完全相同，只要托盤在安裝時的初始相位是叉口豎直朝上的，就能保證在旋轉(zhuǎn)的過程中托盤能將芯棒平穩(wěn)移送。

2　力能核算

為了方便進行力能校核計算，將回轉(zhuǎn)臂主體裝置按設(shè)備組成分為托盤、回轉(zhuǎn)體（包括臂體、動/定齒輪和中間齒輪等）、配重和傳動軸4部分，其主要參數(shù)如下：

最重芯棒質(zhì)量Mx31 700 kg

最重芯棒半徑Rx253.5 mm

回轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)半徑Rh1 008 mm

回轉(zhuǎn)臂數(shù)量Nh5個

單個回轉(zhuǎn)臂托盤質(zhì)量Mt65 kg

單個回轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)體質(zhì)量Mz1 463 kg

單個配重質(zhì)量Mp1 064 kg

配重重心與回轉(zhuǎn)中心的距離Rp350 mm

傳動軸總質(zhì)量Mc7 269 kg

傳動軸直徑Dc270 mm

回轉(zhuǎn)臂由交流變頻電機驅(qū)動，若要確定回轉(zhuǎn)臂電機功率，首先必須確定負載軸功率，即電機輸出軸處的負載功率［4-5］。負載軸功率是通過負載總轉(zhuǎn)矩計算出來的。對于回轉(zhuǎn)臂裝置而言，負載總轉(zhuǎn)矩從性質(zhì)上可以分為重力矩、加速轉(zhuǎn)矩及摩擦轉(zhuǎn)矩3部分，即T總=T重+T摩+T加［6-9］。

（1）重力矩T重。設(shè)備要運轉(zhuǎn)，首先要克服這部分由負載本身重量產(chǎn)生的力矩，在配重計算準(zhǔn)確的條件下，臂體與傳動齒輪等在回轉(zhuǎn)軸中心一側(cè)的重力矩由另一側(cè)的配重產(chǎn)生的力矩平衡掉，重力矩僅由有效負載（即芯棒）產(chǎn)生，且由于回轉(zhuǎn)臂的回轉(zhuǎn)運動，重力矩的變化呈類余弦曲線。若重力系數(shù)g取10 N/kg，各部分的重力矩計算如下（回轉(zhuǎn)臂水平狀態(tài)時）。

托盤產(chǎn)生的重力矩Tt：

Tt=Nh×（Mt×g×Rh）=3 276（N·m）

回轉(zhuǎn)體部分產(chǎn)生的重力矩Tz：

Tz=Nh×（Mz×g×Rh÷2）=36 868（N·m）

配重產(chǎn)生的重力矩Tp：

Tp=Nh×（Mp×g×Rp）=18 620（N·m）

芯棒產(chǎn)生的重力矩Tx：

Tx=Mx×g×Rh=319 536（N·m）

重力矩T重：

T重=Tt+Tz-Tp+Tx=341 060（N·m）

此外，使回轉(zhuǎn)臂順時針方向轉(zhuǎn)動的力矩為“+”；使回轉(zhuǎn)臂逆時針方向轉(zhuǎn)動的力矩為“-”。

（2）摩擦力矩T摩。設(shè)備運轉(zhuǎn)過程中，由于軸承座內(nèi)軸瓦與軸之間發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，所以會產(chǎn)生相對于旋轉(zhuǎn)中心的摩擦力矩，且由于在空轉(zhuǎn)和帶載運轉(zhuǎn)時，軸瓦承受的壓力不同，所以產(chǎn)生的摩擦力矩也是變化的，計算時通常取其最大值。對本例來說，最大摩擦力矩為：

其中，摩擦因數(shù)μ=0.15；對于跑合軸頸，系數(shù)k=1.27［10］。

（3）加速力矩T加。此力矩是設(shè)備在加（減）速過程中，為了克服回轉(zhuǎn)臂、傳動軸和芯棒等負載自身相對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量而產(chǎn)生的。

托盤轉(zhuǎn)動慣量Jt：

Jt=Nh×（Mt×Rh2）=330.2（kg·m2）

回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動慣量（假設(shè)臂體為桿件）Jz：

Jz=Nh×（Mz×Rh2÷3）=2 478（kg·m2）

配重轉(zhuǎn)動慣量Jp：

Jp=Nh×（Mp×Rp2）=651.7（kg·m2）

傳動軸轉(zhuǎn)動慣量Jc：

Jc=Mc×（Dc÷2）2÷2=66（kg·m2）

芯棒轉(zhuǎn)動慣量Jx：

Jx=Mx×（Rx2÷2+Rh2）=33 228（kg·m2）

減速器相對于輸出軸的轉(zhuǎn)動慣量Jj：

Jj=0.2（kg·m2）

在回轉(zhuǎn)臂帶載加速時，加速力矩最大，設(shè)此時加速度為ε=1.38 rad/s2，則傳動軸上總的加速力矩T加為：

T加=（Jt+Jz+Jp+Jc+Jx+Jj）×ε=50 721（N·m）

根據(jù)以上計算，可得電機軸負載總轉(zhuǎn)矩T總：

T總=（T重+T摩+T加）÷i=8 103（N·m）

其中，減速器速比i=50。

根據(jù)電機軸負載總轉(zhuǎn)矩可以計算出軸功率Pf：Pf=（T總×n電）÷9 550÷η=479.1（kW）

其中，電機轉(zhuǎn)速n電=480（r/min），回轉(zhuǎn)臂負載轉(zhuǎn)矩大，通常選10級電機，效率η=0.85。

以上是按照回轉(zhuǎn)臂取料（即帶載）加速階段來計算的，此階段負載轉(zhuǎn)矩最大，因此計算出的軸功率為一個動作周期中的最大軸功率，為經(jīng)濟效益起見，在選取電機時對回轉(zhuǎn)臂取料（即帶載）加速階段按過載運行處理，對于電機過載系數(shù)λ=2.0來說，則可選取的電機功率計算值P選為：

P選=Pf÷λ=239.6（kW）

根據(jù)以上計算結(jié)果，初定電機功率為250 kW，選擇國內(nèi)10級電機（轉(zhuǎn)速為480 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為4 974 N·m，過載系數(shù)為2.0，最大轉(zhuǎn)矩為9 948 N·m）。該電機的轉(zhuǎn)動慣量為12.8 kg·m2。

依據(jù)回轉(zhuǎn)臂整個動作周期，計算從取料到放料以及待料的負載力矩曲線，一個動作周期的力矩-時間曲線如圖4所示。

圖4　一個動作周期的力矩-時間曲線

在取料到放料約9 s時間段內(nèi)取9個點，求出每個時段末的負責(zé)等效力矩，具體見表1。

表1　每個時段末的負責(zé)等效力矩

等效力矩Tdx為：

等效力矩Tdx（4 100 N·m）在額定轉(zhuǎn)矩4 974 N·m的83%范圍內(nèi)，而該電機為變頻器控制，起制動過程平滑，無突然沖擊，電流控制在額定電流200%以內(nèi)，因此電機力矩及發(fā)熱校核結(jié)果符合電機特性。

由上述計算可知，選擇功率250 kW、轉(zhuǎn)速480 r/min、額定轉(zhuǎn)矩4 974 N·m、過載系數(shù)為2.0的電機，其力能滿足負載工況。

3　位置及速度設(shè)定

根據(jù)工藝條件及設(shè)備關(guān)系，對回轉(zhuǎn)臂動作過程中的位置及速度的設(shè)定是回轉(zhuǎn)臂控制的前提條件。回轉(zhuǎn)臂周期性工作，轉(zhuǎn)一圈為1個動作周期，在1個動作周期上有啟動位S、取料位P、帶載加速位A、與潤滑線干涉位B、干涉檢測位C、與限動干涉位D、帶載減速位E、放料位R、空載加速位F、與限動干涉結(jié)束位G、與撥出回轉(zhuǎn)臂干涉結(jié)束位H以及空載減速位I，共計12個位置點，如圖5所示，這些位置點都是控制的關(guān)鍵所在。

圖5　回轉(zhuǎn)臂動作過程中的12個位置示意

對于回轉(zhuǎn)臂速度設(shè)定，首先根據(jù)軋制節(jié)奏給出回轉(zhuǎn)臂動作時間，其次根據(jù)傳動計算出的電機轉(zhuǎn)速并結(jié)合工況要求來設(shè)定，本項目給定1個動作周期為9 s。由于最大芯棒質(zhì)量達31.7 t，因此取料及放料要輕，速度要慢，即P點、A點、R點、F點速度設(shè)定值為0.17 rad/s。對于加速到的最大速度則按照變頻電機在額定頻率時轉(zhuǎn)速值折算到傳動軸上的轉(zhuǎn)速來設(shè)定，本項目為1 rad/s。根據(jù)速度設(shè)定值與位置點即可繪制出速度曲線，即v-t曲線，如圖6所示。v-t曲線中加減速的斜率在調(diào)試中根據(jù)不同孔型、不同節(jié)奏時間進行了調(diào)整［11］。

圖6　回轉(zhuǎn)臂v-t曲線示意

4　電氣控制

電氣控制從屬于芯棒循環(huán)控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)采用ABB的AC800PEC系列，傳動系統(tǒng)采用ABB的ACS800系列，采用帶編碼器的直接轉(zhuǎn)矩控制，精確控制速度。為了保護鋼管表面，回轉(zhuǎn)臂在接管和放管時要“輕拿輕放”，同時為了滿足生產(chǎn)節(jié)奏，回轉(zhuǎn)臂需快速定位。

軟件系統(tǒng)采用步序控制功能塊，根據(jù)回轉(zhuǎn)臂的運動流程，將回轉(zhuǎn)臂的動作分成若干步序，步序之間由相應(yīng)條件觸發(fā)，完成回轉(zhuǎn)臂的動作流程。為了滿足生產(chǎn)節(jié)奏，減小回轉(zhuǎn)臂的運轉(zhuǎn)時間，其中的某些步序采用平方根定位控制。

位置控制原理如圖7所示，位置給定和位置反饋的誤差經(jīng)過平方根位置控制后得到被控對象的線速度，通過速度轉(zhuǎn)換函數(shù)進行轉(zhuǎn)換，經(jīng)過斜坡函數(shù)到傳動裝置及機械設(shè)備進行控制。當(dāng)位置控制進入比例調(diào)節(jié)區(qū)間范圍時，經(jīng)速度轉(zhuǎn)換函數(shù)出來的速度將直接給到傳動裝置［12］。

5　結(jié)論

回轉(zhuǎn)臂機構(gòu)是鋼管生產(chǎn)車間常用的物料移送設(shè)備，精確計算力能參數(shù)是設(shè)備正常運行的前提條件，特別對最大規(guī)格機組而言，由于負載大，回轉(zhuǎn)臂的電機力能計算尤為重要，電機功率選取的偏差往往會給熱試帶來麻煩。其中，回轉(zhuǎn)臂的位置及速度設(shè)定對整個動作的控制也是不可缺少的條件，要實現(xiàn)工藝要求做到輕拿輕放，需要在力能計算基礎(chǔ)上進行合理的位置及速度設(shè)定。

圖7　位置控制原理

［1］李群.天淮項目Φ508 mm PQF三輥連軋管機組熱試成功［J］.鋼管，2012，41（3）：23.

［2］伍家強.Φ508 mm PQF三輥連軋管機組的工藝裝備特點［J］.鋼管，2013，42（3）：44-50.

［3］肖永力，徐麗.斯惠頓杠桿的研究［J］.重型機械，1995，（1）：19-21.

［4］周紹英.電力拖動［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1999.

［5］陶維瑛.惠斯頓杠桿的設(shè)計與計算［J］.包鋼科技，2001，27（2）：59-61.

［6］哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)：Ⅰ［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［7］孫恒，陳作模.機械原理［M］.6版.北京：高等教育出版社，2003.

［8］成大先.機械設(shè)計手冊：第1卷［M］.5版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［9］西北工業(yè)大學(xué)機械原理及機械零件教研室.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［10］常治斌，張京輝.機械原理［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2007.

［11］吳裕隆.電機與電力拖動［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

［12］郭巨眾，史雪竹.無縫鋼管生產(chǎn)線的定徑控制系統(tǒng)［J］.冶金自動化，2008，32（S2）：668-670.

Modification of Drive for Inlet Table Rotary Arm of Φ508 mm PQF Pipe Mill

LI Enxue
（Jiangsu Tianhuai Steel Tube Co.，Ltd.，Huaian 223002，China）

Described in the article are the operation conditions as required for and the equipment structure of the inlet table kick-in rotary arms of the Φ508 mm PQF pipe mill.The electrical motor power for the arm device is calculated carefully for check.And setting of the positions and the speeds as required for the rotary arm movement process are elaborated.The rotary arm speed must be set up with combination of the three elements，i.e.，first the rotary arm movement time that is calculated based on the rolling cycle，then the electrical motor’s rpm as computed as per the arm rotations，and the operation conditions as well.As for how to accelerate the system to the maximum speed，it must be determined based on the drive spindle’s rotation rate as converted from the variable-frequency motor’s rpm under its rated frequency.

Φ508 mm PQF pipe mill；mandrel-transferring rotary arms；drive motor；energetic parameters；speed setting up

TG333.8搖搖

B搖

1001-2311（2016）02-0045-05

李恩學(xué)（1970-），男，高級工程師，設(shè)備能源部部長，主要從事軋管機組機電設(shè)備運行管理工作。

2015-09-01；修定日期：2015-12-03）