基于動(dòng)態(tài)負(fù)荷速度調(diào)節(jié)的拉矯機(jī)張力控制方法

徐長(zhǎng)安, 程軍周, 孫亞波, 趙流韻

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

拉伸彎曲矯直單元主要由拉伸彎曲矯直機(jī)(簡(jiǎn)稱“拉矯機(jī)”)和張力輥組組成,拉矯機(jī)是一種帶材平直度矯直設(shè)備，在張力輥拉伸和拉矯機(jī)連續(xù)交替反復(fù)彎曲的聯(lián)合作用下使帶材產(chǎn)生塑性延伸而獲得平直度矯直，能消除帶材的瓢曲、邊緣浪形和鐮刀彎等三元形狀缺陷，明顯提高板形質(zhì)量[1-6]。張力輥組是拉伸彎曲矯直單元的重要組成部分,可保證拉矯張力[7，8]，同時(shí)控制入口和出口張力輥組之間的速度差，得到帶材拉伸所需要的延伸率[9]。

控制系統(tǒng)必須盡快響應(yīng)加減速過(guò)程中帶材、張力輥組和拉矯機(jī)的慣量變化，否則帶材和輥?zhàn)又g會(huì)打滑，產(chǎn)生質(zhì)量缺陷[10]。本文提出的基于動(dòng)態(tài)負(fù)荷速度調(diào)節(jié)的拉伸彎曲矯直機(jī)張力控制方法，有效地提高了延伸率控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)精度，保證了帶材表面質(zhì)量，提高了輥?zhàn)訅勖?/p>

1 拉伸彎曲矯直原理

連續(xù)拉伸彎曲矯直綜合了連續(xù)張力矯直與輥式矯直的特點(diǎn)，是一種在張力輥組的拉伸和彎曲輥連續(xù)交替反復(fù)彎曲的聯(lián)合作用下使帶材產(chǎn)生塑性延伸而獲得矯直的工藝過(guò)程[11]。處于張力作用下的帶材，經(jīng)過(guò)彎曲輥劇烈彎曲時(shí)，由于彎曲應(yīng)力和拉伸應(yīng)力的聯(lián)合作用產(chǎn)生彈塑性延伸變形，從而使三元形狀缺陷得以消除，隨后再經(jīng)矯直輥將殘余曲率矯平[12]。

2 張力輥組及其控制

張力輥組一般由拉矯機(jī)入口和出口呈S形分布的張力輥組成，作用是使帶材產(chǎn)生一定的張力，后張力輥組的線速度高于前張力輥組，帶鋼的張力是由線速度差產(chǎn)生的。入口張力輥組的作用是提高入口段張力，使帶鋼達(dá)到所需的拉矯張力；出口張力輥組的作用是使帶鋼張力降低到拉矯后序工藝所需張力。常見(jiàn)的張力輥組一般有前二后二和前四后四兩種結(jié)構(gòu)形式[13,14]。張力輥的數(shù)目及布置形式?jīng)Q定于帶材矯直所需的最大拉矯張力和拉矯前后工序段帶鋼張力。張力輥的包角和輥面摩擦系數(shù)直接影響了張力輥前后的張力放大。為了更好的指導(dǎo)動(dòng)態(tài)負(fù)荷速度控制器輸出，對(duì)帶鋼拉矯張力進(jìn)行控制和調(diào)整，需要準(zhǔn)確計(jì)算根據(jù)包角關(guān)系計(jì)算得到的力矩負(fù)荷百分比。

張力輥張力和包角的關(guān)系如圖1所示。

圖1 張力輥張力和包角關(guān)系

式中，T1為入口張力；T2為出口張力；θ為張力測(cè)試點(diǎn)的包角；θ1為帶材包角。

兩輥式張力輥組張力分配關(guān)系如圖2所示。

式中，θ1為入口輥包角；θ2為出口輥包角。

圖2 兩輥式張力輥組張力分配關(guān)系

兩輥張力輥負(fù)荷及負(fù)荷率計(jì)算如下：

入口輥負(fù)荷

出口輥負(fù)荷

入口輥負(fù)荷率

入口輥負(fù)荷率

3 動(dòng)態(tài)負(fù)荷速度調(diào)節(jié)的張力輥張力分配

基于動(dòng)態(tài)負(fù)荷速度調(diào)節(jié)的拉伸彎曲矯直機(jī)張力控制方法應(yīng)用于某鍍錫板公司高速拉伸彎曲矯直機(jī)組，該機(jī)組速度設(shè)計(jì)500 m/min，帶材厚度為0.1～1.25 mm，拉矯機(jī)采用2彎2矯形式，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，張力輥采用入口四輥和出口四輥的形式，其布置圖如圖4所示。

圖3 2彎2矯形式高速拉伸彎曲矯直機(jī)結(jié)構(gòu)圖

張力輥負(fù)荷指的是每個(gè)單輥傳動(dòng)電機(jī)輸出扭矩占該電機(jī)理論最大扭矩的百分比。帶材在拉彎和矯直過(guò)程中，由于加減速和帶材晃動(dòng)產(chǎn)生的負(fù)荷變化，最終導(dǎo)致變頻器扭矩反饋值的變化稱為動(dòng)態(tài)負(fù)荷。按照帶材經(jīng)過(guò)張力輥組的順序如圖4所示，將8個(gè)張力輥分別命名為1#BR、2# BR、3# BR、4# BR、5# BR、6# BR、7# BR和8# BR[15]。其中，4# BR是入口張力輥組的速度基準(zhǔn)，是嚴(yán)格的速度閉環(huán)控制。5# BR是出口張力輥組的速度基準(zhǔn)，也是嚴(yán)格的速度閉環(huán)控制。在控制上，1#、2#、3# BR定義為4# BR的扭矩伺服軸，該伺服軸以各張力輥電機(jī)的動(dòng)態(tài)負(fù)荷為反饋，經(jīng)過(guò)非線性的控制調(diào)節(jié)器疊加速度調(diào)節(jié)量給定速度控制器輸入值。出口張力輥組和入口張力輥組原理相同。動(dòng)態(tài)負(fù)荷速度調(diào)節(jié)量算法如圖5所示。

圖4 張力輥組布置圖

圖5 動(dòng)態(tài)負(fù)荷速度調(diào)節(jié)量算法

在上述動(dòng)態(tài)負(fù)荷平衡控制要點(diǎn)得到成功應(yīng)用的某鍍錫板公司高速拉伸彎曲矯直機(jī)組中，1#BR功率采用75 kW、2# BR功率采用110 kW、3# BR功率采用160 kW、4# BR功率采用250 kW、5# BR功率采用250 kW、6# BR功率采用160 kW、7# BR功率采用110 kW、8# BR功率采用75 kW。入口張力輥組只有一個(gè)速度基準(zhǔn)，就是作為入口主輥的功率最大的4# BR；同樣出口張力輥組也只有一個(gè)速度基準(zhǔn)，即作為出口主輥的功率最大的5# BR，其余張力輥均處于從動(dòng)配合模式，實(shí)際生產(chǎn)中機(jī)組一直以500 m/min的輥面線速度長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

動(dòng)態(tài)負(fù)荷平衡控制原理圖如圖6所示，利用非線性的動(dòng)態(tài)負(fù)荷速度控制器輸出來(lái)控制每個(gè)張力輥的速度給定，使得每個(gè)張力輥能夠?qū)崿F(xiàn)嚴(yán)格的速度控制，而根據(jù)包角關(guān)系計(jì)算得到的力矩負(fù)荷百分比能夠指導(dǎo)動(dòng)態(tài)負(fù)荷速度控制器輸出，調(diào)整每個(gè)張力輥在加減速過(guò)程中克服帶材、張力輥和矯直機(jī)帶來(lái)的慣量變化，該方法能夠及時(shí)地把每個(gè)張力輥的力矩反饋信息補(bǔ)償進(jìn)速度控制器，利用速度環(huán)的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、高靜態(tài)響應(yīng)精度和魯棒性，使得整個(gè)控制系統(tǒng)表現(xiàn)出比傳統(tǒng)張力控制和速度PI調(diào)節(jié)方式更加優(yōu)秀的效果。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，給出了基于動(dòng)態(tài)負(fù)荷速度調(diào)節(jié)方法和恒張力控制方法控制延伸率的效果比較。帶材厚度0.1 mm，寬度1 200 mm，延伸率設(shè)定值1.0%，升速加速度0.33 m/s2，機(jī)組速度從0 m/min升速至500 m/min時(shí)的延伸率實(shí)際監(jiān)控PDA曲線，如圖7所示。由圖可知，機(jī)組速度達(dá)到15 m/min時(shí)候，基于動(dòng)態(tài)負(fù)荷速度調(diào)節(jié)方法控制的延伸率實(shí)際值在3 s左右快速達(dá)到延伸率的設(shè)定值1.0%，而恒張力方法需要6 s左右。整個(gè)延伸率閉環(huán)控制達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，基于動(dòng)態(tài)負(fù)荷速度調(diào)節(jié)方法控制延伸率達(dá)到穩(wěn)態(tài)僅需要5 s，而恒張力方法需要15 s左右。另外，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，基于動(dòng)態(tài)負(fù)荷速度調(diào)節(jié)方法控制延伸率超調(diào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)張力控制方法。同時(shí)，基于動(dòng)態(tài)負(fù)荷速度調(diào)節(jié)方法的穩(wěn)態(tài)誤差控制精度也高于恒張力方法。

圖6 張力輥負(fù)荷平衡控制原理圖

圖7 動(dòng)態(tài)負(fù)荷速度調(diào)節(jié)方法和恒張力控制方法比較

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于動(dòng)態(tài)負(fù)荷速度調(diào)節(jié)的拉伸彎曲矯直機(jī)張力控制方法，相比傳統(tǒng)的恒張力控制方法，使得延伸率動(dòng)態(tài)控制精度從0.5%提高到0.1%，動(dòng)態(tài)過(guò)程從15 s縮短至5 s，實(shí)現(xiàn)了加速過(guò)程延伸率穩(wěn)態(tài)控制。同時(shí)降低延伸率控制門檻至機(jī)組速度15 m/min。該方法已經(jīng)應(yīng)用在某鍍錫板公司高速拉伸彎曲矯直機(jī)組上，其響應(yīng)速度和魯棒性得到了很好的驗(yàn)證。并且?guī)Р谋砻尜|(zhì)量得到很好保證，有效地提高了帶鋼打滑的臨界點(diǎn)。