重卷線收卷機(jī)卷徑和張力計(jì)算

陳忠坤

摘 要： 以福欣特殊鋼重卷線為例，介紹了收卷機(jī)的卷徑計(jì)算和收卷機(jī)張力計(jì)算。該方法對(duì)冷軋重卷線收卷機(jī)的設(shè)計(jì)的有很好的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 收卷機(jī)；重卷；收卷卷徑；收卷張力

0.引言：

福欣特殊鋼重卷機(jī)組是冷軋產(chǎn)品的重要一道工序，用于將厚度1.3mm—10.0mm的鋼卷進(jìn)行重卷，檢查，分卷，裁切頭尾等功能?？蓪?shí)現(xiàn)2.0mm和8.0mm的鋼卷進(jìn)行修邊。以西門子的設(shè)備和控制系統(tǒng)為主。產(chǎn)線的張力控制設(shè)備有：開卷機(jī)；整平機(jī)；張力送料輪；修邊機(jī)；張力機(jī)；收卷機(jī)。而收卷機(jī)是其中最重要的張力控制設(shè)備之一，收卷機(jī)能否正常工作以及收卷效果的好壞直接關(guān)系產(chǎn)品的質(zhì)量和安全生產(chǎn)。本文特別介紹了收卷機(jī)的卷徑計(jì)算和張力計(jì)算。

1. 卷徑的測(cè)量和計(jì)算

收卷機(jī)卷徑是收卷機(jī)張力控制中非常重要的參數(shù)。卷徑計(jì)算的收卷機(jī)的核心，張力、電流、速度也與卷徑有密切關(guān)系。所以卷徑直接影響著控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。

主要因?yàn)樵谑站磉^程中隨著鋼卷直徑不斷發(fā)生改變，造成收卷機(jī)轉(zhuǎn)速不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致馬達(dá)電流、功率改變。而且由于鋼卷直徑不斷發(fā)生變化，造成系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化。為了達(dá)到動(dòng)態(tài)控制收卷機(jī)張力的目的， 必須要得到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的收卷機(jī)卷徑數(shù)值。因此有必要探討準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)卷徑獲取問題 。

1.1 激光偵測(cè)直徑

采用德國(guó)SICK 中量程激光測(cè)距傳感器，可實(shí)時(shí)檢測(cè)鋼卷的直徑。激光工作時(shí)，先由激光二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，因此它能檢測(cè)極其微弱的光信號(hào)。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間，即可測(cè)定目標(biāo)距離。激光測(cè)距安裝方便，成本低。但是傳感器由于對(duì)光源和粉塵很敏感，通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)不適用于冷軋廠的工作環(huán)境。最終將該方法進(jìn)行了排除。

1.2 限位開關(guān)測(cè)算卷徑

在現(xiàn)場(chǎng)的收卷機(jī)的主軸空卷而且膨脹最大的時(shí)候，卷筒卷徑為610mm。收卷機(jī)的主軸側(cè)邊安裝限位開關(guān)，當(dāng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)，可測(cè)出鋼卷在收卷上的運(yùn)行的圈數(shù)n。鋼卷的厚度為δ，δ可以通過上制程在L2系統(tǒng)中直接下發(fā)。

則收卷機(jī)的直徑為：D=δ·2·n+610 （1）

正常情況下 ， 用上式計(jì)算出收卷機(jī)的卷徑是準(zhǔn)確的。但是，當(dāng)限位開關(guān)出現(xiàn)異常，不能正確測(cè)得脈沖。用上式的卷徑則會(huì)有偏差 ， 導(dǎo)致計(jì)算的張力產(chǎn)生偏差 。此方法在實(shí)踐過程，通過研究可在圖控上起卷徑的顯示參考，同時(shí)可以作為實(shí)際計(jì)算卷徑異常的補(bǔ)充。

1.3 實(shí)際計(jì)算卷徑方法

重卷系統(tǒng)中在導(dǎo)向輥及卷取電機(jī)的主軸上各裝一臺(tái)脈沖編碼器，不考慮打滑的情況下，由于導(dǎo)向輥與卷筒之間的張力，相同時(shí)間段內(nèi)通過導(dǎo)向輥的鋼卷長(zhǎng)度和卷筒收卷的鋼卷長(zhǎng)度是相等。根據(jù)V1=V2 （2）

因?yàn)閂1=ω1·R1 （3）

且V2=ω2·R2 （4）

因?yàn)橄嗤瑫r(shí)間段內(nèi)通過導(dǎo)向輥的鋼卷長(zhǎng)度和卷筒收卷的鋼卷長(zhǎng)度是相等。

則L1/Δt=L2/Δt （5）

則n1·C1=i·n2·C2 （6）

（6）式中n1：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)牽引電機(jī)運(yùn)行的圈數(shù)；n2：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)收卷電機(jī)運(yùn)行的圈數(shù)；C1：導(dǎo)向輥周長(zhǎng)；C2：收卷盤頭的周長(zhǎng)； i：齒輪箱減速比

且C=π·D （7）

將（7）帶入（6）得n1·π·D1=n2·π·D2/i （8）

D2=n1·D1·/（n2·i） （9）

因?yàn)閚2=ΔP2/P2 （10）

（10）式ΔP2：收卷機(jī)編碼器產(chǎn)生的脈沖數(shù)、P2：收卷機(jī)編碼器的線數(shù)。取n1=1，即導(dǎo)向輥轉(zhuǎn)一圈，由限位開關(guān)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)接到PLC。

將（10）式代入（9）式得D2=D1·P2/（ΔP2·i） （11）

不過在運(yùn)行中導(dǎo)向輥上檢測(cè)到鋼卷滑動(dòng)或是收卷取機(jī)編碼器突然產(chǎn)生故障時(shí)，也可以臨時(shí)切換到使用限位測(cè)算卷徑方式進(jìn)行卷徑計(jì)算，以保證卷徑測(cè)量誤差始終在允許的范圍內(nèi)，確保重卷機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定 。

2.收卷機(jī)系統(tǒng)的張力計(jì)算

收卷機(jī)的張力測(cè)算應(yīng)特別慎重，張力的變化對(duì)鋼卷的影響很大。選擇張力太大會(huì)造成鋼卷過緊，造成鋼帶拉伸變形甚至斷裂，嚴(yán)重的造成無法出料，需要拆卸主軸才能退料。張力太小會(huì)使鋼卷的層與層之間由于應(yīng)力變形，造成收卷不整齊，導(dǎo)致鋼卷跑偏，或者松卷的情況，影響產(chǎn)品外觀和質(zhì)量。

2.1收卷機(jī)單動(dòng)、寸動(dòng)，全線寸動(dòng)張力

收卷機(jī)在運(yùn)行中有單動(dòng)，寸動(dòng)，全線寸動(dòng)，聯(lián)動(dòng)模式。收卷機(jī)只有轉(zhuǎn)三圈或者當(dāng)收卷機(jī)的直徑》650mm時(shí)候才開始建張。鋼卷鋼卷的厚度不同，需要的張力也不一樣。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出表1所示。

表1中收卷機(jī)張力為收卷機(jī)的聯(lián)動(dòng)的初始設(shè)定張力。通板張力為收卷機(jī)區(qū)域入料的張力，由于收卷機(jī)的單動(dòng)和寸動(dòng)過程都收卷機(jī)單臺(tái)機(jī)械的運(yùn)作，張力的變化也平穩(wěn)。

全線寸動(dòng)，運(yùn)行過程中速度的大小都是固定的，目前重卷機(jī)組的全線寸動(dòng)的速度都是設(shè)定為15m/min。張力的變化不大，需要在單動(dòng)/寸動(dòng)張力上增加5N/mm^2。且需要在停機(jī)時(shí)候給予張力補(bǔ)償，補(bǔ)償大小為20%。

2.1收卷機(jī)聯(lián)動(dòng)張力

收卷機(jī)聯(lián)動(dòng)建張，此時(shí)收卷機(jī)張力的設(shè)定與計(jì)算的特別重要。要保證收卷過程的平穩(wěn)性，隨鋼卷厚度和直徑變化，進(jìn)行張力的改變。同時(shí)在啟動(dòng)、停車、升速、減速過程中都需要進(jìn)行張力的補(bǔ)償。

當(dāng)收卷機(jī)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，首先要克服靜摩擦力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，為靜摩擦轉(zhuǎn)矩。靜摩擦轉(zhuǎn)矩只在啟動(dòng)的瞬間起作用，在系統(tǒng)啟動(dòng)后就消失了。正常運(yùn)行時(shí)要克服滑動(dòng)摩擦力產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩，滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償在系統(tǒng)運(yùn)行的整個(gè)過程中都應(yīng)該起作用的，并且隨著速度的改變而改變。同時(shí)收卷機(jī)在降速、升速、停車時(shí)候都需要克服系統(tǒng)慣性，進(jìn)行張力的補(bǔ)償。

所以，收卷機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為靜摩擦張力+滑動(dòng)摩擦張力+負(fù)載張力。在加速時(shí)還要加上加速?gòu)埩ρa(bǔ)償；在減速時(shí)要減去減速?gòu)埩ρa(bǔ)償。停機(jī)時(shí)候也需要進(jìn)行停機(jī)張力補(bǔ)償。

收卷機(jī)的張力的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為

1.靜摩擦張力補(bǔ)償：是以計(jì)算后馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩乘以一定的百分比進(jìn)行補(bǔ)償。

2.滑動(dòng)摩擦張力補(bǔ)償：補(bǔ)償量的大小與運(yùn)行的速度有關(guān)系，同時(shí)和收卷機(jī)的直徑有關(guān)。所以在程序中處理時(shí)，要分段進(jìn)行張力補(bǔ)償，程序上分四段進(jìn)行補(bǔ)償。

3.升速、降速、停機(jī)張力補(bǔ)償：補(bǔ)償以收卷機(jī)馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)矩為標(biāo)準(zhǔn)。相應(yīng)的補(bǔ)償比例應(yīng)該比較穩(wěn)定，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行增減。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)升速時(shí)候張力補(bǔ)償15%；降速時(shí)候張力補(bǔ)償25%；停機(jī)時(shí)候張力補(bǔ)償20%。

收卷機(jī)的的負(fù)載張力根據(jù)板厚和直徑等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行變化。

A=T·B （12）

T為收卷機(jī)的單位張力，T隨著直徑的變化和速度的變化而實(shí)時(shí)改變。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐測(cè)試出：當(dāng)收卷機(jī)直徑從610mm到1000mm時(shí)候，張力平滑衰減5%；當(dāng)收卷機(jī)直徑從1000mm到1500mm時(shí)候，張力平滑衰減7.5%；當(dāng)收卷機(jī)直徑從1500mm到2000mm時(shí)候，張力平滑衰減15%，B為鋼卷寬度。

C=δ·D/2 （13）

D為鋼卷直徑；δ為鋼卷厚度

E=A/η=A/0.9 （14）

F=C/i （15）

G=1.027·RPM （16）

RPM為收卷機(jī)的速度，通過變頻器控制測(cè)算得出

M1=4·P/G （17）

P為收卷機(jī)的功率，該重卷機(jī)組為400kw

M2=E/M1 （18）

M2為收卷機(jī)的張力百分比

M=M2·F/100 （19）

M為收卷機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，即收卷機(jī)輸出目前的扭矩比。

3.結(jié)語

在重卷機(jī)組運(yùn)行過程中，采用基于編碼器測(cè)量的卷徑計(jì)算方法，對(duì)收卷機(jī)的卷徑進(jìn)行測(cè)算，同時(shí)用限位開關(guān)測(cè)算卷徑進(jìn)行補(bǔ)充。這種卷徑測(cè)算組合具有所需成本低、計(jì)算精度高、異常問題少等一系列優(yōu)點(diǎn)。在福欣冷軋廠酸洗機(jī)組、重卷機(jī)組得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，收卷機(jī)張力的計(jì)算在重卷機(jī)組中得到實(shí)踐。對(duì)于類似的機(jī)組有良好的借鑒參考作用。

參考文獻(xiàn)

[1]稚飛，胡健.卷取機(jī)的張力計(jì)算[J].有色金屬加工，2004，33（5）：56-57.

[2]王玉芬 劉惠康 李志千.卷取機(jī)恒張力控制策略[J].電氣自動(dòng)化化，2011，33（4）：10-11.

[3]付艷鵬.帶鋼卷取張力控制研究[D].武漢科技大學(xué)：2005.