CN100441490C - 一种开头夹送辊的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于重卷机组中的连续精整机组的一台设备，即一种新型开头夹送辊的控制方法及装置。其特征是：它采用双辊传动，在机组穿带工作时，上辊抬压油缸带动同步机构驱动上夹送辊压下，此时上夹送辊与下夹送辊压紧，由电机与齿轮箱驱动，实现张力开卷，上下两辊起夹送辊的作用；在机组联动运行时，上辊抬压油缸带动同步机构驱动上夹送辊抬起，上夹送辊与下夹送辊打开，上夹送辊或下夹送辊起导向作用，实现开卷机上开卷或下开卷。它同时具有上开卷或下开卷的功能，还兼有导向辊与夹送辊的多重功能，而且又消除了带材表面划伤现象的发生，也使得机组结构紧凑，控制简单。

Description

一种开头夹送辊的控制方法及装置

所属技术领域

本发明属于重卷机组中的连续精整机组的一台设备，即一种新型开头夹送辊的控制方法及装置。

背景技术

目前重卷机组中通常采用上开卷或下开卷方式开卷，并且是单辊传动。为保证机组运行过程中导向辊与带材之间不打滑，导向辊必须要有一足够大的包角，以便在导向辊与带材之间形成足够大摩擦力来克服机组在升速、快停以及紧急制动过程中由于导向辊转动惯量引起的惯性力，以此避免在导向辊与带材发生打滑现象而划伤带材。同时在机组中还须设有张力夹送辊夹送带材，使得机组设备庞大，控制复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型开头夹送辊的控制方法及装置，它同时具有上开卷或下开卷的功能，还兼有导向辊与夹送辊的多重功能，而且又消除了带材表面划伤现象的发生，同时使得机组结构紧凑，控制简单。

本发明的技术方案是：设计一种新型开头夹送辊的控制方法及装置，其特征是：它采用双辊传动，在机组穿带工作时，上辊抬压油缸带动同步机构驱动上夹送辊压下，此时上夹送辊与下夹送辊压紧，由电机与齿轮箱驱动，实现张力开卷，上下两辊起夹送辊的作用；在机组联动运行时，上辊抬压油缸带动同步机构驱动上夹送辊抬起，上夹送辊与下夹送辊打开，上夹送辊或下夹送辊起导向作用，实现开卷机上开卷或下开卷。

所述的机组穿带工作时，一个辊子上的电动扭矩M_d为：

M_d≥PR/2+Jε_z

式中：P-夹送辊产生的夹送张力，N；

R-辊子半径，m；

J辊子的转动惯量，Kg·m²；

ε_z机组正常升速或减速时辊子的角加速度，rad/s²。

所述的机组正常加速时的电动扭矩M_d为：

Jε_z-QRf≤M_d≤Jε_z+QRf

式中：Q-带材在张力状态下与辊子之间的正压力；

f-带材表面与辊子表面的摩擦系数。

所述的机组正常减速时，除带材与辊子表面形成的摩擦扭矩具有两向性外，其余力矩都与机组正常加速时的力矩方向相反，其电动扭矩M_d的计算公式仍然为：

Jε_z-QRf≤M_d≤Jε_z+QRf

所述的辊子的转动惯量J的计算公式为：

$J=0.5\mathrm{\πL}[(R_0^4-R_1^4){\mathrm{\ρ}}_1+(R_1^4-R_2^4){\mathrm{\ρ}}_2]$

式中：L-辊子的当量长度，m；

R₀-辊子包覆层外半径，m；

R₁-辊子钢筒外半径，m；

R₂-辊子钢筒内半径，m；

ρ₁-为包覆层聚氨酯的密度，Kg/m³；

ρ₂-为钢的密度，Kg/m³。

所述的正压力Q的计算公式为：

Q＝(2F²(1-cosα))^1/2

式中：F-机组的最小开卷张力，N；

α-带材在转向辊上的包角，

式中：

-开卷机的卷材外径，m；

H-开卷机卷筒中心与开头夹送辊中心水平投影之距离，m。

所述的开头夹送辊装置，主要由摆动导板、开头机本体、传动装置组成；它的左右机架1中间对称连接在拉杆5两端，机架1底部固定有底座2，上辊抬压油缸6的底座固定在机架1上，油缸连接在同步机构16上，上夹送辊3传动连接上辊万向接轴7，下夹送辊4传动连接下辊万向接轴8，上辊万向接轴7传动连接上辊减速器9，上辊减速器9传动连接上辊联轴器10，上辊联轴器10传动连接上辊传动电机11，下辊万向接轴8传动连接下辊联轴器13，下辊联轴器13传动连接下辊联轴器14，下辊联轴器14传动连接下辊传动电机15，上辊传动电机11、下辊传动电机15固定连接下辊减速器12，下夹送辊4只能转动，不能上下运动，上夹送辊3既能转动又能在机架1的夹送辊窗口上下滑动。

所述的机架1的夹送辊窗口内连接有同步机构16，上辊抬压油缸6与同步机构16传动连接，上夹送辊3、下夹送辊4连接在同步机构16的轴承座上，所述的机架上有夹送辊窗口；夹送辊包括上夹送辊3和下夹送辊4，其下夹送辊4固定在机架1上，上夹送辊3由液压缸驱动，滑动连接在机架的窗口内。

所述的夹送上夹送辊3的抬起和压下分别由两个接近开关检测控制，接近开关固定在机架上。

所述的摆动导板包括伸缩刮板、摆动液压缸、伸缩液压缸；摆动液压缸驱动摆动导板以下辊轴为转轴上下摆动，以便刮板对准带头；下开卷时，摆动液压缸驱动摆动导板先摆动到下开卷位置，伸缩液压缸再驱动刮板向前伸缩到达所需工作位置；上开卷时，伸缩液压缸驱动刮板缩回，再摆动到上开卷工作位置，摆动导板伸缩刮板的下限位置，伸缩刮板的缩回位置分别由两个接近开关检测控制。

本发明特点是：这种新型开头夹送辊的工艺过程是采用双辊传动，在机组穿带工作时，上辊抬压油缸带动同步机构驱动上夹送辊压下，此时上夹送辊与下夹送辊压紧，由电机与齿轮箱驱动，与开卷机建立开卷张力，实现张力开卷，上下两辊起夹送辊的作用；在机组联动运行时，上辊抬压油缸带动同步机构驱动上夹送辊抬起，上夹送辊与下夹送辊打开，上夹送辊或下夹送辊起导向作用，实现开卷机上开卷或下开卷。同时，夹送辊辊面与带材之间不能产生打滑，否则将造成废品。本发明通过对重卷机组在升速、减速、快停以及急停等过程中夹送辊与带钢之间进行动力学分析，提出了新型开头夹送辊消除启制动惯性效应的电机扭矩调节及控制方法。这种双辊传动开头夹送辊通过控制电机输出扭矩来克服辊子惯性效应的设计理念，既满足了重卷机组上/下开卷的工艺要求，又消除了带材表面划伤现象的发生，同时使得机组结构紧凑，控制简单。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1是张力开卷时辊子承受的扭矩分析图。

图2是匀速运转时辊子承受扭矩分析图。

图3是正常加速时辊子承受扭矩分析图。

图4是正常减速时辊子承受扭矩分析图。

图5是电机运转速度及扭矩变化规律图。

图6是开头夹送辊结构示意图。

图7是机架结构示意图。

图8是是重卷机组系统框图。

具体实施方式

下面是开头夹送辊六种不同运行状态的电动扭矩的计算。

1、机组采用张力开卷时，上、下夹送辊由液压缸驱动压紧作为夹送辊。为实现顺利开卷，夹送辊必须产生6KN的夹送张力。

图1是这种情况下辊子承受的扭矩分析图。

图中：I.开卷机卷筒上的带材；II.下夹送辊；III.上夹送辊。

如图所示，机组穿带时，一个辊子上的电动扭矩M_d为：

M_d≥PR/2+Jε_z+(T+G)df_d/2(1)

式中：M_d-一个辊子上的电动扭矩，N·m；

T-由油缸施加于上、下两辊子之间的压紧力，N；

G-上辊的重力，N；

d-轴承的当量直径，m；

f_d-所选用轴承的摩擦系数。

根据工程经验，式(1)中的(T+G)df_d/2不及张力开卷需要扭矩的1％，可忽略不计，对计算结果几乎没有影响。因此，式(1)可以简化表达为：

M_d≥PR/2+Jε_z           (2)

2、图2是匀速运转时，辊子承受扭矩图。在机组匀速运行状态下，带材和辊子表面既不能产生前滑也不能产生后滑，这样其电动扭矩M_d为：

QRf≤M_d≤QRf            (3)

式中：Q-带材在张力状态下与辊子之间的正压力，N；

f-带材表面与辊子表面的摩擦系数。

3、图3是机组正常升速时，辊子承受扭矩分析图。因此，在机组正常升速时的电动扭矩M_d为：

Jε_z-QRf+(G-Q)df_d/2≤M_d≤Jε_z+QRf+(G-Q)df_d/2(4)

根据工程经验，轴承产生的摩擦扭矩(G-Q)df_d/2不到2N·m，与其它分量比较，该项完全可以忽略不计。因此，式(4)可以简化为：

Jε_z-QRf≤M_d≤Jε_z+QRf                      (5)

4、图4是正常减速时，辊子承受扭矩分析示意图。

机组正常减速时，除带材与辊子表面形成的摩擦扭矩具有两向性外，其余力矩都与机组正常加速时的力矩方向相反。因此其电动扭矩的计算公式仍然为：

Jε_z-QRf≤M_d≤Jε_z+QRf

5、在机组快速停机状态下，辊子承受的扭矩方向与正常减速时扭矩方向一致，只是快停时辊子的角加速度与正常减速时的角加速度的大小发生了变化。带材表面和辊面之间也不能产生打滑。此时，辊子的电动扭矩M_d应为：

Jε_k-QRf≤M_d≤Jε_k+QRf

式中：ε_k快停状态下辊子的角加速度，rad/s²。

6、在机组急速停机状态下，辊子电动扭矩的计算公式与快速停机的计算公式一致，只是二者辊子角加速度不同而已。

有关参数的计算：

1、辊子转动惯量J的计算公式如下：

$J=0.5\mathrm{\πL}[(R_0^4-R_1^4){\mathrm{\ρ}}_1+(R_1^4-R_2^4){\mathrm{\ρ}}_2]---\left(6\right)$

2、正压力Q的计算公式如下：

Q＝(2F²(1-cosα))^1/2                        (7)

3、辊子角加速度ε的计算公式：

ε＝(ω₁-ω₀)/(Δt)                         (8)

式中：ω₀-变速(加、减速)前的辊子的角速度，rad/s；

ω₁-变速(加、减速)后的辊子的角速度，rad/s；

Δt-变速的时间，s。当ω₁＝0时，Δt为停车时间。

当机组匀加速或匀减速运行时，辊子角加速度ε的计算公式也可表达为：

ε＝(v₁-v₀/(Rt)                             (9)

式中：v₀-变速(加、减速)前的机组速度，m/s；

v₁-变速(加、减速)后的机组速度，m/s；

t-变速(加、减速)的时间，s。当v₁＝0时，t为停车时间。

以上角加速度的计算结果取绝对值，仅计算其量纲关系，在实际应用中具有方向性。

实施例计算：实施例根据鞍钢冷轧厂新3#生产线-重卷机组的实际工艺要求，给出一具体算例及结果。具体参数如下：

(1)夹送张力：P＝6KN

(2)机组最小开卷张力：F＝12KN

(3)夹送辊半径：R＝0.3m

(4)夹送辊重量：G＝15000N

(5)开卷机卷筒中心与夹送辊辊子中心水平方向之距离：H＝2.5m

(6)最小卷径：

(7)机组最高速度：v_max＝400m/min

(8)正常加、减速时间：20s；

快停时间：8s；

急停时间：4s

基于上述参数，开头夹送辊的电动扭矩调整范围及计算结果如下表所示：

传动电机的运转状态分析

1、基于上述计算结果，从上表中序号2、3、4三项可以看出：当机组匀速运行时，辊子转动惯量形成的扭矩为0，明显小于带材与辊面之间的摩擦形成的扭矩的绝对值，因此，即使电机输出扭矩为0，带材也不可能在导向辊上产生前滑或后滑；当机组正常加速或减速运行时，辊子转动惯量在此过程中形成的阻碍机组加速或减速的扭矩也小于带材与辊面之间摩擦形成的扭矩的绝对值，因此，在机组正常加速或减速过程中，带材也不可能在导向辊上产生前滑或后滑。当机组处于以上三种运行状态时，无须在辊子上施加电动扭矩。

从表中序号5、6可以看出：在快停与急停过程中，由于辊子的角加速度大幅提高，辊子的转动惯量在此过程中形成的阻碍辊子减速的扭矩大于带材与辊面间摩擦形成的扭矩的绝对值，带材表面和转向辊辊面之间必然产生相对滑动，对带材的表面可能造成划伤。因此，必须在快停与急停过程中按照式(5)的计算结果对转向辊施加一个电动扭矩。

2、基于上述分析，开头夹送辊的电动机运转速度及扭矩在整个运转过程中的变化规律如图5所示。

图5中，1’、作夹送辊，速度阶跃给定；2’、正常加速斜率(20s)；3’、正常减速斜率(20s)；4’、快速停机斜率(8s)；5’、紧急停机斜率(4s)；6’、作夹送辊，速度阶跃反馈；7’、正常加速斜率(20s)；8’、正常减速斜率(20s)；9’、快速停机斜率(8s)；10’、紧急停机斜率(4s)；11’、作夹送辊扭矩；12’、正常加速扭矩；13’、稳速工作扭矩；14’、正常减速扭矩；15’、快速停机扭矩；16’、紧急停机扭矩。

电机功率的确定

由于开头夹送辊独特的工作条件：低速大扭矩启动，零扭矩或小扭矩高速运转，速度变化范围广(v＝0-400m/min)，与机组联动等，因此选用交流变频电机驱动夹送辊工作。电机功率为：

P＝M_dn/9550(KW)            (10)

考虑到电机与变频器的价格因素，选用功率为11KW，8极同步转速为750r/min，弱磁能力为2倍的交流变频调速电机(基速对应200m/min，弱磁对应400m/min)。

控制方法

为使开头夹送辊实现导向辊与夹送辊的双重功能，我们在实际中应用了如下两种控制方法：

1、作夹送辊使用：在穿带过程中，电机扭矩不受限制，电流限幅打开，它是标准的速度控制方式。

2、作导向辊使用：电机扭矩根据前面的计算进行一定的限制。它是一个电流限幅的速度控制系统。由于在动态和稳态时所需的扭矩不同，所以扭矩限制又分为两种情况：

在动态加、减速过程中，扭矩限幅约为额定扭矩的50％-70％；

在稳态匀速运行时，扭矩限幅约为额定扭矩的0-15％。

这样就使开头夹送辊在工作中既克服了自身的惯量而不会使夹送辊与带材之间产生打滑，又很好地实现了导向与夹送带材的双重功能。

图8是重卷机组系统框图，图中：17、开卷机；18、开头夹送辊装置；19、切头剪；20、固盘剪；21、送料辊；22、分切剪；23、导向辊；24、卷取机；25、交流矢量变频器；26、机组PLC。

重卷机组系统的功能是将轧机轧制后的大钢卷经圆盘剪纵向切边后，并经分切剪分成几个小卷，然后包装，供给所需用户。

图6是开头夹送辊装置结构示意图，图中：1、机架；2、底座；3、上夹送辊；4、下夹送辊；5、拉杆；6、上辊抬压油缸；7、上辊万向接轴；8、下辊万向接轴；9、上辊减速器；10、上辊联轴器；11、上辊传动电机；12、传动底座；13、下辊减速器；14、下辊联轴器；15、下辊传动电机；16、同步机构。如图6所示，开头机主要由摆动导板、开头机本体、传动装置等组成。开头机本体包括机架1、底座2、上夹送辊3、下夹送辊4、拉杆5、上辊抬压油缸6和同步机构16；传动装置包括上辊万向接轴7、下辊万向接轴8、上辊减速器9、上辊联轴器10、上辊传动电机11、传动底座12、下辊减速器13、下辊联轴器14、下辊传动电机15。左右机架1中间对称连接在拉杆5两端，机架1底部固定有底座2，上辊抬压油缸6的底座固定在机架1上，油缸连接在同步机构16上，上夹送辊3传动连接上辊万向接轴7，下夹送辊4传动连接下辊万向接轴8，上辊万向接轴7传动连接上辊减速器9，上辊减速器9传动连接上辊联轴器10，上辊联轴器10传动连接上辊传动电机11，下辊万向接轴8传动连接下辊联轴器13，下辊联轴器13传动连接下辊联轴器14，下辊联轴器14传动连接下辊传动电机15，上辊传动电机11与下辊传动电机15固定连接传动底座12，下夹送辊4只能转动，不能上下运动，上夹送辊3既能转动又能在机架1的夹送辊窗口上下滑动。上辊抬压油缸6与同步机构16传动连接，上夹送辊3的两端轴径连接在同步机构16的轴承座上。

图7是机架结构示意图，如图7所示机架1为焊接式钢结构件，其上加工有夹送辊窗口。夹送辊包括上夹送辊3和下夹送辊4，其下夹送辊4固定在机架1上，上夹送辊3由液压缸驱动，可在机架1的窗口内上下滑动升降。上夹送辊3与下夹送辊4分别由一台交流变频电机驱动。上夹送辊3调整采用螺丝调整垫装置调节，防止带材跑偏。在机架上与上夹送辊3的抬起和压下位置相对应处固定有接近开关，开头夹送辊的上夹送辊3的抬起和压下分别由两个接近开关检测控制。开头夹送辊的传动装置包括交流变频电机、联轴器、齿轮减速机、万向接轴和底座2。两台电机分别通过联轴器，经过减速机及万向接轴驱动上下夹送辊将带材向前夹送。摆动导板包括伸缩刮板、摆动液压缸、伸缩液压缸。摆动液压缸驱动摆动导板以下辊轴为转轴上下摆动，以便刮板对准带头。下开卷时，摆动液压缸驱动摆动导板先摆动到下开卷位置，伸缩液压缸再驱动刮板向前伸缩到达所需工作位置。上开卷时，伸缩液压缸驱动刮板缩回，再摆动到上开卷工作位置。在机架1与上摆动导板伸缩刮板的上、下限位置相对应处固定有检测开关，摆动导板伸缩刮板的下限位置，伸缩刮板的缩回位置分别由两个接近开关检测控制。

Claims (10)

1、一种开头夹送辊的控制方法，其特征是：它采用双辊传动，在机组穿带工作时，上辊抬压油缸带动同步机构驱动上夹送辊压下，此时上夹送辊与下夹送辊压紧，由电机与齿轮箱驱动，实现张力开卷，上下两辊起夹送辊的作用；在机组联动运行时，上辊抬压油缸带动同步机构驱动上夹送辊抬起，上夹送辊与下夹送辊打开，上夹送辊或下夹送辊起导向作用，实现开卷机上开卷或下开卷。

2、根据权利要求1所述的一种开头夹送辊的控制方法，其特征是：所述的机组穿带工作时，一个辊子上的电动扭矩Md为：

M_d≥PR/2+Jε_z

式中：P-送辊产生的夹送张力，N；

R-子半径，m；

J-辊子的转动惯量，Kg·m²；

ε_z-机组正常升速或减速时辊子的角加速度，rad/s²。

3、根据权利要求1所述的一种开头夹送辊的控制方法，其特征是：所述的机组正常加速时的电动扭矩M_d为：

Jε_z-QRf≤M_d≤Jε_z+QRf

式中：Q-材在张力状态下与辊子之间的正压力；

f-带材表面与辊子表面的摩擦系数。

4、根据权利要求1所述的一种开头夹送辊的控制方法，其特征是：所述的机组正常减速时，除带材与辊子表面形成的摩擦扭矩具有两向性外，其余力矩都与机组正常加速时的力矩方向相反，其电动扭矩M_d的计算公式仍然为：

Jε_z-QRf≤M_d≤Jε_z+QRf

5、根据权利要求2所述的一种开头夹送辊的控制方法，其特征是：所述的辊子的转动惯量J的计算公式为：

$J=0.5\mathrm{\πL}[(R_0^4-R_1^4){\mathrm{\ρ}}_1+(R_1^4-R_2^4){\mathrm{\ρ}}_2]$

式中：L-辊子的当量长度，m；

R₀-辊子包覆层外半径，m；

R₁-辊子钢筒外半径，m；

R₂-辊子钢筒内半径，m；

ρ₁-为包覆层聚氨酯的密度，Kg/m³；

ρ₂-为钢的密度，Kg/m³。

6、根据权利要求3所述的一种开头夹送辊的控制方法，其特征是：

所述的正压力Q的计算公式为：

Q＝(2F°(1-cosα))^1/2

式中：F-机组的最小开卷张力，N；

a-带材在转向辊上的包角，a＝sin^-1(d_φ/2H)

式中：d_φ-开卷机的卷材外径，m；

H-开卷机卷筒中心与开头夹送辊中心水平投影之距离，m。

7、根据权利要求1所述的一种开头夹送辊的控制方法，设计的开头夹送辊装置，其特征是：开头夹送辊装置，主要由摆动导板、开头机本体、传动装置组成；它的左右机架(1)中间对称连接在拉杆(5)两端，机架(1)底部固定有底座(2)，上辊抬压油缸(6)的底座固定在机架(1)上，油缸连接在同步机构(16)上，上夹送辊(3)传动连接上辊万向接轴(7)，下夹送辊(4)传动连接下辊万向接轴(8)，上辊万向接轴(7)传动连接上辊减速器(9)，上辊减速器(9)传动连接上辊联轴器(10)，上辊联轴器(10)传动连接上辊传动电机(11)，下辊万向接轴(8)传动连接下辊联轴器(13)，下辊联轴器(13)传动连接下辊联轴器(14)，下辊联轴器(14)传动连接下辊传动电机(15)，上辊传动电机(11)、下辊传动电机(15)固定连接下辊减速器(12)，下夹送辊(4)只能转动，不能上下运动，上夹送辊(3)既能转动又能在机架(1)的夹送辊窗口上下滑动。

8、根据权利要求7所述的开头夹送辊装置，其特征是：所述的机架(1)的夹送辊窗口内连接有同步机构(16)，上辊抬压油缸(6)与同步机构(16)传动连接，上夹送辊(3)、下夹送辊(4)连接在同步机构(16)的轴承座上，所述的机架上有夹送辊窗口；夹送辊包括上夹送辊(3)和下夹送辊(4)，其下夹送辊(4)固定在机架(1)上，上夹送辊(3)由液压缸驱动，滑动连接在机架的窗口内。

9、根据权利要求7所述的开头夹送辊装置，其特征是：所述的夹送上夹送辊(3)的抬起和压下分别由两个接近开关检测控制，接近开关固定在机架上。

10、根据权利要求7所述的开头夹送辊装置，其特征是：所述的摆动导板包括伸缩刮板、摆动液压缸、伸缩液压缸；摆动液压缸驱动摆动导板以下辊轴为转轴上下摆动，以便刮板对准带头；下开卷时，摆动液压缸驱动摆动导板先摆动到下开卷位置，伸缩液压缸再驱动刮板向前伸缩到达所需工作位置；上开卷时，伸缩液压缸驱动刮板缩回，再摆动到上开卷工作位置，摆动导板伸缩刮板的下限位置，伸缩刮板的缩回位置分别由两个接近开关检测控制。

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