EP0513954A2 - Method of compensating the torque in a driving apparatus of a pilger mill - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Drehmomentausgleich am Antrieb eines über einen Kurbeltrieb linear hin- und herbewegten Walzgerüstes eines Pilgerschrittwalzwerkes, insbesondere Kaltpilgerwalzwerk.The invention relates to a method for torque compensation on the drive of a rolling stand of a pilgrim step rolling mill, which is linearly reciprocated via a crank drive, in particular a cold pilger rolling mill.
Die oszillierende Bewegung des Walzgerüstes eines Pilgerschrittwalzwerkes hat zur Folge, daß die kinetische Energie des Walzgerüstes über den Weg stark variiert. Ohne Gegenmaßnahmen würde der Kurbeltrieb zweimal je Periode den Motor überholen wollen, ihn also in den Generatorbetrieb bringen. Der sich daraus ergebende periodische Wechsel von Motor- und Generatorbetrieb wirkt sich verschleißfördernd auf den Motor aus und erhöht außerdem den Energieverbrauch des Walzwerkes. Die Energie, die der Motor dem Kurbeltrieb während des Generatorbetriebs entzieht, muß dem Kurbeltrieb während des darauffolgenden Motorbetriebes wieder zugeführt werden.The oscillating movement of the rolling stand of a pilgrim step rolling mill has the consequence that the kinetic energy of the rolling stand varies greatly over the path. Without countermeasures, the crank mechanism would want to overhaul the engine twice per period, i.e. bring it into generator operation. The resulting periodic alternation of engine and generator operation has a wear-promoting effect on the engine and also increases the energy consumption of the rolling mill. The energy that the engine extracts from the crank mechanism during generator operation must be fed back to the crank mechanism during the subsequent engine operation.
Weil aber die im Generatorbetrieb erzeugte elektrische Energie im Motorbetrieb nicht genutzt werden kann, hat dieser Energieanteil für den Betreiber des Walzwerkes den Charakter einer Scheinleistung, die die Betriebskosten unnötigerweise steigen läßt.However, because the electrical energy generated in generator operation cannot be used in motor operation, this energy portion has the character of an apparent power for the operator of the rolling mill, which increases the operating costs unnecessarily.
Um den periodischen Wechsel von Generator- und Motorbetrieb zu vermeiden, haben sich grundsätzlich zwei unterschiedliche Konstruktionen bewährt. So ist beispielsweise aus dem deutschen Patent 10 64 461 bekannt, den die Bewegung des Walzgerüstes erzeugenden Kurbeltrieb um einen ähnlichen Kurbeltrieb zu ergänzen, der um 90 Grad phasenverschoben betrieben wird. Ruf diese Weise kann ein ständiger Austausch kinetischer Energie zwischen beiden Kurbeltrieben stattfinden. Dieses Verfahren bietet zwar den Vorteil, daß die Kurbeldrehzahlen und das Kurbelmoment, somit auch Motordrehzahl und Motormoment über einen Bewegungszyklus nahezu konstant sind, doch hat es den Nachteil, daß der maschinenbauliche Aufwand sehr groß ist. Dies gilt auch für den Raumbedarf, weil im allgemeinen tiefe Fundamente erforderlich sind. Schließlich werden nur schwer ausgleichbare Massenkräfte höherer Ordnung erzeugt.In order to avoid the periodic alternation between generator and motor operation, two different designs have proven their worth. For example, it is known from German patent 10 64 461 to supplement the crank mechanism which generates the movement of the roll stand with a similar crank mechanism which is operated out of phase by 90 degrees. This way, there can be a constant exchange of kinetic energy between the two crank mechanisms. Although this method has the advantage that the crank speeds and the crank torque, and thus also the engine speed and engine torque, are almost constant over a movement cycle, it has the disadvantage that the mechanical engineering expenditure is very great. This also applies to the space requirement, because deep foundations are generally required. Finally, higher order inertial forces are difficult to balance.
Ein anderer Weg zur Lösung des Problemes sieht den Drehmomentausgleich durch Zwischenschaltung ungleichmäßig übersetzender Getriebe vor. Wenn man einen Kurbeltrieb, der ein Walzgerüst bewegt, auf eine bestimmte Drehzahl beschleunigt, und ihn dann vom Antrieb abkoppelt, wird sich die Drehzahl der Kurbelwelle periodisch ändern. Im Fall von Reibungsfreiheit wird diese Aussage für beliebig lange Zeiträume gelten. Setzt man nun zwischen den Antrieb und die Kurbelwelle ein ungleichmäßig übersetztes Getriebe, das bei konstanter Antriebsdrehzahl auf der Abtriebsseite genau den Drehzahlverlauf aufweist, den der Kurbeltrieb im nichtangetriebenen Zustand hätte, kann der Kurbeltrieb ebenfalls mit konstanter Motordrehzahl und konstantem Motormoment angetrieben werden. Das Zwischengetriebe muß die konstante Drehzahl in eine veränderliche Drehzahl umwandeln, die dem freien Drehzahlverlauf des Kurbeltriebes entspricht. Da die Drehzahlschwankungen des Kurbeltriebs von der jeweiligen Drehzahl abhängig sind, muß das Zwischengetriebe in seinem Übertragungsverhalten veränderlich sein.Another way of solving the problem is to compensate the torque by interposing unevenly geared transmissions. If you accelerate a crank drive that moves a roll stand to a certain speed and then disconnect it from the drive, the speed of the crankshaft will change periodically. In the case of freedom from friction, this statement will apply for any length of time. If you now place an unevenly geared transmission between the drive and the crankshaft, which at the constant drive speed on the output side has exactly the speed curve that the crank drive in non-driven state, the crank mechanism can also be driven at a constant engine speed and constant engine torque. The intermediate gear must convert the constant speed into a variable speed, which corresponds to the free speed curve of the crank mechanism. Since the speed fluctuations of the crank mechanism depend on the respective speed, the transmission behavior of the intermediate gear must be variable.
Ein Zwischengetriebe, das tatsächlich zum Drehmomentausgleich eingesetzt wird, ist das Kardangelenk, das durch Veränderung des Knickwinkels im Gelenk an die Drehzahlschwankungen angepaßt werden kann (Deutsches Patent 20 30 995).An intermediate gear that is actually used for torque compensation is the universal joint, which can be adapted to the speed fluctuations by changing the articulation angle in the joint (German Patent 20 30 995).
Letztgenanntes Verfahren hat ebenfalls zum Nachteil, daß ein großer konstruktiver Aufwand erforderlich ist, um die Einstellung des Drehmomentausgleichs auf eine bestimmte Drehzahl zu ermöglichen. Beim Wechsel auf eine andere Betriebsdrehzahl kommt der Motor wieder in den Generatorbetrieb, wenn nicht automatisch der Drehmomentausgleich angepaßt wird. Zudem läßt sich der Einfluß der Last auf den Drehmomentausgleich nicht berücksichtigen.The last-mentioned method also has the disadvantage that a great deal of design effort is required to enable the torque compensation to be set to a specific speed. When changing to a different operating speed, the engine returns to generator mode if the torque compensation is not automatically adjusted. In addition, the influence of the load on the torque compensation cannot be taken into account.
Ausgehend von dem geschilderten Stand der Technik und den beschriebenen Nachteilen ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Drehmomentausgleich zu schaffen, der den Generatorbetrieb des Motors der Antriebseinrichtung, also in Motordrehrichtung auf den Motor wirkende Drehmomente, sicher und mit geringem Bauaufwand vermeidet.Based on the described prior art and the disadvantages described, it is the object of the present invention to provide a torque compensation which safely and with little construction effort avoids the generator operation of the motor of the drive device, i.e. torques acting on the motor in the direction of motor rotation.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß dem Antriebsmotor der aus den kinematischen Abmessungen, den bewegten Massen sowie den äußeren Lasten rechnerisch ermittelte Drehzahlverlauf des Kurbeltriebes als Soll-Drehzahlverlauf vorgegeben wird.To achieve the object, it is proposed according to the invention that the speed curve of the crank mechanism, which is calculated from the kinematic dimensions, the moving masses and the external loads, is specified as the target speed curve for the drive motor.
Günstige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.Favorable embodiments of the invention are described in the subclaims.
Die Erfindung hat erkannt, daß ein optimaler Drehmomentausgleich zu verwirklichen ist, wenn die Soll-Drehzahl des Motors nicht kleiner wird, als die augenblickliche Ist-Drehzahl. Der Generatorbetrieb wird sicher vermieden, wenn die Soll-Drehzahl des Antriebsmotors stets der Drehzahl entspricht, auf die er gerade durch die Last beschleunigt oder verzögert wird. Um das sicherzustellen ist es notwendig, den sich einstellenden Drehzahlverlauf zu kennen. Dieser läßt sich genau vorausberechnen, wenn die kinematischen Abmessungen, die bewegten Massen und die äußeren Lasten bekannt sind. Der errechnete Drehzahlverlauf, den ein reibungsfreier Kurbeltrieb im mit konstantem Drehmoment angetriebenen Zustand aufweisen würde, wird dem Antriebsmotor als Soll-Drehzahlverlauf vorgegeben.The invention has recognized that an optimal torque compensation can be achieved if the target speed of the engine does not become less than the current actual speed. Generator operation is safely avoided if the target speed of the drive motor always corresponds to the speed to which it is being accelerated or decelerated by the load. To ensure this, it is necessary to know the speed curve that is set. This can be calculated precisely if the kinematic dimensions, the moving masses and the external loads are known. The calculated speed curve, which a friction-free crank drive would have in the state driven with constant torque, is given to the drive motor as the desired speed curve.
Die Erfindung bewirkt, daß Beschleunigungs- oder Bremsmomente nicht mehr vom Motor aufgebracht werden müssen. Im stationären Bereich arbeitet der Motor nur gegen die Reibungsverluste und die äußeren Lasten an. Bei fehlender äußerer Last arbeitet der Motor dann sogar nur gegen die nahezu konstanten Reibungsverluste an, das Motormoment ist dann ungefähr konstant.The invention has the effect that acceleration or braking torques no longer have to be applied by the engine. In the stationary area, the engine only works against friction losses and external loads. If there is no external load, the engine only works against the almost constant friction losses, the engine torque is then approximately constant.
Das vorgeschlagene System wird mit einem schnellen Rechner betrieben, der in Abhängigkeit von der jeweiligen Kurbelposition die Kurbeldrehzahl vorausberechnet und dem Antriebssystem mitteilt. Derartige Systeme, die die notwendige Regelgeschwindigkeit und Regelgenauigkeit erfüllen, sind Stand der Technik.The proposed system is operated with a fast computer which, depending on the respective crank position, calculates the crank speed in advance and communicates it to the drive system. Systems of this type which meet the necessary control speed and control accuracy are state of the art.
Um die Drehzahl berechnen zu können, sind im Rechner
- a) das reduzierte Massenträgheitsmoment Jred des Kurbeltriebes,
- b) die potentielle Energie Epot des Kurbeltriebes,
- c) die auf ein reduziertes Drehmoment ML an der Kurbel umgerechnete Last
- a) the reduced moment of inertia Jred of the crank mechanism,
- b) the potential energy epot of the crank mechanism,
- c) the load converted to a reduced torque ML on the crank
Der Arbeitsüberschuß ΔW ( φ ) ergibt sich zu
wobei das als konstant angenommene reduzierte Motormoment
dem mechanischen System Kurbeltrieb während einer Periode so viel Energie zuführt, wie ihm durch die übrigen äußeren Lasten entzogen wird.The working surplus ΔW (φ) results in
the reduced engine torque assumed to be constant
During a period, the mechanical system of the crank mechanism supplies as much energy as is withdrawn by the other external loads.
Dieses reduzierte Motormoment ist lediglich eine Rechengröße, es ist nicht zu verwechseln mit dem tatsächlichen Motormoment. Das tatsächliche Motormoment wird von dem "reduzierten Motormoment" zumindest um den Anteil zur Überwindung von Reibungsverlusten unterschiedlich sein.This reduced engine torque is only a calculation variable, it should not be confused with the actual engine torque. The actual engine torque will differ from the " reduced engine torque" at least by the proportion for overcoming frictional losses.
Der Startwert ω₀ auf dessen Kenntnis die Vorausberechnung des Winkelgeschwindigkeitsverlaufs ω(φ) basiert, muß iterativ bestimmt werden. Dazu wird ω₀ so lange verändert, bis die Bedingung
mit
With
Claims (3)
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Antriebsmotor der aus den kinematischen Abmessungen, den bewegten Massen sowie den äußeren Lasten rechnerisch ermittelte Drehzahlverlauf des Kurbeltriebes als Soll-Drehzahlverlauf vorgegeben wird.Method for torque compensation on the drive of a rolling stand of a pilgrim step rolling mill, in particular a cold pilger rolling mill, which is linearly reciprocated via a crank drive,
characterized,
that the drive motor of the calculated speed curve of the crank mechanism from the kinematic dimensions, the moving masses and the external loads is specified as the target speed curve.
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Berechnung der Soll-Drehzahlwerte das reduzierte Massenträgheitsmoment des Kurbeltriebes, die potentielle Energie des Kurbeltriebes und die auf ein reduziertes Drehmoment an der Kurbel umgerechnete Last als Funktion des Kurbelwinkels in einem schnellen Rechner abgelegt werden und ausgehend von der Kurbelwinkelgeschwindigkeit in einer bestimmten Position der Kurbel die Winkelgeschwindigkeiten für die übrigen Kurbelwinkel errechnet werden, wobei das Ergebnis zur Bildung des jeweiligen Drehzahlsollwertes verarbeitet dem Motor der Antriebseinrichtung mitgeteilt wird.Method according to claim 1,
characterized,
that to calculate the target speed values, the reduced moment of inertia of the crank mechanism, the potential energy of the crank mechanism and the load converted to a reduced torque on the crank are stored as a function of the crank angle in a fast computer and based on the crank angle speed in a specific position of the crank the angular velocities for the other crank angles are calculated, the result of the processing of the respective speed setpoint being communicated to the engine of the drive device.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Startwert der Kurbelwinkelgeschwindigkeit in der Ausgangsposition des Kurbelwinkels iterativ bestimmt wird.Method according to claim 1,
characterized,
that the starting value of the crank angle speed in the starting position of the crank angle is determined iteratively.
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