ITMI20120840A1 - Sistema di controllo per capsule idrauliche di laminatoio per corpi astiformi - Google Patents

Description

Domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“Sistema di controllo per capsule idrauliche di laminatoio per corpi astiformiâ€

DESCRIZIONE CAMPO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un sistema di controllo per capsule idrauliche durante il ciclo di lavorazione di tubi, barre, in generale di corpi astiformi in impianti di laminazione.

Stato della tecnica

I laminatoi per la laminazione longitudinale di tubi e per corpi astiformi in genere, comprendono gruppi di gabbie di laminazione a 2, a 3 o più rulli per gabbia. I rulli di ogni gabbia sono tenuti assemblati da una cartuccia che rende più agevole montare e smontare i rulli di laminazione. Nei laminatoi noti si prevede il cambio delle cartucce di lavoro in direzione parallela all'asse di laminazione o trasversale rispetto ad esso. In questo ultimo caso si realizza pertanto un cambio laterale delle cartucce rispetto alle gabbie di laminazione e in particolare in quei sistemi in cui le capsule idrauliche per la regolazione e controllo della pressione di laminazione sono rigidamente fissate al telaio esterno della gabbia, si prevedono delle lunghezze delle corse dei pistoni delle capsule tali da fare retrarre i pistoni delle capsule fuori dall'ingombro costituito dalla traiettoria percorsa dalla cartuccia portarulli durante l’estrazione laterale della stessa dal laminatoio. Tali corse di disingaggio possono variare in funzione del diametro massimo del tubo producibile dal laminatoio con valori indicativamente compresi tra 150 e 400 mm, il valore minimo essendo riferito a laminatoi per tubi da 4†1/2, il valore più grande a laminatoi per tubi da 20†. L’esperienza di laminazione mostra che tali valori comportano dei problemi per il sistema di controllo posizionale dei pistoni delle capsule idrauliche durante tutta la laminazione del tubo, ma più in particolare durante le fasi transitorie di imbocco e di scarico del tubo da ogni singola gabbia, quando le condizioni di pressione nella camera principale e nella camera anulare della capsula idraulica vengono modificate in modo repentino, passando da una condizione scarica ad una condizione di carico e viceversa allo scarico. La qualità della regolazione della posizione dei rulli di laminazione, ed in particolare la capacità del sistema di controllo di correggere in tempi brevissimi gli spostamenti dei rulli al variare dei carichi che agiscono su di essi dipende in gran misura dalia fìsica del sistema governata dalla corsa del pistone della capsula. È ben noto che all’aumentare della corsa della capsula il sistema fisico à ̈ più elastico, essendo le camere che contengono l'olio idraulico più grandi, di conseguenza diventa più difficile controllare oscillazioni e vibrazioni della posizione del pistone nella capsula specialmente durante i transitori. La tecnica nota, confortata da circa 20 anni di utilizzo di capsule con corsa inferiore a 150 mm, considera l’utilizzo di servovalvole a tre vie (Fig. 4) in cui la pressione e lo scarico sono connessi alla sola bocca A essendo quest’ultima connessa alla camera principale della capsula idraulica. La bocca B della servovalvola à ̈ chiusa e la camera anulare à ̈ alimentata mediante sistemi di valvole atti a cercare di garantire una pressione il più possibile costante nella camera anulare stessa. Qualora come nel caso del WO2011/132094, la corsa della capsula arrivi fino a 300 mm o oltre, fino a 400 mm, à ̈ necessario valutare quali siano gli accorgimenti necessari per non peggiorare drasticamente la funzionalità del sistema con evidenti ripercussioni sulla qualità del prodotto finale conseguenti a corse della capsula superiori a quelle normalmente utilizzate 120-160 mm. E’ pertanto sentita l’esigenza di realizzare un sistema di controllo per capsule idrauliche nella logica di ridurre la durata e l’entità dell’errore nel transitorio e che consenta di superare i suddetti inconvenienti.

Sommario dell'invenzione

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare una gabbia di laminazione per la laminazione di corpi astiformi, anche di grandi dimensioni, che soddisfi il requisito di ridurre la durata e l’entità dell’errore di posizione nel transitorio durante le fasi di imbocco e di scarico del tubo. La presente invenzione, pertanto, si propone di raggiungere gli scopi sopra discussi realizzando una gabbia di laminazione, secondo la rivendicazione 1 , definente un asse di laminazione, comprendente una struttura esterna fissa, una cartuccia porta-rulli, tre o più rulli di lavoro disposti nella cartuccia porta-rulli, la cartuccia porta-rulli essendo mobile da una posizione di lavoro all'interno della struttura esterna fissa, in corrispondenza di detto asse di laminazione, ad una posizione laterale di estrazione all’esterno della struttura fissa, in particolare per il cambio dei rulli di lavoro, in cui per ciascun rullo di lavoro à ̈ prevista almeno una rispettiva capsula idraulica rigidamente fissata alla struttura fissa per la regolazione della posizione radiale del rispettivo rullo di lavoro, avente una corsa di allontanamento dall’asse di laminazione sufficiente per consentire l’estrazione laterale di detta cartuccia porta-rulli, un sistema di controllo dei tre o più rulli di lavoro e dell’almeno una capsula idraulica, caratterizzato dal fatto che il sistema di controllo di posizione di detta almeno capsula idraulica comprende almeno una servovalvola del tipo a quattro vie.

Secondo l’invenzione nel caso di corse delle capsule superiori a 150 mm, ma anche eventualmente per corse inferiori, si procede sostituendo la servovalvola a tre vie con una di tipo a quattro vie. In queste servovalvole, in funzione della posizione controllata dello spool o otturatore della servovalvola, la pressione e lo scarico vengono messi in comunicazione con la bocca collegata alla camera principale o alla bocca col legata alla camera anulare. In tal modo durante le fasi transitorie la condizione di equilibrio che si instaura tra le due camere della capsula sarà molto diversa da quella corrispondente descritta per la servovalvola a tre vie.

Breve descrizione delle Figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, di un gabbia di laminazione illustrata a titolo esemplificativo e non limitativo con l'ausilio delle unite tavole di disegno in cui:

la Fig. 1 rappresenta una vista in sezione della gabbia di laminazione secondo l’invenzione;

la Fig. 2 rappresenta una vista in sezione di una capsula idraulica in posizione completamente aperta cioà ̈ estesa della gabbia di laminazione della Fig. 1 ;

la Fig. 3 rappresenta una vista in sezione della capsula idraulica della Fig. 2, in posizione chiusa cioà ̈ contratta; questa à ̈ la posizione assunta dalla capsula idraulica durante le operazioni di estrazione della cartuccia porta-rulli;

La Fig. 4 rappresenta uno schema di controllo della capsula idraulica della Fig. 3 mediante servovalvola a tre vie dello stato della tecnica;

La Fig. 5 rappresenta uno schema di controllo della capsula idraulica della Fig. 3 mediante servovalvola a quattro vie;

La Fig. 6 rappresenta una schema di servovalvola a quattro vie a due stadi;

La Fig. 7 rappresenta una schema di servovalvola a quattro vie a tre stadi.

Descrizione in dettaglio di una forma di realizzazione preferita dell’invenzione· Con riferimento alla Figura 1 à ̈ rappresentata una gabbia di laminazione 100 di un laminatoio a più gabbie comprendente, in questo esempio di realizzazione, ciascuna tre rulli di lavoro 2, motorizzati e disposti in una cartuccia porta-rulli 3. In ciascuna gabbia di laminazione 100, per ogni rullo di laminazione o rullo di lavoro 2, à ̈ prevista una capsula idraulica 4’, 4†per la regolazione della posizione radiale del rullo 2 rispetto all’asse di laminazione del laminatoio. Vantaggiosamente, le capsule idrauliche sono tutte con pistone avente una corsa di lavoro limitata e sono rigidamente fissate alla struttura esterna del laminatoio sulla quale scaricano le forze di reazione. In ciascuna gabbia di laminazione 100, una capsula idraulica 4’ à ̈ disposta orizzontalmente mentre le altre due capsule idrauliche 4†sono opportunamente inclinate rispetto all’asse verticale, preferibilmente di un angolo di /-30°, e configurate in modo da prevedere un’apertura del pistone tale da permettere l’estrazione della cartuccia porta-rulli 3 in direzione orizzontale (secondo l’asse S) dal lato opposto alla capsula idraulica 4' disposta orizzontalmente. Le capsule idrauliche 4†presentano una corsa che comprende a sua volta una corsa di lavoro per la regolazione della posizione radiale del rullo ed una corsa di allontanamento del pistone dall’asse di laminazione per consentire il cambio dei rulli, mediante l’estrazione della cartuccia porta-rulli 3 lateralmente rispetto alla gabbia di laminazione. E’ chiaro che à ̈ possibile prevedere che anche la capsula orizzontale sia identica alla capsula 4†senza uscire daN’insegnamento dell’invenzione, e senza pregiudicare il funzionamento del sistema. In Fig. 2 e 3 à ̈ rappresentata una delle tre capsule idrauliche 4 di una gabbia qualunque in posizione completamente aperta e in posizione chiusa. La posizione del pistone 20 delle capsule idrauliche 4 à ̈ controllata da un sistema di controllo con servovalvole a retroazione elettronica. Tale sistema deve essere in grado di rispondere velocemente alle repentine variazioni di pressione che si possono manifestare durante le fasi della lavorazione, in particolare durante le fasi di imbocco e di scarico del tubo da ogni singola gabbia. I laminatoi longitudinali dotati di capsule idrauliche dispongono, secondo la tecnica nota, di un trasduttore lineare di posizione che permette di conoscere in tempo reale e con precisione la posizione del pistone rispetto alla capsula, il segnale del trasduttore funge da retroazione per il controllo di posizione della capsula idraulica, controllo precedentemente basato su un microprocessore e una servovalvola a tre vie. In Fig. 4 à ̈ rappresentato uno schema di controllo 30 della capsula idraulica mediante servovalvola a tre vie 31. Come già spiegato, la tecnica nota, confortata da circa 20 anni di utilizzo di capsule con corsa inferiore a 150 mm, impiega servovalvole a tre vie in cui la pressione (P) e lo scarico (T) sono connessi alla sola bocca (A) essendo quest’ultima connessa alla camera principale 21 della capsula idraulica. La bocca (B) della servovalvola à ̈ tappata e la camera anulare 22 à ̈ alimentata mediante un sistema di valvole 32 atto a garantire una pressione il più possibile costante nella camera anulare. In questo schema la capsula idraulica ha bisogno di un sistema di valvole 32 per mantenere alimentata la camera anulare 22 a pressione costante, normalmente nella gamma di pressione di 60-90 bar. Tale valore di pressione comporta un valore corrispondente di pressione nella camera principale 21 della capsula idraulica di circa 30-45 bar. Questo valore di pressione, in funzione del tubo prodotto, alla presa di carico della gabbia, ovvero quando il tubo imbocca la stessa, aumenta improvvisamente a valori fino a 200-250 bar. L'aumento di pressione comporta una riduzione del volume dell’olio dovuto alla comprimibilità dello stesso che deve essere compensato introducendo nuovo olio nella camera principale. La compressione dell’olio genera automaticamente un cedimento della posizione del rullo che si apre di un’entità di circa 0,2-1 ,0 mm indicativamente. A tale cedimento corrisponde un ispessimento della testa del prodotto rispetto al corpo del tubo. Da notare che l’ispessimento della testa si ripercuote sulle gabbie successive che si trovano a laminare sezioni non adeguatamente ridotte dalle gabbie a monte. Il sistema di controllo di posizione, basato sulla retroazione del trasduttore di posizione si accorge dell’errore di posizione del pistone 20 e comanda la richiusura della posizione del rullo mediante estensione del pistone. Per ridurre l’effetto del cedimento all'imbocco delle capsule à ̈ pratica consolidata partire in attesa del tubo da una posizione più chiusa dei rulli di lavoro e, appena il sistema riconosce la condizione di impatto del materiale, ad esempio misurando l’aumento di pressione della camera principale tramite un trasduttore di pressione, il sistema di controllo porta il riferimento della posizione, con apposita legge di moto, al valore di posizione relativo alla condizione di laminazione stazionaria. Tale pratica à ̈ comunemente nota ai tecnici del ramo come compensazione all’impatto. Il vantaggio della compensazione all’impatto à ̈ quella di dimezzare circa i tempi di transitorio di imbocco. Comunque se consideriamo ad esempio un tubo che viene laminato a 5 m/s di velocità lineare, un transitorio di 80 ms comporta una zona ispessita di 400 mm sulla testa del tubo. E’ quindi chiaro che tutte le precauzioni devono essere prese nel sistema e nella logica di controllo per ridurre la durata e l’entità dell’errore nel transitorio. La corsa di lavoro delle capsule idrauliche 4’ e 4†deve essere opportunamente limitata al fine di poter garantire un’adeguata prontezza del sistema di controllo di posizione della capsula stessa. La qualità della regolazione, ed in particolare la sua capacità di rispondere in tempi brevi all’errore di posizione, dipende sia dall’anello di controllo del regolatore normalmente di tipo PID = Proporzionale, Integrativo, Derivativo, sia, come abbiamo già descritto, dalla fisica del sistema governata dalla corsa della capsula, dalla dimensione dei tubi, dalla dimensione della servovalvola, dalla posizione del blocco idraulico connesso alla capsula, dal sistema di pompaggio della centrale idraulica e dalla presenza o meno di accumulatori in grado di ridurre le variazioni. E ben noto che aumentare della corsa della capsula il sistema fisico à ̈ più elastico e di conseguenza il sistema di controllo dovrà avere guadagni del PID limitati per evitare oscillazioni e vibrazioni della posizione della capsula. Questo problema può essere alleviato sostituendo, nel sistema di controllo, la servovalvola a tre vie 31 con una servovalvola a quattro vie 41 , avente lo schema indicato in Fig.5. La servovalvola a quattro vie 41 in pratica combina le funzioni di due valvole a tre vie, alimentando una camera della capsula e ponendo a scarico iDaltra e viceversa. In queste servovalvole in funzione della posizione controllata dello spool o otturatore della servovalvola, la pressione (P) e lo scarico (T) vengono messi in comunicazione con la bocca (A) collegata alla camera principale 21 o alla bocca (B) collegata alla camera anulare 22. In Fig. 6 à ̈ rappresentato uno schema di servovalvola a quattro vie a due stadi 200. In questa figura con 201 e 202 viene indicata la bobina e l'armatura di un solenoide. In questo schema il sistema di comando elettronico 209 agisce su un attuatore che impiega il fluido del sistema idraulico 210 per pilotare la valvola principale. Sempre nella Fig. 6 con 203 viene indicato il condotto del getto e con 204 l’ugello, con 205 le linee che portano il getto alle porte di controllo 206 per il controllo dell'otturatore 207, infine con 208 viene indicato il trasduttore di posizione che misura la posizione dell’otturatore 207 e manda il segnale all’anello di controllo di posizione 209. Una corrente elettrica tramite la bobina 201 sposta l'armatura 202 dalla sua posizione neutra muovendo in tal modo l’ugello del condotto 203 e dirigendo un getto fluido verso un lato del circuito idraulico 205 creando una differenza di pressione nella porta 206 e muovendo così l’otturatore 207, la cui posizione viene misurata dal trasduttore di posizione 208. In Fig. 7 à ̈ rappresentato uno schema di servovalvola a quattro vie a tre stadi 300. Lo stadio pilota 301 muove l’otturatore 302, la cui posizione à ̈ controllata dall’anello di controllo 305, della servovalvola pilota che a sua volta muove l’otturatore 303, la cui posizione à ̈ controllata dall’anello di controllo 304, della servovalvola principale. Questo tipo di servovalvola a due o più stadi si rende necessaria appunto in servovalvole di grandi dimensioni che operano nei sistemi ad alta pressione. Usando una servovalvola a quattro vie durante le fasi di attesa tubo, la condizione di equilibrio che si instaura tra le due camere della capsula idraulica sarà molto diversa da quella corrispondente descritta per la servovalvola a tre vie in quanto la pressione in camera principale sarà superiore ai 100 bar, quella in camera anulare ai 200 bar. Alla presa di carico, l’olio à ̈ già pressurizzato nella camera principale, e comunque uno spostamento del pistone nel senso del cedimento, cioà ̈ dell’apertura dei rulli comporterà un istantaneo abbassamento della pressione della camera anulare, cosa intrinsecamente favorevole alla stabilità del sistema e al recupero dell’errore di posizione. Il disegno delle luci della servovalvola congiuntamente con il disegno dell’otturatore possono garantire prestazioni dinamiche della servovalvola diverse, senza pregiudicare il fatto che l’utilizzo di una servovalvola a quattro vie risulta comunque in un controllo più reattivo rispetto a quello che si otterrebbe con una servovalvola a tre vie dì disegno corrispondente. E’ possibile con questo sistema, continuare ad applicare le stesse metodologie di controllo della capsula ma con un sistema fortemente più dinamico, capace di reagire in modo veloce e preciso alle alterazioni dinamiche provenienti dai rulli stessi siano esse variazioni di forza che di posizione. Risulta chiaro al tecnico del ramo che, senza uscire dall’ambito dell'invenzione, l’utilizzo della servovalvola a quattro vie risulta vantaggioso in tutti i casi in cui la corsa della capsula sia maggiorata o l’applicazione specifica richieda una dinamica incrementata, quindi anche nel caso di gabbia con cambio assiale dei rulli di lavoro.

Claims (3)

1. RIVENDICAZIONI 1. Gabbia di laminazione (100) definente un asse di laminazione, comprendente una struttura esterna fissa (13), una cartuccia porta-rulli (3), tre o più rulli di lavoro (2) disposti nella cartuccia porta-rulli (3), la cartuccia porta-rulli (3) essendo mobile da una posizione di lavoro all’interno della struttura esterna fissa (13), in corrispondenza di detto asse di laminazione, ad una posizione laterale di estrazione all’esterno della struttura fissa, in particolare per il cambio dei rulli di lavoro, in cui per ciascun rullo di lavoro (2) à ̈ prevista almeno una rispettiva capsula idraulica (4, 4’, 4†) rigidamente fissata alla struttura fissa per la regolazione della posizione radiale del rispettivo rullo di lavoro, avente una corsa di allontanamento dall’asse di laminazione sufficiente per consentire l’estrazione laterale di detta cartuccia porta-rulli, un sistema di controllo dei tre o più rulli di lavoro e dell’almeno una capsula idraulica, caratterizzato dal fatto che il sistema di controllo di posizione di detta almeno capsula idraulica comprende almeno una servovalvola (41 , 200, 300) del tipo a quattro vie.
2. 2. Gabbia di laminazione (100) secondo la rivendicazione 1, in cui la posizione delle capsule idrauliche (4, 4', 4†) à ̈ controllata da detta almeno una servovalvole (41, 200, 300) in funzione della retroazione del segnale di un trasduttore di posizione (208) che misura la posizione di un otturatore (207, 303) di detta almeno una servovalvola (41, 200, 300) e manda un segnale ad un anello di controllo di posizione (209).
3. 3. Gabbia di laminazione (100), secondo la rivendicazione 2, in cui la posizione controllata dell'otturatore (207, 303) mette in comunicazione la pressione (P) e lo scarico (T) con una bocca (A) collegata alla camera principale (21) o a una bocca (B) collegata alla camera anulare (22) delle capsule idrauliche (4, 4’, 4†).