ITMI20132170A1 - Sistema di smorzamento attivo di vibrazioni di un laminatoio - Google Patents

Description

Deposito di una domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo:

SISTEMA DI SMORZAMENTO ATTIVO DI VIBRAZIONI DI UN LAMINATOIO

Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un sistema di smorzamento di vibrazioni di una gabbia di laminazione, in particolare per la laminazione di nastri a freddo.

Stato della tecnica

Nella laminazione a freddo di nastri si utilizzano gabbie di laminazione comprendenti, come mostrato in Figura 1, almeno una coppia di rulli o cilindri 1, T di lavoro o di laminazione che sono direttamente in contatto con il nastro durante la laminazione. Uno dei due rulli di lavoro è sovrapposto all’altro verticalmente.

Tale configurazione è limitata nelle forze applicabili per la deformazione elastica dei rulli stessi. Per ovviare a questo inconveniente si utilizzano gabbie di laminazione comprendenti più rulli di cui almeno due rulli di laminazione 1 , 1’ e due rulli di appoggio 10, 10’ che contrastano la deformata elastica dei rulli di laminazione 1, T che sono destinati ad essere a diretto contatto con il materiale da laminare, come nello schema della Figura 1b.

Sono note altre configurazioni di gabbie di laminazione della tecnica nota, in cui due rulli sono rulli di lavoro, due rulli sono rulli intermedi e due rulli sono rulli di appoggio. Sono ulteriormente note configurazioni a più cilindri o rulli, di cui alcune sono illustrate, solo come esempio, nelle Figure 1c, 1 d, 1e.

Ogni gabbia di laminazione è dotata di diversi attuatori idraulici, tra cui:

- due cilindri idraulici posti, per esempio, sulla sommità della gabbia oppure sotto la gabbia, ed agenti sulle guarniture d’appoggio per regolare la distanza tra i rulli di lavoro e di conseguenza il controllo dello spessore del nastro in laminazione;

- quattro o più cilindri idraulici di flessione per ciascuna guarnitura dei rulli di lavoro, definenti un cosiddetto sistema di controllo di bending, che agendo sulle guarniture dei rulli di lavoro ne modificano la deformata elastica permettendo il controllo della planarità del nastro in laminazione.

La forza di laminazione è applicata sui colli dei rulli d’appoggio per controllare lo spessore del nastro in laminazione, mentre ulteriori forze sono applicate, mediante il sistema di controllo di bending, sulle guarniture dei rulli di lavoro allo scopo di controllare la planarità del nastro in laminazione.

Il sistema di bending è controllato attraverso servo valvole che controllano la pressione nelle camere dei cilindri idraulici di flessione al fine di ottenere l’entità desiderata di deformazione elastica dei rulli di lavoro.

Le servo valvole che controllano il bending dei rulli presentano tempi di risposta dell’ordine dei 50 a 200 ms con frequenze di taglio inferiori ai 50 Hz.

La velocità di laminazione definisce la capacità di ogni singolo laminatoio, poiché tendenzialmente tutti i laminatoi tentano di laminare per il maggior tempo possibile a velocità prossime alle massime ottenibili dalla catena cinematica e consentite dalla potenza installata sull’impianto.

Durante la laminazione si possono generare delle forzanti che in alcune condizioni possono innescare risonanze principalmente nel senso verticale di disposizione dei rulli di lavoro.

Tali forzanti possono essere generate da:

- il nastro stesso per le sue variazioni intrinseche di spessore o durezza;

- variazioni dell’attrito nel vano di laminazione specialmente quando si arriva a velocità limite con rischio di rottura anche temporanea del film di lubrificazione;

- difettosità indotte nei rulli di lavoro durante le operazioni di rettifica;

- condizioni non adeguate della meccanica della gabbia quali usure, giochi tra i vari componenti e cuscinetti a rotolamento danneggiati.

- la contemporanea laminazione di materiale duro accompagnata da una forte riduzione di spessore ed alta velocità di laminazione.

Le gabbie di laminazione come ogni componente meccanico hanno delle frequenze proprie di risonanza. Se dette forzanti presentano frequenze vicine o coincidenti a/con tali frequenze proprie di risonanza, si possono indurre dei fenomeni di vibrazione.

Tali fenomeni si manifestano con un movimento dei rulli, in direzione trasversale alla direzione di laminazione, cioè si manifestano in direzione verticale e possono raggiungere ampiezze incontrollabili e non adeguate al processo di laminazione.

Tali fenomeni sono noti col termine anglosassone chattering e possono generare difetti superficiali quali marcature chiare/scure del nastro o variazioni di spessore che comportano lo scarto del nastro laminato, dipendendo le difettosità dal modo di vibrare della gabbia.

Solitamente al fine di evitare difettosità o rotture del nastro in laminazione che possono comportare danneggiamenti alla gabbia di laminazione, chi controlla il processo di laminazione, rilevando un fenomeno di chattering, riduce la velocità di laminazione oppure applica procedure di smorzamento di tale fenomeno.

Nella tecnica si conoscono due principali tipologie di chattering conosciute come vibrazioni della terza o della quinta ottava.

La risonanza della terza ottava avviene a frequenze comprese tra 100 e 200 Hertz, mentre quelle della quinta ottava avvengono a frequenze comprese tra 500 e 700 Hertz.

Tali fenomeni sono caratterizzati da modi di vibrazione diversi: una risonanza di terza ottava induce un primo modo di vibrare in cui un rullo di lavoro ed il relativo rullo di appoggio si muovono concordemente, mentre i rulli superiori ed inferiori vibrano in controfase tra loro; una risonanza di quinta ottava induce un secondo modo di vibrare, in cui i rulli di lavoro vibrano mentre i rulli di appoggio sono fermi.

Quando durante la laminazione avvengono questi fenomeni di risonanza, la velocità di laminazione può essere ridotta dal 20 al 50% della velocità di progetto del laminatoio.

Il chattering è quindi un notevole problema per l’operatività dei laminatoi perché, oltre a provocare lo scarto del prodotto, ne riduce notevolmente la capacità produttiva. Data l'importanza del problema, il fenomeno del chattering in laminazione è stato oggetto di intensa attività di studio e sperimentazione.

Attraverso l’applicazione di sensori di vibrazione o velocimetri, opportunamente montati sulle gabbie di laminazione, è possibile individuare l’innesco di un fenomeno di risonanza e segnalarlo al fine di anticipare il più possibile il rallentamento del laminatoio.

Tali sistemi sono attualmente utilizzati in modo totalmente automatico e permettono una costante e continua verifica del livello di vibrazione del laminatoio, favorendo anche i piani di manutenzione preventiva dello stesso.

Tali sistemi permettono di minimizzare lo scarto qualitativo, ma non risolvono il problema legato alla riduzione della capacità produttiva dell’impianto di laminazione. E’ stata oggetto di studio la realizzazione di sistemi di smorzamento attivo o passivo delle vibrazioni al fine di consentire laminazioni a velocità sempre più vicine a quelle di progetto dei laminatoi.

Sommario dell'invenzione

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un sistema di smorzamento delle vibrazioni di risonanza di un laminatoio a freddo, che sia semplice e di facile realizzabilità, pur mantenendo una elevata efficacia.

Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di fornire un sistema di smorzamento delle vibrazioni di risonanza di un laminatoio, alternativo e migliorativo rispetto aN’arte nota, che garantisca una maggiore complessiva semplicità del sistema e dimensioni ridotte.

E’ oggetto della presente invenzione un sistema di smorzamento attivo di vibrazioni per una gabbia di laminazione, in particolare per la laminazione di nastri, che comprende due o più rulli di lavoro con rispettive guarniture, il sistema di smorzamento comprendente, conformemente alla rivendicazione 1 , una pluralità di attuatori idraulici aventi rispettivi pistoni mobili agenti su dette guarniture; un circuito idraulico di alimentazione di detta pluralità di attuatori idraulici; uno o più iniettori in detto circuito idraulico per attuare uno smorzamento attivo delle vibrazioni dei rulli di lavoro, iniettando olio in pressione in una rispettiva camera degli attuatori idraulici sotto il controllo di una unità di controllo elettronica.

Vantaggiosamente gli iniettori, che sono di tipo piezoelettrico per avere una risposta più rapida ed efficace nello smorzare le vibrazioni di una gabbia di laminazione a freddo di nastro, sono disposti direttamente nel corpo o in diretta vicinanza degli attuatori idraulici al fine di migliorare ancora di più la risposta del sistema idraulico. Le rivendicazioni dipendenti descrivono forme di realizzazione preferite della presente invenzione.

Breve descrizione delle Figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, di un sistema di smorzamento attivo delle vibrazioni di risonanza di un laminatoio, in particolare un laminatoio a freddo per nastri, illustrato a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio delle unite tavole di disegno in cui:

le Figg. 1a - 1e mostrano alcuni esempi di configurazioni di gabbie di laminazione dello stato dell’arte a cui è possìbile applicare un sistema di smorzamento attivo delle vibrazioni secondo la presente invenzione;

la Fig. 2 mostra modi di vibrare di una gabbia di laminazione senza sistema di smorzamento attivo;

la Fig. 3 mostra due grafici rappresentanti rispettivamente dall’alto una variazione di spessore di un nastro laminato nel tempo ed un andamento di una forzante nel medesimo tempo che determina detta variazione di spessore; con una linea tratteggiata verticale è individuato un istante temporale di instaurazione del fenomeno e con una linea orizzontale tratteggiata è indicato un limite di rottura del nastro;

la Fig. 4 rappresenta schematicamente, conformemente alla presente invenzione, esempi di ulteriori tre grafici, di cui dall’alto una variazione di spessore di un nastro laminato nel tempo, un andamento di una forzante nel medesimo tempo che determina detta variazione di spessore e un andamento di un’azione smorzante tesa ad eliminare l’effetto di detta forzante;

la Fig. 5 mostra uno schema di implementazione del sistema di smorzamento attivo dell’invenzione alle guarniture di una gabbia di laminazione di un laminatoio;

la Fig. 6 rappresenta uno schema di un particolare del sistema di smorzamento attivo dell’invenzione in una prima variante di realizzazione,

la Fig. 7 rappresenta uno schema di un particolare del sistema di smorzamento attivo dell’invenzione in una seconda variante di realizzazione alternativa alla precedente, la Fig. 8 rappresenta uno schema di un particolare del sistema di smorzamento attivo dell’invenzione in una terza variante di realizzazione alternativa alle precedenti.

Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti.

Descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite dell’invenzione

Con riferimento ad una gabbia del tipo della Figura 2, è mostrato un modello semplificato dinamico di una gabbia di laminazione di nastro. In essa sono riportati tipici modi di vibrazione della gabbia a differenti valori di frequenza: in particolare, in quell'esempio, i modi di vibrare si ottengono per frequenze di 132, 174, 544, 666 Hz che dipendono dalle caratteristiche dimensionali ed elastiche della gabbia presa in esame. Dunque, al variare dei parametri di massa, rigidezza elastica e smorzamento, le frequenze naturali di risonanza cambiano, essendo noto che ogni gabbia di laminazione ha proprie frequenze di risonanza.

Grazie allo smorzamento attivo della presente invenzione, indipendentemente da condizioni transitorie o stazionarie che generano l'instabilità, la forzante Fv viene cancellata per effetto della opposta smorzante Fs.

Nella Fig. 3 è presentato un esempio di vibrazione risonante della terza ottava quando il sistema di smorzamento attivo dell’invenzione è disabilitato oppure non è previsto, in particolare nel grafico superiore della Figura 3 è mostrata una variazione di tolleranza di spessore del nastro che nel punto dove si innesca il chattering, indicato da una linea verticale tratteggiata, inizia ad uscire dalle condizioni ottimali indicate da una banda che solitamente è di /- 2pm, per cui lo spessore diventa instabile in quanto la risonanza avviene ad una frequenza più alta rispetto alla banda passante del sistema di controllo della planarità del laminatoio. Nel grafico più in basso della Figura 3 è mostrato un andamento della forzante che induce tali variazioni di tolleranza. Dunque, in casi del genere lo spessore del nastro laminato subisce variazioni che possono raggiungere e superare i /- 50 pm, con il rischio di rotture del nastro stesso.

Inoltre, in Figura 2 sono mostrati schematicamente i modi di vibrare di una gabbia di laminazione comprendente i due rulli di lavoro 1, 1’ e due soli rulli di appoggio 10, 10’, quando il sistema di smorzamento attivo dell’invenzione è assente o disabilitato.

L’invenzione prevede l’integrazione di un dispositivo di smorzamento attivo delle vibrazioni, come qui sotto descritto in dettaglio, nel dispositivo di controllo della flessione dei rulli di lavoro 1 e 1’ , cioè nel sistema di controllo della planarità dei rulli di lavoro (bending).

Con riferimento alla configurazione schematica del sistema di smorzamento attivo della Figura 5, è illustrata la guarnitura 20 di un rullo di lavoro 1 superiore ma, per semplicità di comprensione, non è illustrata la guarnitura del rullo di lavoro 1’ inferiore, che è uguale alla guarnitura 20 ma disposta in modo simmetrico. Gli estremi 20a, 20b della guarnitura 20 sono disposti rispettivamente tra i pistoni 3’, 3”, 3’”, 3<iV>degli attuatori idraulici 2’, 2”, 2’” e 2<IV>, denominati anche semplicemente cilindri di bending. In particolare il movimento degli attuatori idraulici 2’, 2”, 2’” e 2<IV>è coordinato in modo che ad un sollevamento del rullo 1 superiore corrisponde un abbassamento del rullo V inferiore e viceversa. Per fare ciò le coppie di attuatori 2’, 2" e 2”’, 2<lv>lavorano in modo coordinato tra loro in un medesimo verso di avvicinamento/allontanamento reciproco, mentre le coppie di attuatori idraulici, che operano sulla guarnitura del rullo inferiore 1’, non illustrate, lavorano in modo coordinato tra loro in un medesimo avvicinamento/allontanamento reciproco.

I cilindri di bending 2’, 2”, 2’”, 2<IV>sono alimentati, in modo classico, da una linea di azionamento 11 che preleva l’olio da una centrale idraulica 9 (in Figura 5 il collegamento tra linea dì azionamento 11 e centrale idraulica 9 non è illustrato).

Per ciascun cilindro di bending 2’, 2”, 2”’, 2<IV>sono inoltre previsti uno o più rispettivi iniettori 8', 8”, 8’”, 8<IV>, comandati mediante mezzi meccanici, come in Fig. 6, oppure mediante valvole a solenoidi come in Fig. 8. Preferibilmente gli iniettori sono di tipo piezoelettrico, come illustrato nello schema di Fig. 7, permettendo una tale variante di realizzazione di avere una reazione molto migliore al controllo. Gli iniettori mettono in comunicazione le camere 6’, 6”, 6’”, 6<IV>dei cilindri di bending 2’, 2”, 2’”, 2<IV>con un ramo in alta pressione 12 del circuito idraulico previsto nell’impianto di laminazione. L’iniettore 68, illustrato nello schema di Fig. 6, che è comandato meccanicamente mediante una camma che agisce con una forza di azionamento diretta nel verso della freccia 61 , presenta una valvola 62 di tipo a solenoide di controllo dell’olio in pressione, comandata in sincronia con l’azione della camma iniettando olio dall’orifizio 65 nella camera 6’, 6”, 6’", 6<IV>, secondo la legge di smorzamento attivo che produce lo smorzamento attivo delle vibrazioni al fine di eliminare il fenomeno di chattering.

L’iniettore 88, illustrato nello schema della Fig. 8 simile a quello della Fig. 6, prevede il controllo dell’iniezione dell’olio mediante la valvola idraulica a solenoide 82 e inietta l’olio nella camera 6’, 6”, 6”’, 6<IV>attraverso l’orifizio 85.

Gli iniettori di tipo piezoelettrico, con particolare riferimento alla Fig. 7 dove è illustrato 10 schema di uno di essi indicato con il riferimento 78, che possono essere impiegati nella soluzione in oggetto sono anch’essi, come i precedenti iniettori, del tipo utilizzato per l’alimentazione in carburante dei motori diesel, con elevate dinamiche di controllo e un intervallo minimo tra due iniezioni successive di 200 ps; tali iniettori sono disponibili a commercio. Resta inteso che tutti gli iniettori 8’, 8”, 8”’, 8<,v>, di qualunque numero siano, sono perfettamente uguali tra loro.

Gli iniettori piezoelettrici 8’, 8”, 8”’, 8<IV>sono alimentati elettricamente e controllati in modo coordinato opportunamente da una centralina elettronica 5, o unità di controllo CU, sulla base dei segnali ricevuti da strumenti di rilevamento delle vibrazioni presente nella gabbia, che rileva il livello di chattering e comanda la valvola piezoelettrica 72 (Fig. 7) con l’opportuna legge di smorzamento attivo, ossia la legge di apertura e chiusura della valvola necessaria a produrre lo smorzamento attivo. La centralina di elettronica di controllo 5, quando necessario, attiva tramite un comando elettrico le valvole piezoelettriche 72 degli iniettori piezoelettrici 8’, 8”, 8”’, 8<IV>in modo da immettere istantaneamente nelle camere dei cilindri di bending 2’, 2”, 2”’, 2<IV>, o nelle linee di azionamento 11 , attraverso l'orifizio 75 olio ad alta pressione dal ramo in alta pressione 12 in modo da smorzare le vibrazioni indesiderate nella gabbia di laminazione secondo la sopracitata legge di smorzamento.

11 processo di controllo degli iniettori che consente di produrre lo smorzamento attivo prevede i seguenti stadi:

1) la rilevazione del fenomeno di chattering tramite il controllo continuo effettuato con sensori di vibrazione o velocimetri,

2) l’elaborazione nella centralina elettronica di controllo 5 dei dati acquisiti e

3) il comando agli iniettori 8’, 8", 8’”, 8<IV>di immettere olio nelle camere di bending 6’, 6", 6’”, 6<IV>allo scopo di smorzare le vibrazioni verticali della gabbia.

La pressione di lavoro dell’olio nelle camere di bending 6’, 6”, 6"’, 6<IV>dei cilindri di bending 2’, 2”, 2”’, 2<IV>e lungo la linea di azionamento 11 dei cilindri di bending raggiunge circa i 200 bar. La pressione dell’olio nella linea in alta pressione 12 è di 700-1800 bar e corrisponde alla pressione alla quale l’olio viene immesso nelle camere di bending 6’, 6”, 6”’, 6'<v>dei cilindri di bending 2’, 2”, 2”’, 2<IV>nel momento in cui gli iniettori piezoelettrici 8’, 8”, 8”’, 8<IV>aprono la loro valvola e permettono il passaggio dell’olio.

Gli iniettori piezoelettrici 8’, 8”, 8”’, 8<IV>sono vantaggiosamente posti direttamente nella struttura delle rispettive camere di bending 6’, 6”, 6’”, 6<IV>dei cilindri di bending 2’, 2’’, 2”’, 2<IV>con l’orifizio di iniezione in comunicazione diretta con la camera di bending rispettiva in modo da avere un effetto immediato e ottimale, ed evitare lo smorzamento che necessariamente si ha se l’effetto smorzante viene applicato lungo la linea di alimentazione, a distanza maggiore dalla camera di bending rispettiva.

A seconda delle pressioni in gioco nell’impianto del sistema di smorzamento attivo dell’invenzione, si possono prevedere anche due o più iniettori piezoelettrici 8’, 8”, 8”’, 8<IV>per ciascuno dei cilindri di bending 2’, 2”, 2’”, 2<IV>, in modo da realizzare una ancora maggiore gamma di effetti e poter contrastare ogni tipo di vibrazioni che si possono presentare nell’impianto di laminazione.

L’olio della linea di smorzamento attivo viene vantaggiosamente, ma non necessariamente, prelevato dalla stessa centrale idraulica 9 della gabbia di laminazione, viene filtrato e immesso in una linea o collettore comune di distribuzione ad alta pressione 12, che col suo volume compensa la differenza istantanea di pressione causata dagli iniettori. La pompa 7 può essere controllata in coppia (brushless) per mantenere costante la pressione nella linea. Eventualmente si può inoltre prevedere l’impiego di un piccolo accumulatore 4 (Fig. 5).

Grazie a questa configurazione del sistema di smorzamento attivo dell’invenzione sopra descritto si ottengono vari vantaggi:

• utilizzando iniettori che si trovano già diffusamente in commercio per altre applicazioni, la realizzazione del sistema di smorzamento attivo comporta un considerevole vantaggio in termini di costi;

• nella variante preferita di realizzazione che prevede la disposizione degli iniettori piezoelettrici nella camera del cilindro di bending, o in prossimità della stessa, si sfrutta tutto l’effetto smorzante che l’iniezione dell’olio ad alta pressione comporta; • il sistema di smorzamento attivo presenta dimensioni ridotte;

• non poca importanza ha anche la semplicità impiantistica che si riesce a realizzare nel progetto dell’impianto di laminazione, non dovendo realizzare un nuovo complesso impianto idraulico aggiuntivo a quello già esistente.

Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite possono essere combinati tra loro senza peraltro uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di smorzamento attivo di vibrazioni per una gabbia di laminazione, in particolare per la laminazione di nastro, comprendente due o più rulli di lavoro (1 , 1’) con rispettive guarniture (20), il sistema di smorzamento comprendente una pluralità di attuatori idraulici (2’, 2”, 2’”, 2<IV>) aventi rispettivi pistoni mobili (3’, 3”, 3’”, 3<IV>) agenti su dette guarniture (20), un circuito idraulico (7, 9, 11, 12) di alimentazione di detta pluralità di attuatori idraulici (2’, 2”, 2”’, 2<iv>), uno o più iniettori (8’, 8”, 8”’, 8<IV>) in detto circuito idraulico per attuare uno smorzamento attivo delle vibrazioni dei rulli di lavoro (1 , 1’), iniettando olio in pressione in una rispettiva camera (6’, 6”, 6’”, 6<IV>) degli attuatori idraulici (2’, 2”, 2”’, 2<IV>) sotto il controllo di una unità di controllo elettronica (5).
2. 2. Sistema di smorzamento attivo secondo la rivendicazione 1 , in cui gli uno o più iniettori (8’, 8”, 8’”, 8<IV>) sono di tipo piezoelettrico.
3. 3. Sistema di smorzamento attivo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui gli uno o più iniettori (8’, 8”, 8’”, 8<IV>) sono inseriti lungo il circuito idraulico, in prossimità di ciascuna camera degli attuatori idraulici (2’, 2”, 2’”, 2<iv>).
4. 4. Sistema di smorzamento attivo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui gli uno o più iniettori (8’, 8”, 8’”, 8<IV>) sono disposti direttamente nella struttura delle rispettive camere (6’, 6”, 6’”, 6<IV>) degli attuatori idraulici (2’, 2”, 2’”, 2<IV>).
5. 5. Sistema di smorzamento attivo secondo la rivendicazione 4, in cui l’orifizio di iniezione (65, 75, 85) degli iniettori è in comunicazione diretta con una rispettiva camera (6’, 6”, 6’”, 6<iv>).
6. 6. Kit di smorzamento attivo delle vibrazioni di un laminatoio conformemente ad una delle rivendicazioni precedenti.
7. 7. Laminatoio comprendente almeno una gabbia di laminazione di nastro, una pluralità di attuatori idraulici (2’, 2”, 2’”, 2<IV>) agenti sulla guarnitura (20) dei rulli di lavoro (1, 1’) di detta gabbia di laminazione e un sistema di smorzamento attivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4. (CEL/fm)