可逆冷軋機張力控制系統簡述及故障分析

顧棟

（上海大屯能源股份有限公司鋁板帶廠，江蘇 徐州 221600）

冷軋機生產張力是冷軋機生產過程中必須嚴格控制的參數，其控制精度將直接影響冷軋機的尺寸精度和整體質量，并可能在冷軋機板帶生產過程中引起許多不確定性。因此，有必要研究冷軋生產過程中的張力控制要求和方案，以便為冷軋生產打下良好的質量基礎。

1 可逆冷軋機張力控制系統簡述

1.1 張力控制原理

1.1.1 直接張力控制

直接張力控制是使用張力計測量張力，并將其發送到系統進行閉環控制，使實際的張力達到預定義的張力。在生產過程中，使用張力計直接把張力的大小采集到后，并參與到控制系統進行控制，這樣的控制方法適用于小型的設備，通常對于張力的控制要求不大，這種方法在大型高精度的冷軋機上并沒有采用。

1.1.2 間接張力控制

間接張力控制是通過控制一些與張力有關的電氣量來實現控制板帶厚度板形的效果。為了確保實現恒張力控制，采用最大力矩法控制，根據電機的一些基本原理，我們可以找到張力與電動機力矩m的相關關系，電動機力矩m包括的不僅是實際的張力，還包括機械損耗及加減速部分。

電機力矩m與張力等的關系可以表示為m=T·D/2+Jr·dwr/dt(N·m)，根據所學的電機原理和拖動基礎知識我們可以知道；T·D/2是恒速時的張力大小，單位是N·m；Jr·dwr/dt為生產控制過程中的加速減速的影響量大小，單位是N·m；在公式中，Jr=J1+J2+J3，kg·m2；J1是板材使用的套筒的轉動慣量，kg·m2；J2是生產板材的慣性量，kg·m2；J3是電機齒輪箱的轉動慣量，kg·m2；J1，J3是一個常數值；J2=j20+m·S·π/32(與中空的圓柱形相似，其中j20是常量初始值，m是質量，S是圓柱的切割面積)。

為了描述方便，可以先不分析加速部分，只進行已經升速到穩定軋制的過程分析。卷曲張力T的近似表達式為：T=2M/D(1)；其中T為板材的張力，M為電動機轉矩，D是板材卷成圈的直徑。根據拖動基礎知識和電機原理和剛體定軸轉動的相關知識，可以計算出電動機轉矩M，如下；M=Cm·φ·I樞（2）；公式中，Cm是固定數，比例系數；φ是磁通量；I樞是電動機的電樞電流。帶材的速度為V=π·D·n電/60i（3）；公式中，n電表示電動機的轉速；i是電機與套筒的速比。電機電勢e可以計算出，e=Ce·φ·n電（4）；電機電磁功率P可以計算為，P=e·I樞（5）；式中，e代表電動機電動勢，單位是V；I樞是電流，單位是A；卷曲的功率為N=Tv/10.2（6），其中T為張力，單位是N；v是卷曲的帶材速度，單位是m/s。電動機是通過齒輪變速箱將電動機的功率傳遞到卷軸上轉化為卷曲功率，在這個轉化過程中，存在一定的機械方面傳輸的損耗，為方便計算，忽略損耗部分，卷軸的功率可以當做是電動機的功率。令P=N。通過將上述的幾個公式帶入計算，得到T=(10.2Ce·φ·n電I樞·60i)/πDn電，使(10.2Ce×1000×60i)/π=K1,可簡化公式可得T=K1·I樞φ/d；如果令I樞=K2D/φ，那么T=K1·K2，所以控制好I樞和D/φ的線性變化關系，即可實現軋制過程中保持恒定張力控制。

1.2 冷軋過程中張力控制的意義

在冷軋機正常軋制運轉期間有效控制張力可以實現生產合格質量的產品，避免生產事故的發生。

1.2.1 防止板帶軋制過程中偏離

影響板帶生產穩定性的因素很多，例如板帶來料時有無錯層，是否平整，設備輥系的安裝精度，水平垂直方面是否有偏差，以及生產工藝的合理性，是否有打滑情況等等。冷軋機在軋制生產過程中，受這些不利的影響，可能會產生不同的質量缺陷，最常遇到的就是板帶軋制過程中的跑偏。針對板帶的跑偏，在開卷位置上一般都裝有對中裝置。但受限于速度的影響，一般軋制速度在300m以下對中起作用，高速時對中反應不過來，最主要的控制，還是需要通過張力來進行控制。張力控制是實時性，有利于系統的閉環控制，可以達到快速響應的目的，可以達到預期的張力調節效果。

1.2.2 調整主電機負載

張力會影響變形區域中的軋制力狀態，通過張力的控制可以減少縱向壓力的大小，降低軋制力，降低電機的負載。這有助于減少金屬變形、軋制壓力和軋制過程中的能耗。前張力減小軋制力矩，后張力增大軋制力矩。生產中為了減少能耗，一般采用的是卷曲張力大于開卷的張力，主電動機的負載將減小，從而提高軋制的速度。

1.2.3 較好的控制板帶的板形

板材的平整度，板形的基本情況是關系板帶成品驗收質量的重要因素，形狀良好，能保證帶材的適當平整度。當波浪上升到邊緣，中間也出現波浪時，在板材的表面會出現拉筋，即使在線觀看時看不到，或者板形檢測裝置板形輥因為角度的問題出現失真，但離線觀察后，一定會出現。所以為了保證板帶的質量，保證表面的平坦，通常對板帶的張力控制要符合允許的拉伸張力。為了達到良好的控制效果，通常張力的設定方面既要保證軋制的板帶不被拉斷，也要保證軋制力不能過高。它的設定與板帶的厚度與寬度有關，我們考慮的是單位張應力，即計算來料板材橫截面的面積，取單位力來參考。一般的情況，在軋制板材的前幾個道次，因為來料厚，通常壓下量也很大，軋制力大，電機出力多，需要施加附加的張力，在軋制速度提高過程中，減小附加的張力。

1.3 直接張力控制與間接張力控制的比較

通常冷軋機在軋制過程中，板帶的速度、軋制力、卷取機速度、開卷機速度、兩側鋁卷卷材的直徑都是在實時變化，而且互相影響，例如為了保證板帶的厚度，來料板帶厚度的波動造成主機軋制力需要不斷調整，板帶張力、板帶速度都隨之產生一定的波動，而卷取機鋼卷的直徑是通過板帶速度與卷取機開卷機轉速及厚度計算出來，有些時候還可以采取激光測距儀直接檢測實時的數值。通過上面的介紹，這些參數的測量精度將直接影響張力的控制精度。直接張力控制法的優點是，通過張力計測量張力，有利于掌握板帶的實際張力，而且利用實測張力值作為反饋信號，控制系統簡單，張力計的檢測精度較高，卷徑、速度變化等不會影響張力，所以精度不受干擾，比較穩定。但板帶的張力是通過張力計測量出來，然后傳給控制裝置，產生一定的時間滯后，影響張力的實時控制，尤其在建立張力的過程中，張力反饋的滯后、突然投入，非常容易產生“反彈”現象，在加減速過程中，產生加大的張力波動，造成板形的變化，出現產品質量偏差。但是這種調節在低速、產品要求不高時可以接收，高速時產生較大的偏差，不利于控制系統的穩定，出現張力一直存在一定的波動。間接張力控制法直接測量電機電流并參與控制，實時性能好，反應快，尤其在機組啟動及加減速過程中，能夠保證張力波動小；如上所述，在間接張力控制法中，張力是通過相關參數計算出來的，張力T受D/φ的影響，計算出來的板帶張力值受卷取機、開卷機板材卷徑測量精度的影響，也就是板帶的實際張力與設定張力存在一定的誤差。

2 故障分析

2.1 軋制生產過程中張力波動明顯

在軋制生產過程中，當來料鑄軋卷板材的厚度有變化時，軋制力也會發生相應的變化。通常軋制力與來料板材的厚度呈正比變化，厚度引起的軋制力變化會影響到張力的穩定。同時，軋制速度變化也影響張力的穩定。速度越快，板材與接觸面的摩擦力將會變大，軋制力變大，開卷張力隨著變大，為了保證穩定板形，卷曲的張力也需要調大。板材卷徑和軋制速度的變化以及機械設備的機械損耗和機械傳動系統轉動慣量的變化都會影響冷軋機張力的變化。卷曲張力減少前向滑動，開卷張力增加前向滑動，前向張力和后向張力同時增加，軋制力顯著減小，卷曲張力比開卷張力在減小軋制力方面作用更加明顯。但如果盲目增加卷曲張力，整個變形區域將變為后滑動區域，從而造成板帶的滑動并使軋制存在波動、震蕩。

2.2 開卷張力或卷曲張力失真

在軋制生產過程中，為了保持恒張力生產，通常經過前面的分析計算，我們通過卷徑、電流等方面參數的控制，可以實現恒張力。但在實際生產過程中，操作手可以通過板面質量發現張力存在問題，預設的張力是正確的，但可能會出現開卷張力或卷曲張力失真，影響了產品的質量。通常這種情況我們需要從控制張力的因素去分析，一個是速度的反饋，一個是兩側卷徑的測量。只有反饋測量的數據精準，才能達到精準控制。

3 處理措施

3.1 動態補償法

在采用間接張力控制方法中，確保張力控制的準確性很重要。為了保證張力控制的精度，有必要充分考慮冷軋機自身固有的摩擦力及其在轉速變化時對轉矩的影響。在軋制生產中，動態力矩產生的張力波動不能不注意，電機電流必須從空載補償電流、動態補償電流等方面著手。機械的損耗與轉速有關，并基本呈正比例的線性關系，由于開卷機運行時工作在制動狀態，因此空載電流取負極性。

3.2 提高檢測元件精確度及使用過程中的保養

在冷軋機軋制生產過程，周邊的環境受軋制油等揮發的影響，電氣元件的安全使用需要保障。在檢測元件中，速度檢測使用的編碼器及兩側卷徑測量用到的測距儀都是重點關注的元件。通常選擇進口品牌，編碼器選擇倍加福，測距儀采用西克激光測距儀。它們高精度檢測的同時對信號傳輸的干擾方面要求很高。首先是要做好屏蔽，確保小電流信號不被其它電磁因素影響。保證安全使用空間，曾經出現過因為編碼器離電機太近，在加電機軸承潤滑油的時候因為加的過多，造成編碼器進油進而影響速度檢測。激光測距儀在使用的時候需要注意保持鏡頭的干凈，一旦有鋁屑等落在鏡頭表面，將造成測量的卷徑不穩，進而影響張力的穩定。

3.3 卷曲張力的合理選擇

冷軋機軋制的厚度、寬度范圍很廣，來料的合金成分也不盡相同。在軋制過程中，通過出口處的橫斷面面積及張力的大小確定單位面積的張力。在軋制厚度小并且對板形的要求比較高的產品時，如果出現軋制裂紋或不規則波浪時可以增加張力來為板帶提供預張力，消除存在的褶皺和波浪，同時這種方式能夠及時的對板帶進行準確觀察，及時的調整板的形狀和防止出現斷裂以及裂紋。

卷曲張力的大小決定了作用在板形檢測裝置上的力，這個力經過轉化為板形參數，顯示在操作臺供主操手判斷板帶的板形，控制好產品質量。但是并非卷曲張力越大越好，一是因為張力過大容易造成薄料的斷帶；二是板帶板面太緊后，在線板形與離線板形偏差較大，容易在板面形成拉筋等質量缺陷。

3.4 軋機開卷張力的選擇

冷軋機開卷的張力大小不僅與來料板材的合金成分有聯系，而且與冷軋機機前的輥系有關。入口偏導輥電機的選擇及控制方式直接影響開卷張力。通常電機采用變頻器控制。張力的限輻經過計算后設置在操作畫面中。

3.5 其他

在軋制生產過程中，整個軋機系統的輥系精準度必須達到設計規范要求。在輥系找正的過程中，軋機牌坊作為基準，工作輥、支撐輥及前后卷軸必須在允許偏差范圍內。兩側的活動支撐需要配合卷軸的測量，把限位開關調整到合理位置。軋制線應該高出基準線4-5毫米，這樣有助于張力控制，從而達到板帶板形的有效控制。

4 結語

張力參數的優化是一個廣泛的領域。一方面在電氣控制系統中盡量做到閉環控制的及時響應，另一方面，平時的數據記錄，大量的分析必不可少。掌握了合理的張力控制，在保證不斷帶安全生產的同時，也將大幅提高生產效率，成品率得到明顯提高，經濟效益方面也非常可觀。