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

1 可逆冷軋機張力控制系統(tǒng)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(fā)送到系統(tǒng)進行閉環(huán)控制，使實際的張力達到預(yù)定義的張力。在生產(chǎn)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(tǒng)進行控制，這樣的控制方法適用于小型的設(shè)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(guān)的電氣量來實現(xiàn)控制板帶厚度板形的效果。為了確保實現(xiàn)恒張力控制，采用最大力矩法控制，根據(jù)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(guān)關(guān)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(guān)系可以表示為m=T·D/2+Jr·dwr/dt(N·m)，根據(jù)所學(xué)的電機原理和拖動基礎(chǔ)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(chǎn)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(zhuǎn)動慣量，kg·m2；J2是生產(chǎn)板材的慣性量，kg·m2；J3是電機齒輪箱的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；J1，J3是一個常數(shù)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(zhì)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(jīng)升速到穩(wěn)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(zhuǎn)矩，D是板材卷成圈的直徑。根據(jù)拖動基礎(chǔ)知識和電機原理和剛體定軸轉(zhuǎn)動的相關(guān)知識，可以計算出電動機轉(zhuǎn)矩M，如下；M=Cm·φ·I樞（2）；公式中，Cm是固定數(shù)，比例系數(shù)；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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為卷曲功率，在這個轉(zhuǎn)化過程中，存在一定的機械方面?zhèn)鬏數(shù)膿p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(lǐng)樞=K2D/φ，那么T=K1·K2，所以控制好I樞和D/φ的線性變化關(guān)系，即可實現(xiàn)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(zhuǎn)期間有效控制張力可以實現(xiàn)生產(chǎn)合格質(zhì)量的產(chǎn)品，避免生產(chǎn)事故的發(fā)生。

1.2.1 防止板帶軋制過程中偏離

影響板帶生產(chǎn)穩(wěn)定性的因素很多，例如板帶來料時有無錯層，是否平整，設(shè)備輥系的安裝精度，水平垂直方面是否有偏差，以及生產(chǎn)工藝的合理性，是否有打滑情況等等。冷軋機在軋制生產(chǎn)過程中，受這些不利的影響，可能會產(chǎn)生不同的質(zhì)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(yīng)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(tǒng)的閉環(huán)控制，可以達到快速響應(yīng)的目的，可以達到預(yù)期的張力調(diào)節(jié)效果。

1.2.2 調(diào)整主電機負載

張力會影響變形區(qū)域中的軋制力狀態(tài)，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(chǎn)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(guān)系板帶成品驗收質(zhì)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(xiàn)波浪時，在板材的表面會出現(xiàn)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(xiàn)失真，但離線觀察后，一定會出現(xiàn)。所以為了保證板帶的質(zhì)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(shè)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(shè)定與板帶的厚度與寬度有關(guān)，我們考慮的是單位張應(yīng)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(cè)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(diào)整，板帶張力、板帶速度都隨之產(chǎn)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(zhuǎn)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(shù)值。通過上面的介紹，這些參數(shù)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(yōu)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(tǒng)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(wěn)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(chǎn)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(chǎn)生“反彈”現(xiàn)象，在加減速過程中，產(chǎn)生加大的張力波動，造成板形的變化，出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量偏差。但是這種調(diào)節(jié)在低速、產(chǎn)品要求不高時可以接收，高速時產(chǎn)生較大的偏差，不利于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，出現(xiàn)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(yīng)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(guān)參數(shù)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(shè)定張力存在一定的誤差。

2 故障分析

2.1 軋制生產(chǎn)過程中張力波動明顯

在軋制生產(chǎn)過程中，當來料鑄軋卷板材的厚度有變化時，軋制力也會發(fā)生相應(yīng)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(wěn)定。同時，軋制速度變化也影響張力的穩(wěn)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(wěn)定板形，卷曲的張力也需要調(diào)大。板材卷徑和軋制速度的變化以及機械設(shè)備的機械損耗和機械傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(qū)域?qū)⒆優(yōu)楹蠡瑒訁^(qū)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(chǎn)過程中，為了保持恒張力生產(chǎn)，通常經(jīng)過前面的分析計算，我們通過卷徑、電流等方面參數(shù)的控制，可以實現(xiàn)恒張力。但在實際生產(chǎn)過程中，操作手可以通過板面質(zhì)量發(fā)現(xiàn)張力存在問題，預(yù)設(shè)的張力是正確的，但可能會出現(xiàn)開卷張力或卷曲張力失真，影響了產(chǎn)品的質(zhì)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(cè)卷徑的測量。只有反饋測量的數(shù)據(jù)精準，才能達到精準控制。

3 處理措施

3.1 動態(tài)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(zhuǎn)速變化時對轉(zhuǎn)矩的影響。在軋制生產(chǎn)中，動態(tài)力矩產(chǎn)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(tài)補償電流等方面著手。機械的損耗與轉(zhuǎn)速有關(guān)，并基本呈正比例的線性關(guān)系，由于開卷機運行時工作在制動狀態(tài)，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(yǎng)

在冷軋機軋制生產(chǎn)過程，周邊的環(huán)境受軋制油等揮發(fā)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(cè)卷徑測量用到的測距儀都是重點關(guān)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?shù)母蓴_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(jīng)出現(xiàn)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(wěn)，進而影響張力的穩(wěn)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(chǎn)品時，如果出現(xiàn)軋制裂紋或不規(guī)則波浪時可以增加張力來為板帶提供預(yù)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(diào)整板的形狀和防止出現(xiàn)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(jīng)過轉(zhuǎn)化為板形參數(shù)，顯示在操作臺供主操手判斷板帶的板形，控制好產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)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(lián)系，而且與冷軋機機前的輥系有關(guān)。入口偏導(dǎo)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(jīng)過計算后設(shè)置在操作畫面中。

3.5 其他

在軋制生產(chǎn)過程中，整個軋機系統(tǒng)的輥系精準度必須達到設(shè)計規(guī)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(nèi)。兩側(cè)的活動支撐需要配合卷軸的測量，把限位開關(guān)調(diào)整到合理位置。軋制線應(yīng)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(jié)語

張力參數(shù)的優(yōu)化是一個廣泛的領(lǐng)域。一方面在電氣控制系統(tǒng)中盡量做到閉環(huán)控制的及時響應(yīng)，另一方面，平時的數(shù)據(jù)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(chǎn)的同時，也將大幅提高生產(chǎn)效率，成品率得到明顯提高，經(jīng)濟效益方面也非常可觀。