淺談冷軋機(jī)電氣控制中的張力控制

彭湘建

摘要：在卷材卷取與開卷的時(shí)候，隨著卷徑的變化，其張力也將隨之發(fā)生變化，為冷軋機(jī)的正常運(yùn)行造成不利影響。本文主要闡述了冷軋機(jī)生產(chǎn)過程中張力波動(dòng)的影響因素，以及張力控制的基本原理和張力的基本概念等，希望通過本文的研究為冷軋機(jī)生產(chǎn)過程中的張力控制提供有益的借鑒。

關(guān)鍵詞：冷軋機(jī)；電氣控制；張力控制

一、冷軋機(jī)運(yùn)行過程中張力控制的意義

在冷軋機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，對(duì)張力進(jìn)行有效控制具有非常重要的意義。

（一）降低電機(jī)負(fù)荷

在冷軋機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，卷材變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)受到張力變化的影響也將發(fā)生相應(yīng)的變化，使卷材的縱向壓應(yīng)力降低，從而降低了卷材的變形抗力和軋制壓力，使冷軋機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)能耗大幅降低。在冷軋機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，前后張力均會(huì)改變冷軋機(jī)的軋制力矩，當(dāng)前張力大于后張力的時(shí)候，道次的加工率將會(huì)增大，主電機(jī)的負(fù)荷也將會(huì)降低。

（二）有效控制基材厚度

根據(jù)彈跳方程軋出厚度H=軋輥輥縫S+軋制壓力P/剛度系數(shù)K，冷軋機(jī)軋出厚度與軋制壓力存在著直接關(guān)系，因此，通過改變軋制壓力的辦法可以有效高速軋出厚度，而軋制壓力的改變又可以通過對(duì)張力的控制來實(shí)現(xiàn)，因此通過對(duì)冷軋機(jī)張力的控制可以有效控制基材的厚度。

（三）防止基材跑偏

影響帶材生產(chǎn)穩(wěn)定性的因素非常多，如設(shè)備的精密度、基材的均勻程度、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性等。由于冷軋機(jī)受到各種不利因素的影響，將會(huì)產(chǎn)生一系列的問題，其中最為常見的問題是冷軋機(jī)運(yùn)行過程中的帶材跑偏。針對(duì)帶材跑偏問題，目前較為常用的解決措施主要是增加偏導(dǎo)輥和開卷對(duì)中等措施，而這兩種措施的局限性非常的明顯。而通過對(duì)張力值的適當(dāng)調(diào)節(jié)，保持張力的穩(wěn)定性，對(duì)冷軋機(jī)的跑偏問題進(jìn)行調(diào)整，具有無時(shí)滯、反應(yīng)迅速的特點(diǎn)，是一種非常有效的調(diào)整方法。

（四）有效控制成品尺寸

帶材的板形與尺寸是對(duì)帶材質(zhì)量進(jìn)行衡量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其產(chǎn)生的主要原因是帶材的殘余應(yīng)力超過了允許拉應(yīng)力，因此可以通過對(duì)冷軋機(jī)張力的控制，保持張力的穩(wěn)定，保證沿帶材寬度方向上的拉力低于允許拉應(yīng)力，從而保持帶材的板形和尺寸。

二、造成張力波動(dòng)的主要原因

當(dāng)來料厚度變小時(shí)，軋制力也相應(yīng)的變??；當(dāng)來料厚度變大時(shí)，軋制力則相應(yīng)的變大。所以坯料厚度出現(xiàn)波動(dòng)，軋制出的帶材厚度也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)。另外軋機(jī)軋制速度也會(huì)造成冷軋機(jī)張力的波動(dòng)。當(dāng)冷軋機(jī)的軋制速度發(fā)生變化時(shí)，帶材與工作輥之間的摩擦力也將發(fā)生較大的變化，并進(jìn)而影響到冷軋機(jī)的張力波動(dòng)。卷料直徑的變化和帶材線速度的變化，以及設(shè)備機(jī)械損耗、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的變化均會(huì)影響到冷軋機(jī)張力的波動(dòng)。

三、有效控制張力的基本方法

冷軋機(jī)張力控制的基本方法主要有直接張力控制和間接張力控制兩種。

（一）直接控制法

直接張力控制具有張力穩(wěn)定、投資小的特點(diǎn)，但是采用直接張力控制的方法也具有操作不方便、高速時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重、調(diào)節(jié)精度低的缺陷，通常用于速度較低、張力精度要求較低的小型生產(chǎn)線。其工作原理為通過對(duì)安裝在設(shè)備上的磁粉制動(dòng)器線圈電流的控制或通過對(duì)安裝在設(shè)備上的摩擦輪對(duì)摩擦墊的壓力的控制直接形成設(shè)備所需的張力。

（二）比例控制法

比例控制法又稱為間接張力控制法，其工作原理是通過對(duì)與張力相關(guān)的電氣量的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)張力的控制。比例控制系統(tǒng)由磁場(chǎng)控制和電樞電流控制兩個(gè)獨(dú)立的部分組成。卷取機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如下圖所示：

卷取機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

其中電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：

MD=CmIa=TD2i+M0±Md

其中MD表示電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩；Cm代表電動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)常數(shù)；T代表張力；D代表卷材料卷的直徑；i代表減速機(jī)的減速比；代表電動(dòng)機(jī)磁通；Ia代表電動(dòng)機(jī)電樞電流；M0為電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩；Md代表電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度增加與降低時(shí)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)上式我們可以推導(dǎo)出張力T的計(jì)算公式：

T=2CmiIaD=KmIaD

由上式可以看出，通過使Ia正比D/而變化或維持Ia等于常數(shù)，同時(shí)使/D等于常數(shù)均能維持張力T的恒定。

通過前面的分析我們可以看出：磁場(chǎng)控制部分的工作原理是通過對(duì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)，使磁通與卷材料卷D之間呈正比變化，從而保持/D比值的恒定；電樞電流控制部分的工作原理是通過對(duì)電動(dòng)機(jī)電樞電壓的調(diào)節(jié)維持Ia的恒定。

由于電樞電阻R的值很小，所以當(dāng)電勢(shì)量E和電樞電壓μ發(fā)生變化時(shí)，即使變化量很細(xì)微，電樞電流Ia也會(huì)發(fā)生較大的變化，因此通過電樞電流控制部分是主要的，磁場(chǎng)控制部分的變化較慢，通常應(yīng)用于卷徑D發(fā)生變化的情況。

比例控制法具有易于搭建控制系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其缺點(diǎn)也十分明顯，當(dāng)系統(tǒng)不在最大卷徑下工作時(shí)，電機(jī)一直在弱磁狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，不能充分發(fā)揮出電機(jī)的效率；而當(dāng)卷徑發(fā)生較大的變化時(shí)，弱磁倍數(shù)增加，提高了對(duì)電機(jī)的要求，不利于設(shè)備的選型。

（三）動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法

當(dāng)采用間接張力控制法時(shí)，保證張力控制的準(zhǔn)確性是非常重要的。為了對(duì)張力控制的準(zhǔn)確性給予保障，對(duì)冷軋機(jī)本身固有的摩擦力和其在運(yùn)轉(zhuǎn)速度變化過程中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)轉(zhuǎn)矩所造成的影響加以充分的考慮是非常必要的，在實(shí)際應(yīng)用的過程中，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩是不容忽視的，為了保證冷軋機(jī)卷繞過程中的張力恒定，需要從冷軋機(jī)電動(dòng)機(jī)的空載補(bǔ)償電流、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電流和張力電流三個(gè)部分對(duì)電動(dòng)機(jī)的電流進(jìn)行有效控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]村上晃，中山萬希志，前田恭志，付亞君.冷軋機(jī)自動(dòng)厚度和張力控制系統(tǒng)的張力目標(biāo)值優(yōu)化[J].本鋼技術(shù)，2011，（2）：3641.

[2]孫孟輝.冷帶軋機(jī)板厚控制系統(tǒng)的模糊預(yù)測(cè)控制[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，（2）：216221.