金 琳

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司冷軋作業(yè)部， 河北 唐山 063210）

1 概述

隨著冶金自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，冷軋帶鋼生產(chǎn)多采用連續(xù)運(yùn)行的機(jī)組系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)工藝段帶鋼的連續(xù)運(yùn)行，需在機(jī)組的入口段和出口段分別設(shè)置立式活套[1-3]。入口活套的功能為當(dāng)入口段停車(chē)時(shí)通過(guò)抽套保證工藝段的帶鋼供應(yīng)，出口活套的功能為當(dāng)出口段停車(chē)時(shí)通過(guò)填充活套來(lái)存儲(chǔ)工藝段送出的帶鋼[4-5]。

如圖1所示，立式活套主要由卷?yè)P(yáng)機(jī)、鋼結(jié)構(gòu)、活套小車(chē)、鏈輪組、配重塊、定輥和動(dòng)輥幾個(gè)部分組成[6-8]。本文將對(duì)西門(mén)子立式活套控制方案進(jìn)行研究，并重點(diǎn)分析活套線(xiàn)速度設(shè)定、張力控制、張力前饋控制和帶鋼慣量補(bǔ)償四個(gè)方面的內(nèi)容。

圖1 立式活套結(jié)構(gòu)圖

2 活套的張力控制原理

立式活套的張力通過(guò)卷?yè)P(yáng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，卷?yè)P(yáng)電機(jī)采用速度控制模式，其速度設(shè)定值包括四個(gè)部分，分別為：線(xiàn)速度設(shè)定值、張力控制附加值、張力前饋附加值、帶鋼慣量補(bǔ)償。其中線(xiàn)速度設(shè)定值保證了活套升降套速度與實(shí)際套量相匹配，張力控制、張力前饋和帶鋼慣量補(bǔ)償通過(guò)附加速度調(diào)節(jié)活套帶鋼的實(shí)際張力。

2.1 卷?yè)P(yáng)線(xiàn)速度設(shè)定

活套卷?yè)P(yáng)電機(jī)采用帶增量型編碼器的速度控制，線(xiàn)速度設(shè)定值由活套入口和出口線(xiàn)速度決定，計(jì)算原理如圖2所示。

圖2 卷?yè)P(yáng)線(xiàn)速度設(shè)定值

活套內(nèi)帶鋼的平均線(xiàn)速度為入口線(xiàn)速度與出口線(xiàn)速度的差值，根據(jù)動(dòng)滑輪原理，活套小車(chē)的運(yùn)行速度等于活套帶鋼平均線(xiàn)速度除以帶鋼道次，活套小車(chē)的速度計(jì)算公式如下：

式中：Vstrip為活套帶鋼的平均線(xiàn)速度，m/s；Vin和Vout分別為活套入口線(xiàn)速度和出口線(xiàn)速度，m/s；Vcar為活套小車(chē)的運(yùn)行速度，m/s；Nrloops為活套的道次數(shù)。

活套小車(chē)的線(xiàn)速度設(shè)定值需要轉(zhuǎn)化為卷?yè)P(yáng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定值，因此需要考慮卷?yè)P(yáng)電機(jī)與活套帶鋼之間的綜合減速比，該綜合減速比包括減速箱的速比、卷筒與小車(chē)間的速比兩個(gè)部分，卷?yè)P(yáng)電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下：

式中：iGearbox為減速箱的減速比；icar為卷筒與小車(chē)之間的減速比；D為卷筒的直徑，m；VDrive為活套卷?yè)P(yáng)電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速，r。

根據(jù)計(jì)算公式，當(dāng)活套入口速度大于出口速度時(shí)活套處于沖套狀態(tài)，此時(shí)VDrive＞0，當(dāng)活套入口速度小于出口速度時(shí)活套處于抽套狀態(tài)，此時(shí)VDrive＜0。

1.2 活套張力控制

活套內(nèi)的帶鋼張力由卷?yè)P(yáng)電機(jī)產(chǎn)生的鋼繩牽引力控制[9-10]。鋼繩牽引力通過(guò)滑輪組牽引活套小車(chē)，在不計(jì)活套損失的情況下，除以活套的道次數(shù)后即可得到靜止?fàn)顟B(tài)下的帶鋼張力?；钐讖埩Σ捎弥苯訌埩刂疲O(shè)定值由二級(jí)下發(fā)或操作員設(shè)定，實(shí)際張力由活套入口或出口的張力計(jì)測(cè)量?；钐撞捎弥苯訌埩刂频膬?yōu)點(diǎn)為：

1）實(shí)際張力測(cè)量可以彌補(bǔ)帶鋼的摩擦損失和彎曲損失。

2）可消除相鄰區(qū)域的張力變化對(duì)活套帶鋼張力的影響，實(shí)現(xiàn)張力分段控制。

活套張力控制速度附加值計(jì)算原理如圖3所示。

圖3 活套張力控制原理圖

1.3 張力前饋控制

活套入口速度等于出口速度時(shí)活套將處于平衡狀態(tài)。若此時(shí)入口帶鋼加速進(jìn)入活套，將導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)活套張力值降低，這是因?yàn)樵趶埩刂破髯龀稣{(diào)整前更多的帶鋼被送入了活套。同理當(dāng)活套出口帶鋼加速時(shí)，活套也將出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)張力值上升的情況。為了彌補(bǔ)這一問(wèn)題須設(shè)置活套慣量補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)脑頌榘l(fā)送活套入口和出口的帶鋼加速度差值給卷?yè)P(yáng)電機(jī)作為附加速度設(shè)定值，當(dāng)活套入口或出口帶鋼開(kāi)始加速時(shí)卷?yè)P(yáng)機(jī)將提前做出反應(yīng)，保證過(guò)渡區(qū)活套張力的穩(wěn)定。張力前饋控制的附加速度計(jì)算公式如下：上述式中：Vtech2為張力前饋控制的附加速度設(shè)定值，m/s；Ain、Aout分別為活套入口和出口的帶鋼加速度，m/s2；Factin、Factout分別為入出口加速度調(diào)整因數(shù)。

從理論上活套入口和出口加速將對(duì)活套產(chǎn)生相同的慣性，所以其調(diào)整因數(shù)應(yīng)該一致?；钐讖埩η梆伩刂扑俣雀郊又涤?jì)算原理如圖4所示。

圖4 活套張力前饋控制原理

1.4 帶鋼慣量補(bǔ)償

活套內(nèi)帶鋼處于加速狀態(tài)時(shí)必須向帶鋼施加一個(gè)力保證帶鋼的加速度，這將產(chǎn)生一個(gè)額外的張力導(dǎo)致活套出口側(cè)張力上升。如圖5所示，此時(shí)活套出口帶鋼張力等于入口張力與帶鋼加速度損失的張力之和，活套出口側(cè)帶鋼張力的計(jì)算公式如下：

式中：Tin為活套入口側(cè)帶鋼張力，N；Tout為活套出口側(cè)帶鋼張力，N；TA為帶鋼加速度損失的張力，N。

圖5 帶鋼慣量補(bǔ)償原理

活套內(nèi)帶鋼張力的變化取決于帶鋼加速度的變化。沖套時(shí)活套入口加速度A1＞0且出口加速度A9=0，此時(shí)帶鋼加速度由入口側(cè)至出口側(cè)為等差遞減數(shù)列，張力為斜率遞減的變化趨勢(shì)。抽套時(shí)活套入口加速度A1=0且出口加速度A9＞0，此時(shí)帶鋼加速度由入口至出口為等差遞增數(shù)列，張力為斜率增加的變化趨勢(shì)?；钐變?nèi)帶鋼張力隨帶鋼加速度變化的規(guī)律如下頁(yè)圖6和圖7所示。

以圖5所示的8道次活套為例計(jì)算帶鋼的慣量補(bǔ)償，為了方便計(jì)算只考慮帶鋼長(zhǎng)度隨實(shí)際套量變化的部分。首先按照道次將活套內(nèi)的帶鋼分為8個(gè)部分，對(duì)應(yīng)道次的帶鋼質(zhì)量分別為m1～m8，且每個(gè)道次的帶鋼質(zhì)量均等于m。各道次對(duì)應(yīng)帶鋼的加速度分別為A1～A9，平均加速度為AAver，則帶鋼加速損失的張力計(jì)算公式為：

式中：TA為帶鋼加速損失的活套張力，N。

圖6 沖套時(shí)活套張力變化趨勢(shì)

圖7 抽套時(shí)活套張力變化趨勢(shì)

活套處于平衡狀態(tài)時(shí)出口張力等于入口張力，而在加速過(guò)程中帶鋼的慣量損失只影響出口張力，這導(dǎo)致了活套出口張力上升而入口張力保持不變。根據(jù)式（5）和式（10）可推導(dǎo)出活套出口側(cè)帶鋼張力的計(jì)算方法：

式中：Tin為活套入口側(cè)的帶鋼張力，N；Tcar為活套小車(chē)的牽引力，N；Nrloops為活套的帶鋼道次數(shù)；A1為活套入口的帶鋼加速度，m/s2；A9為活套出口的帶鋼加速度，m/s2。

活套帶鋼的慣量補(bǔ)償計(jì)算原理如圖8所示，根據(jù)以上規(guī)律：當(dāng)張力計(jì)在活套入口時(shí)測(cè)量的張力實(shí)際值等于活套小車(chē)牽引力除以活套道次數(shù)。當(dāng)張力計(jì)在活套出口時(shí)需要補(bǔ)償帶鋼的慣量損失，且補(bǔ)償速度為負(fù)值。帶鋼慣量補(bǔ)償?shù)乃俣扔?jì)算公式如下：

圖8 帶鋼慣量補(bǔ)償

式中：Vtech3為活套的帶鋼慣量補(bǔ)償附加速度，m/s。

3 結(jié)論

1）活套的線(xiàn)速度設(shè)定值可通過(guò)活套入口側(cè)和出口側(cè)的線(xiàn)速度進(jìn)行計(jì)算，線(xiàn)速度設(shè)定值保證了卷?yè)P(yáng)電機(jī)能夠配合產(chǎn)線(xiàn)完成升降套過(guò)程。

2）立式活套采用直接張力控制能夠忽略帶鋼的摩擦損失和慣量損失，可以簡(jiǎn)化控制環(huán)節(jié)。

3）活套設(shè)置張力前饋調(diào)節(jié)能夠降低升降套過(guò)程中的張力波動(dòng)，文中給出了張力前饋調(diào)節(jié)的計(jì)算方法。

4）帶鋼的慣量補(bǔ)償能夠解決活套升降套過(guò)程中造成出口側(cè)張力增大問(wèn)題，并給出了帶鋼慣量補(bǔ)償?shù)挠?jì)算方法。