王天順，劉 蓉，柴佐華

(1.上海梅山鋼鐵股份有限公司冷軋廠，江蘇 南京210039;2.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018;3.中冶陜壓重工設(shè)備有限公司，陜西 西安 710119)

0 前言

馬口鐵是厚度0.1～0.5 mm的冷軋低碳鋼薄板[1-6]，鍍錫后的馬口鐵對空氣、水、水蒸氣、特別是食品、果酸等有較高的耐腐蝕能力，以及其無毒和很好的可深沖性，使得馬口鐵廣泛應(yīng)用于制作各種罐頭食品的包裝盒。馬口鐵對其退火后的鋼卷質(zhì)量有非常高的要求，特別是T2～T5級鍍錫板和DI罐用鍍錫板，對其來料的卷形、錯(cuò)層、內(nèi)圈質(zhì)量以及層間張力都要求非常高[7]。

常見的馬口鐵連續(xù)退火機(jī)組出口使用助卷皮帶包裹的方式自動(dòng)助卷帶鋼進(jìn)入卷取機(jī)，助卷過程中助卷皮帶的張力保持恒定[8-9]，通過PLC程序和傳動(dòng)參數(shù)控制卷取機(jī)卷筒的線速度和帶鋼速度同步，這種方案能夠成功的把帶鋼助卷到卷取機(jī)的套筒上。但是由于帶鋼與套筒之間以及帶鋼內(nèi)圈之間摩擦系數(shù)非常小，助卷過程很容易產(chǎn)生打滑的現(xiàn)象[10-15]，同時(shí)隨著進(jìn)入角度的變大帶鋼與卷取機(jī)上套筒的摩擦力也變大，那么相同的皮帶張力施加給帶鋼上的張力是一個(gè)不可控的變化值，這種變化給卷取內(nèi)圈帶來了錯(cuò)層和溢出的缺陷，大大降低了帶鋼的合格率。

1 傳統(tǒng)的馬口鐵連退機(jī)組出口卷取工藝流程

出口段卷取的工藝布局如圖1所示[16-17]，出口轉(zhuǎn)向輥擺動(dòng)伸縮導(dǎo)板起輔助導(dǎo)向帶鋼穿帶作用，助卷皮帶包裹卷取機(jī)上的套筒輔助實(shí)現(xiàn)帶鋼卷取。

傳統(tǒng)的出口卷取方案步驟：

(1)將套筒放置在卷取機(jī)卷筒上，卷取機(jī)軸頭支撐抬起。

(2)出口轉(zhuǎn)向輥擺動(dòng)伸縮導(dǎo)板擺起、伸出。

(3)助卷器大臂進(jìn)入。

(4)助卷器小臂抱緊并包裹卷筒，助卷皮帶加載張力。

(5)機(jī)組聯(lián)動(dòng)，出口轉(zhuǎn)向輥夾送帶鋼經(jīng)由擺動(dòng)伸縮導(dǎo)板進(jìn)入助卷皮帶與套筒之間。

(6)機(jī)組繼續(xù)聯(lián)動(dòng)，卷取2～3圈。

(7)出口轉(zhuǎn)向夾送輥打開，伸縮擺動(dòng)導(dǎo)板縮回，助卷器小臂打開同時(shí)大臂退回原位，機(jī)組出口段繼續(xù)聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)。

圖1 出口段卷取的工藝布局

2 傳統(tǒng)的馬口鐵連退機(jī)組出口卷取控制方案

在控制方案上，助卷皮帶采用恒張(拉)力控制，卷取機(jī)控制分為兩種[18]。一種是速度控制模式，同時(shí)設(shè)置電流和扭矩限幅。帶頭進(jìn)入助卷皮帶之前卷取機(jī)采用純速度控制模式，給定線速度同機(jī)組穿帶線速度相同，當(dāng)帶頭進(jìn)入助卷器后卷取機(jī)增加一個(gè)速度的激勵(lì)值，同時(shí)對卷取機(jī)電流和扭矩進(jìn)行限幅。另一種是轉(zhuǎn)矩控制模式，帶頭進(jìn)入助卷器之前和之后，卷取機(jī)都采用電流和力矩限幅的工作模式。

卷取機(jī)控制的兩種工作模式中，第一種模式的缺陷是：卷取機(jī)在助卷過程中需要進(jìn)行工作模式切換，而且工作模式由速度模式切換成扭矩模式后，施加給帶材上的實(shí)際張力變化非常大，這種變化直接影響了內(nèi)圈帶鋼的卷取質(zhì)量。第二種模式的缺陷是：帶頭進(jìn)入助卷器之前卷取機(jī)反饋扭矩根本達(dá)不到限幅扭矩，帶頭進(jìn)入助卷器后一兩圈卷取機(jī)實(shí)際扭矩在不停變化，增加了帶頭內(nèi)圈打滑的風(fēng)險(xiǎn)，內(nèi)圈打滑也會(huì)直接帶來內(nèi)圈質(zhì)量缺陷。

3 皮帶助卷器對帶鋼的力能分析以及對帶鋼進(jìn)入卷取機(jī)的作用

助卷皮帶的皮帶張緊力由張緊油缸提供，用于在助卷時(shí)將皮帶張緊，這種張緊力在助卷過程中施加給帶鋼，從而使帶鋼緊緊的纏繞在卷筒的套筒上[19-20]。

帶材在剛進(jìn)入助卷器階段，皮帶施加給帶鋼的帶頭部分一個(gè)壓力，該壓力的一部分用于帶鋼頭部產(chǎn)生彈塑性形變，另一部分通過帶材傳遞施加給套筒一個(gè)正壓力，該正壓力進(jìn)而轉(zhuǎn)化為摩擦力，幫助帶鋼在套筒上纏繞。如圖2所示，F(xiàn)1為皮帶施加給帶鋼頭部的一個(gè)壓力，該壓力部分通過帶鋼傳遞給套筒，F(xiàn)2為套筒施加給帶鋼一個(gè)作用力，這個(gè)作用力和帶鋼施加給套筒的正壓力是一組平衡力。F3為F2轉(zhuǎn)換的摩擦力。

圖2 帶材帶頭進(jìn)入卷取機(jī)的受力分析

隨著帶材繼續(xù)運(yùn)行進(jìn)入助卷器，帶材在卷筒上的纏繞面積越來越大，皮帶施加給套筒的正壓力也越來越大。此時(shí)帶鋼的受力由兩部分組成，一部分是卷取機(jī)通過套筒施加給帶材上表面的正向摩擦系數(shù)，一部分是皮帶施加給帶材下表面正壓力轉(zhuǎn)換的反向摩擦系數(shù)。

圖3 帶材繼續(xù)進(jìn)入卷取機(jī)的受力分析

常規(guī)模式下，皮帶給帶材施加的正壓力是一個(gè)恒定值。卷取機(jī)輸出的扭矩，一部分通過套筒施加給帶材產(chǎn)生摩擦力，一部分帶動(dòng)皮帶旋轉(zhuǎn)被皮帶消耗掉。而隨著卷取進(jìn)程的進(jìn)行，最終施加給帶鋼上的張力是一個(gè)變化值。正是這個(gè)變化值讓整個(gè)帶鋼在帶頭的卷取過程不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生內(nèi)圈松卷和溢出的質(zhì)量缺陷。

4 助卷皮帶變張力配合卷取機(jī)變頻器恒扭矩輸出的方法

在助卷過程中根據(jù)卷取機(jī)變頻器和卷取機(jī)電機(jī)測速編碼器反饋的信息，適時(shí)的調(diào)整皮帶助卷器的助卷力，使得帶鋼受到的張力恒定，從而使得整個(gè)助卷過程的系統(tǒng)控制穩(wěn)定性得到提高。通過助卷力的調(diào)整解決卷取內(nèi)圈松卷和溢出的問題。具體方法：

(1)帶頭進(jìn)入助卷器之前，卷取機(jī)給定速度為帶材聯(lián)動(dòng)穿帶速度疊加速度激勵(lì)值(一般為穿帶速度的5%左右)，對卷取機(jī)變頻器進(jìn)行電流和扭矩限幅，限幅值一般為正常生產(chǎn)張力的60%左右，皮帶助卷器控制皮帶張緊油缸張緊力100%設(shè)計(jì)張力。這時(shí)卷取機(jī)變頻器反饋的電流值、扭矩值以及卷取機(jī)編碼器反饋的轉(zhuǎn)速值都是恒定的。

(2)通過帶頭位置測量編碼器檢測帶頭從進(jìn)入助卷器開始，直到纏繞一圈，繼續(xù)對卷取機(jī)實(shí)時(shí)反饋電流和扭矩以及卷取機(jī)電機(jī)編碼器反饋轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)卷取機(jī)反饋電流增大至限幅值的50%時(shí)候，或者卷取機(jī)電機(jī)編碼器反饋的轉(zhuǎn)速開始下降并開始消耗速度激勵(lì)值以后，以梯度減少形式對助卷器皮帶的張力設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)卷取機(jī)反饋扭矩增大至限幅80%以后，或者卷取機(jī)電機(jī)反饋的速度已經(jīng)完全消耗掉速度激勵(lì)以后，迅速調(diào)整卷取機(jī)力矩限幅值至100%，調(diào)整聯(lián)動(dòng)穿帶速度疊加速度激勵(lì)值為10%，并且助卷器皮帶的張力設(shè)定值為0。

(3)通過帶頭位置測量編碼器檢測帶頭在卷取機(jī)套筒上卷取的長度超過1.5圈以后，助卷器發(fā)出助卷完成指令。機(jī)組進(jìn)入正常聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)。

經(jīng)過梅山鋼鐵冷軋廠連續(xù)退火機(jī)組現(xiàn)場實(shí)際測試，結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測量分析軟件PDA，對比卷取機(jī)力矩、速度的給定和反饋，得到卷取機(jī)扭矩和速度曲線的測量曲線如圖4所示的。卷取內(nèi)圈的現(xiàn)場照片如圖5所示。

圖4 卷取機(jī)扭矩和速度曲線

圖5 卷取內(nèi)圈的現(xiàn)場照片

通過PDA曲線和現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用情況對比，充分驗(yàn)證了該種方法的有效性，該方法的優(yōu)勢是通過調(diào)整助卷皮帶的張力，使得助卷過程中卷取機(jī)施加給帶鋼上的最終張力能夠保持相對恒定和穩(wěn)定。

這種卷取過程中前幾圈施加給帶鋼的張力穩(wěn)定正是解決內(nèi)圈松卷和溢出的主要原因。也只有前幾圈質(zhì)量的保證，才能很好的保證更多內(nèi)圈的卷形。同時(shí)，該方法大大提高了助卷的效率，通過張力曲線可以看出加張完成時(shí)機(jī)從原來的2圈多降至現(xiàn)在的1.2圈。

5 結(jié)束語

本文提出的依靠助卷皮帶變張力配合卷取機(jī)變頻器恒扭矩輸出的方法，通過檢測卷取機(jī)變頻器電流和扭矩的變化值，以及監(jiān)控帶頭進(jìn)入助卷器的長度，適時(shí)的梯度調(diào)整助卷皮帶的張力，使得助卷過程中皮帶和卷取機(jī)施加給帶鋼的合力保持穩(wěn)定。該方法成功地解決了卷取內(nèi)圈的松卷和溢出缺陷，也提高了助卷過程中的加張效率，使得加張時(shí)機(jī)從2圈多減少至1.2圈。同時(shí)，該方法也能緩解卷取內(nèi)圈打滑的問題。