带钢张力控制研究的综述.docx
《带钢张力控制研究的综述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《带钢张力控制研究的综述.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
带钢张力控制研究的综述
带钢张力控制研究的综述
一、引言
首先，不得不说在过去的几十年里，随着工业技术的发展，微机技术的突飞猛进,先进的设备和技术的开发使得冶金行业在最近几年得到了突飞猛进的发展，但尽管如此,国内高速的、运行平稳的机组绝大部分是引进的,而完全国产的这类机组的速度较低,生产带钢品质也低,有些机组无法稳定运行、甚至影响带钢的板形等等,这种状态的形成与国内目前缺少对张紧辊等这类设备的理论和实践研究不无关系[4]。
因此，在这种背景下，针对张紧辊设备的理论研究与实际应用技术的革新是至关重要的。
可以说，合适的张紧辊控制系统是保障带钢高速、稳定运行的基本条件和关键因素。
而我们也知道，在钢铁企业板带生产机组中，带钢张力很多是需要分段进行控制的，这不但是通板的需要，更是工艺控制的要求。
带钢张力控制设备的实现一般是采用张力辊组完成，即由2-4根辊子构成张紧辊组，分别由马达传动每一根辊子，实现张紧辊组前后不同的张力控制要求。
在张力控制过程中张紧辊组有一个重要控制内容，就是各个辊子之间的负荷平衡控制。
所谓张紧辊负荷平衡控制就是使各个张紧辊的负荷尽可能相近或满足一定比例的分配，以使各辊子都能发挥各自的能力，协同完成带钢的张力控制要求，防止出现某个辊子过负荷而其它辊子还没充分发挥作用的现象出现。
在实际应用中，张紧辊负荷平衡控制一般有两种方式，一种是较复杂的“仿皮带”负荷平衡控制方式，一种是强制等比例的负荷平衡控制方式[1]。
下面我们将就这两种控制方式的原理进行说明，并对他们的差异加以分析比较。
二、控制系统分析方法论述
1、带钢张力控制作用阐述
在阐述两种控制方式之前，有必要对带钢张力控制的意义和控制带钢张力的作用进行解释。
因果守恒，对于结果，我们必须分析其原理和来源。
1.1带钢张力的作用[3]
影响带钢质量好坏的因素有很多，这里我们采用张力控制防止带钢堆拉现象发生，同时，张力在生产过程中也发挥着十分重要的作用，主要表现在以下几个方面[1]：
1.1.1防止带钢跑偏
在实际生产过程中，由于各种因素的影响，带钢在运行过程中容易发生跑偏，而且会随着运行而越来越严重。
为了防止跑偏，可以采用纠偏辊或八字辊，但这两种方法都有一定的时滞，有一定的局限性。
而适当调节张力值，维持张力稳定，带钢可以在一定的张力作用下平稳的运行，张力反映迅速，无时滞，所以是防止带钢跑偏的有效方法。
1.1.2有利于控制带钢的板形
板形是衡量带钢质量的重要指标，板形良好指的就是带钢的平整度好，如边部起浪，中部浪皱等，这主要是由于变形不均匀，使带钢中的残余应力超出了稳定所允许的拉应力。
当采用微张力控制时，使带钢沿宽度方向上的拉力不超过所允许的拉应力，由此来保持带钢板形的平直。
1.1.3有利于控制加热面积的控制
炉区的入口段是预热炉，里面没有炉棍，是一段悬空的带钢。
两边喷嘴加热带钢。
利用张力可以调节带钢的悬垂度，保证在预热炉内的带钢充分加热。
此外，张力在煅烧过程中可以适当调节张力辊电机的负荷。
可见张力控制对于正常生产是非常重要的的保证。
而通过张力产生的原理分析，我们可以找出控制或影响张力的有关原因
因此，知道了控制带钢张力的作用后，我们面临的是如何更好的控制带钢张力，使带钢质量最佳。
在这里，关键的问题是张紧辊负荷平衡的控制方式的选择，对于不同的条件下，有相应的控制方式可供选择，而且每种控制方式有各自的特点，下面的阐述中，着重对两种负荷平衡方式“仿皮带负荷平衡控制方式”和“强制等比例负荷平衡控制方式”的优缺点进行对比分析。
2、“仿皮带”负荷平衡控制[1]
2.1控制原理
“仿皮带”负荷平衡控制方式，其基本思路是模仿皮带传动控制，依据的数学控制模型就是我们称为的皮带传动控制欧拉定理。
图1bod的物理结构及表示符号
欧拉定理简单说明如下：
图1中主动轮的旋转方向如箭头所示，传动时皮带上下两边的张力就有差异，上边紧一些（叫紧边），下边松一些（叫松边）。
忽略张力损失，则（T1=T4）>（T2=T3）。
欧拉定理说的是：
如果要保证主动轮与皮带无滑动地传动，主动轮紧边的张力要保证满足下面的公式：
⑴
式中：
e为自然对数；
θ为皮带与主动轮的接触弧长；
ξ为皮带与主动轮的摩擦系数。
也就是说主动轮能够提供的紧边最大张力为：
⑵
以某个4辊式张紧辊为例，其张力分布如图2所示。
图24辊式张紧辊张力分布示意图
一般来说Tent与Tdel总是有差异的，假设Tdel>Tent。
则按照欧拉定理其传动也应符合式
（1）的要求。
因此，“仿皮带”负荷平衡控制就采用下面的公式：
⑶
⑷
而马达的功率需求公式为：
⑸
所以：
⑹
设马达的额定功率分别为P1m、P2m、P3m、P4m。
则每台马达的理论负载百分比就应当按照下面的公式计算：
⑺
式中:
i=1,2,3,4;
li：
每台马达理论负载百分比。
它就是这种负荷平衡控制方式下的设定值。
每台马达的实际负载百分比就作为实际值，计算公式为：
⑻
式中:
i=1,2,3,4;
：
各马达的实际功率;
：
每台马达的实际负载百分比。
因此控制偏差为:
⑼
△Li：
负荷平衡控制偏差。
如果θ相同且Tdel>T3>T2>Tent那么按照式（4）必有的P4>P3>P2>P1。
如果4台马达的额定功率相同，则其负载百分比无法做到相等。
要做到负载百分比相等则每台马达的额定功率必须做到。
表1是根据欧拉公式计算出不同入、出口张力比下的负荷比例。
表1四棍式张紧辊负荷分配表（四个包角相等）
出口与入口张力比
1号辊比例
2号辊比例
3号辊比例
4号辊比例
0.1
0.4836
0.2735
0.1538
0.0865
0.159
0.4385
0.2767
0.1746
0.1102
0.251
0.39
0.2761
0.1955
0.1384
0.398
0.3417
0.2714
0.2156
0.1713
0.631
0.2947
0.2626
0.2341
0.2086
1
0.25
0.25
0.25
0.25
1.585
0.2086
0.2341
0.2626
0.2947
2.512
0.1713
0.2156
0.2714
0.3417
3.981
0.1384
0.1955
0.2761
0.39
6.31
0.1102
0.1746
0.2767
0.4385
10
0.0865
0.1538
0.2735
0.4863
2.2控制特点
“仿皮带”负荷平衡控制的目标是：
在适当的马达配置前提下，通过负载平衡控制，使各马达在与带钢不打滑（当然是理论上，因为不打滑还有其他决定因素如摩擦系数）的前提下提供所需要的张力。
但是如果入出口张力设定不合理将会引起张紧辊中某台马达过载造成机组故障。
原理如下：
图3四辊式张紧辊不同入出口张力比的负荷比例图
从图3可以看出随着张力比例的增大，1号辊的负载在减少，4号辊的负载在增加，因此P4:
P1在增加，而马达一旦选定则功率无法变化，因此P4m:
P1m仍然保持不变，则不再成立，因此每台马达的负载百分比将发生较大变化。
从图3可以直观看出当入口张力大时1号辊负载百分比大，容易发生过载；当出口张力大时4号辊负载百分比大，容易发生过载。
因此在设计时考虑马达负载就要找到一个平衡点，保证在允许的张力范围内都不会发生过载现象。
另外在使用中也要遵守入出口张力设定的要求，两种的比例不能过大，否则也容易造成过载。
现举例说明。
表2是某连续退火机组8号和9号张紧辊马达配置情况：
表28号、9号张紧辊的马达配置表
马达位置
功率（Kw）
8号张紧辊1号辊
60
8号张紧辊2号辊
75
8号张紧辊3号辊
90
9号张紧辊1号辊
200
9号张紧辊2号辊
130
9号张紧辊3号辊
90
9号张紧辊4号辊
45
从马达的额定功率配置可以看出，8号张紧辊的额定功率从入口到出口逐步增大，9号张紧辊的额定功率从入口到出口逐步减少。
因此，其适应的张力分布应当是8号张紧辊的入口张力小于其出口张力，9号张紧辊的入口张力大于其出口张力。
如果不这样进行张力分布，将造成8号张紧辊1号辊马达的负载很高，而2号、3号、4号辊负载很低。
本机组有一段时间8号张紧辊的1号辊负载较高，其主要原因就是：
新开发的高强钢只提高了的平整机入、出口张力设定值，而没有调整拉矫机段的张力设定值，造成8号张紧辊的出口张力小于入口张力，与马达的配置不相符，加剧了马达负荷的差异，因此8号张紧辊的1号辊负载在生产高强钢时经常过载，如果操作工不及时干预就会造成传动重故障，而造成不必要的停机损失。
因此对于这种负荷平衡控制方式的机组，一定要考虑其张力分布是否符合控制特点的要求。
3、“强制等比例”负荷平衡控制[1]
3.1控制原理
“强制等比例”负荷平衡控制方式，其基本思路是以一个马达为主动马达，其它马达为从动马达，从动马达的负荷按照主动马达的进行控制，这样各马达的负荷比例基本一致，原理描述如下。
⑽
⑾
⑿
式中：
i=1、2、3…n；
Icm：
master马达的额定电流；
Ibm：
master马达的反馈电流；
Lcm：
master马达的负荷百分比，也就是这种控制方式下的负荷平衡控制的设定值；
Ici:
slave马达的额定电流；
Ibi：
slave马达的反馈电流；
Lbi：
slave马达的负荷百分比，也就是也就是这种方式下的负荷平衡控制实际值；
：
slave马达与master马达的负荷差，也就是这种方式下的负荷平衡控制偏差量。
从上述公式上可以看出，“强制等比例”负荷平衡控制方式的原理来自于一个简单而直观的经验：
同一组张紧辊中各台马达的负荷百分比要趋于相同，这样每台马达输出功率的百分比都将大致相等。
3.2控制特点
“强制等比例”负荷平衡控制方式的特点非常明确：
通过平衡控制，使各马达之间按照相同比例输出功率，正常情况下不会发生同一张紧辊内某个马达负荷高的情况，前后的张力比较大（或较小）时整个张紧辊的马达的负荷都会增大会减小，也就是说如果过载就会同时过载，而不是其中的某一个马达。
其抗过载的能力较强，但是带钢和张紧辊之间可能会有一定的滑动。
图48号、9号张紧辊布置图
三、两种张紧辊负荷平衡控制差异分析与结论
经过对两种张紧辊负荷平衡控制方式的分析，可知：
“仿皮带”负荷平衡控制方式的目标是在设定张力下控制各个马达的负载使带钢与辊子不发生打滑的，而马达的过载能力是由马达配置和张力分布来保证的。
其优点是马达与带钢不会发生打滑。
缺点是控制算法比较复杂，各马达的负载比例会随张力分布的不同而出现较大差异，极端情况下会造成某个马达已过负荷而其它马达负荷很小的情况。
而“强制等比例”负荷平衡控制方式的目标是在设定张力下使各马达的负载趋于一致。
其优点是控制算法相对简单，对张力分布没有特殊的要求。
缺点是当张力比过大时，虽然马达还没有过负荷，但带钢已发生打滑。
当然在设计时必须充分考虑这一点，并留有充分的余量。
因此，两种控制方式各有千秋，在实际运用中，必须充分了解张紧辊负荷平衡控制的原理，根据不同的控制方式采取对应的张力分布手段，以满足工艺控制的要求。
做好这项工作必须由电气工程师和工艺工程师共同完成。
四、参考文献
[1]张伟，汤渊博，李东亭.两种张紧辊负荷平衡控制原理及差异分析[J].变频器期刊,2010（6）.
[2]荣蓓.宝钢三号彩涂机组炉区仪表自动化控制[J].控制工程,2005,（05）.
[3]李洋.张力系统控制[J].武汉可编程控制器与工厂自动化,2009.（4）.
[4]宋建芝.带钢机组张力辊计算和设计研究[J].冶金设备2009
（1）.
[5]李同庆,陈先霖.张力辊打滑与拉矫机延伸率损失[J].上海金属,1997.
（1）.
[6]肖白.我国冷轧板带生产技术进步20年及展望[J].轧钢,2004,21（6）:
15-1.
[7]王贤林.张力辊打滑的机理及其防止措施[J].鞍山钢铁学院学报,2002,
（1）.[8]徐小龙.宝钢冷轧厂新建热镀锌机组张力控制系统研究[D]上海交通大学，2009.
[9]郭良斌,罗治平,韩笑非.冷轧连续退火机组中张力辊组主要参数的设计[J].机械设计与制造,2009,（06）.
[10]黄海生.张力辊组及其控制[J].柳钢科技,2009,（S1）.
[11]谭刚,陈兵.冷轧后处理机组张力辊设计计算[J].机械工程师,2010,（06）.
[12]潘卫东,梅如敏.二次冷轧机组张力辊设计计算[J].江苏冶金,2007,（03）.
[13]李宝.张力辊组设计计算[J].冶金设备,2009,（S1）.
[14]王文广,张清东.宽带钢拉矫过程中延伸率损失现象的有限元仿真研究[J].重型机械,2008,（03）.
[15]李海燕.冷连轧机组中张力辊组的设计[J].一重技术,2006.（04）.
[16]王玉广.连续运行机组张紧辊负荷分配的理论与案例分析[J].上海：
电子工业出版社，2009.
（2）.
[17]袁斌，白锐.连续退火线加热炉带钢张力建模及仿真实验系统[J].中国计量协会冶金分会2010年会论文集,2010.（9）.
[18]高秀敏.带钢张力问题的解决办法[J].冶金设备,1991（6）.
[19]谭凤哲,童君美.关于带钢在连续机组中的张力研究[J].钢铁,1983,（11）.
[20]白锐,佟绍成.连续退火机组跳动辊区域带钢张力的建模及仿真[J].信息与控制,2010,（06）.
[21]王贤林.张力辊打滑机理及其防止措施[J].鞍山钢铁学院学报,2002.
（1）.
升级会员 