李恩學(xué)

（江蘇天淮鋼管有限公司，江蘇淮安223002）

Φ508 mm PQF連軋管機(jī)前臺(tái)芯棒回轉(zhuǎn)臂的傳動(dòng)改造

李恩學(xué)

（江蘇天淮鋼管有限公司，江蘇淮安223002）

介紹了Φ508 mm PQF連軋管機(jī)前臺(tái)芯棒撥入回轉(zhuǎn)臂的工況要求及設(shè)備結(jié)構(gòu)，詳細(xì)核算了前臺(tái)芯棒撥入回轉(zhuǎn)臂的電機(jī)功率；并闡明了該回轉(zhuǎn)臂動(dòng)作過(guò)程中的位置與速度設(shè)定。對(duì)于回轉(zhuǎn)臂速度設(shè)定，首先根據(jù)軋制節(jié)奏給出回轉(zhuǎn)臂動(dòng)作時(shí)間，其次根據(jù)傳動(dòng)計(jì)算出的電機(jī)轉(zhuǎn)速并結(jié)合工況要求來(lái)設(shè)定；對(duì)于加速到的最大速度則按照變頻電機(jī)在額定頻率時(shí)轉(zhuǎn)速值折算到傳動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)速來(lái)設(shè)定。

Φ508 mm PQF連軋管機(jī)；芯棒回轉(zhuǎn)臂；傳動(dòng)電機(jī)；力能參數(shù)；速度設(shè)定

PQF連軋管機(jī)前臺(tái)芯棒撥入回轉(zhuǎn)臂位于芯棒潤(rùn)滑輥道末端、限動(dòng)床身中心線(xiàn)（即軋制中心線(xiàn)）的惰輥旁側(cè)，回轉(zhuǎn)臂在連軋管機(jī)前臺(tái)位置如圖1所示，其作用是將冷卻及潤(rùn)滑后的芯棒從潤(rùn)滑輥道平移到軋線(xiàn)上，等待穿孔毛管到位后插入毛管進(jìn)而軋制。

該回轉(zhuǎn)臂由一臺(tái)交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用變頻器來(lái)調(diào)整電機(jī)的速度和相位，進(jìn)而控制回轉(zhuǎn)臂。電機(jī)軸安裝有1個(gè)增量型編碼器，用來(lái)反饋電機(jī)的實(shí)際速度；另外在安裝回轉(zhuǎn)臂體的傳動(dòng)軸上還配置了1個(gè)絕對(duì)值編碼器，用來(lái)檢測(cè)回轉(zhuǎn)臂體的轉(zhuǎn)動(dòng)位置。該回轉(zhuǎn)臂與芯棒撥出回轉(zhuǎn)臂和限動(dòng)齒條連鎖控制，以防止相互之間的設(shè)備干涉。

整個(gè)回轉(zhuǎn)臂裝置由安裝在兩段傳動(dòng)軸上的5個(gè)回轉(zhuǎn)臂、1臺(tái)位于兩段傳動(dòng)軸中間的直角雙輸出減速器、1臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及聯(lián)軸器等零部件組成，如圖2所示。

在江蘇天淮鋼管有限公司Φ508 mm PQF連軋管機(jī)組中［1-2］，國(guó)外某公司進(jìn)行了該機(jī)組前臺(tái)的基本設(shè)計(jì)，其回轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為210 kW（額定轉(zhuǎn)速為480 r/min，過(guò)載系數(shù)2.0）。照此設(shè)計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熱試時(shí)發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量最大的31.7 t芯棒在回轉(zhuǎn)臂撥料時(shí)出現(xiàn)了撥不動(dòng)的現(xiàn)象；為此，本文對(duì)回轉(zhuǎn)臂的力能進(jìn)行了核算，并對(duì)位置控制進(jìn)行了優(yōu)化。

圖1　回轉(zhuǎn)臂在連軋管機(jī)前臺(tái)位置

圖2　回轉(zhuǎn)臂裝置的組成

1　回轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)

回轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)是斯惠頓杠桿的一種應(yīng)用［3］，常用的回轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)有齒輪式和鏈傳動(dòng)式兩種傳動(dòng)方式。本文介紹的芯棒撥入回轉(zhuǎn)臂采用齒輪傳動(dòng)方式，齒輪回轉(zhuǎn)臂的主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　齒輪回轉(zhuǎn)臂的主要結(jié)構(gòu)示意

臂體和扇形配重與驅(qū)動(dòng)軸剛性連接；動(dòng)齒輪和托盤(pán)固定連接在同一軸上，隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)；定齒輪在保證托盤(pán)叉口豎直朝上的條件下與底座剛性連接，為保證臂體轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中托盤(pán)叉口始終處于豎直朝上位置，定齒輪、中間齒輪及動(dòng)齒輪的齒數(shù)及模數(shù)都完全相同，只要托盤(pán)在安裝時(shí)的初始相位是叉口豎直朝上的，就能保證在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中托盤(pán)能將芯棒平穩(wěn)移送。

2　力能核算

為了方便進(jìn)行力能校核計(jì)算，將回轉(zhuǎn)臂主體裝置按設(shè)備組成分為托盤(pán)、回轉(zhuǎn)體（包括臂體、動(dòng)/定齒輪和中間齒輪等）、配重和傳動(dòng)軸4部分，其主要參數(shù)如下：

最重芯棒質(zhì)量Mx31 700 kg

最重芯棒半徑Rx253.5 mm

回轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)半徑Rh1 008 mm

回轉(zhuǎn)臂數(shù)量Nh5個(gè)

單個(gè)回轉(zhuǎn)臂托盤(pán)質(zhì)量Mt65 kg

單個(gè)回轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)體質(zhì)量Mz1 463 kg

單個(gè)配重質(zhì)量Mp1 064 kg

配重重心與回轉(zhuǎn)中心的距離Rp350 mm

傳動(dòng)軸總質(zhì)量Mc7 269 kg

傳動(dòng)軸直徑Dc270 mm

回轉(zhuǎn)臂由交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，若要確定回轉(zhuǎn)臂電機(jī)功率，首先必須確定負(fù)載軸功率，即電機(jī)輸出軸處的負(fù)載功率［4-5］。負(fù)載軸功率是通過(guò)負(fù)載總轉(zhuǎn)矩計(jì)算出來(lái)的。對(duì)于回轉(zhuǎn)臂裝置而言，負(fù)載總轉(zhuǎn)矩從性質(zhì)上可以分為重力矩、加速轉(zhuǎn)矩及摩擦轉(zhuǎn)矩3部分，即T總=T重+T摩+T加［6-9］。

（1）重力矩T重。設(shè)備要運(yùn)轉(zhuǎn)，首先要克服這部分由負(fù)載本身重量產(chǎn)生的力矩，在配重計(jì)算準(zhǔn)確的條件下，臂體與傳動(dòng)齒輪等在回轉(zhuǎn)軸中心一側(cè)的重力矩由另一側(cè)的配重產(chǎn)生的力矩平衡掉，重力矩僅由有效負(fù)載（即芯棒）產(chǎn)生，且由于回轉(zhuǎn)臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，重力矩的變化呈類(lèi)余弦曲線(xiàn)。若重力系數(shù)g取10 N/kg，各部分的重力矩計(jì)算如下（回轉(zhuǎn)臂水平狀態(tài)時(shí)）。

托盤(pán)產(chǎn)生的重力矩Tt：

Tt=Nh×（Mt×g×Rh）=3 276（N·m）

回轉(zhuǎn)體部分產(chǎn)生的重力矩Tz：

Tz=Nh×（Mz×g×Rh÷2）=36 868（N·m）

配重產(chǎn)生的重力矩Tp：

Tp=Nh×（Mp×g×Rp）=18 620（N·m）

芯棒產(chǎn)生的重力矩Tx：

Tx=Mx×g×Rh=319 536（N·m）

重力矩T重：

T重=Tt+Tz-Tp+Tx=341 060（N·m）

此外，使回轉(zhuǎn)臂順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的力矩為“+”；使回轉(zhuǎn)臂逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的力矩為“-”。

（2）摩擦力矩T摩。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于軸承座內(nèi)軸瓦與軸之間發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心的摩擦力矩，且由于在空轉(zhuǎn)和帶載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸瓦承受的壓力不同，所以產(chǎn)生的摩擦力矩也是變化的，計(jì)算時(shí)通常取其最大值。對(duì)本例來(lái)說(shuō)，最大摩擦力矩為：

其中，摩擦因數(shù)μ=0.15；對(duì)于跑合軸頸，系數(shù)k=1.27［10］。

（3）加速力矩T加。此力矩是設(shè)備在加（減）速過(guò)程中，為了克服回轉(zhuǎn)臂、傳動(dòng)軸和芯棒等負(fù)載自身相對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而產(chǎn)生的。

托盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jt：

Jt=Nh×（Mt×Rh2）=330.2（kg·m2）

回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（假設(shè)臂體為桿件）Jz：

Jz=Nh×（Mz×Rh2÷3）=2 478（kg·m2）

配重轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jp：

Jp=Nh×（Mp×Rp2）=651.7（kg·m2）

傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jc：

Jc=Mc×（Dc÷2）2÷2=66（kg·m2）

芯棒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jx：

Jx=Mx×（Rx2÷2+Rh2）=33 228（kg·m2）

減速器相對(duì)于輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jj：

Jj=0.2（kg·m2）

在回轉(zhuǎn)臂帶載加速時(shí)，加速力矩最大，設(shè)此時(shí)加速度為ε=1.38 rad/s2，則傳動(dòng)軸上總的加速力矩T加為：

T加=（Jt+Jz+Jp+Jc+Jx+Jj）×ε=50 721（N·m）

根據(jù)以上計(jì)算，可得電機(jī)軸負(fù)載總轉(zhuǎn)矩T總：

T總=（T重+T摩+T加）÷i=8 103（N·m）

其中，減速器速比i=50。

根據(jù)電機(jī)軸負(fù)載總轉(zhuǎn)矩可以計(jì)算出軸功率Pf：Pf=（T總×n電）÷9 550÷η=479.1（kW）

其中，電機(jī)轉(zhuǎn)速n電=480（r/min），回轉(zhuǎn)臂負(fù)載轉(zhuǎn)矩大，通常選10級(jí)電機(jī)，效率η=0.85。

以上是按照回轉(zhuǎn)臂取料（即帶載）加速階段來(lái)計(jì)算的，此階段負(fù)載轉(zhuǎn)矩最大，因此計(jì)算出的軸功率為一個(gè)動(dòng)作周期中的最大軸功率，為經(jīng)濟(jì)效益起見(jiàn)，在選取電機(jī)時(shí)對(duì)回轉(zhuǎn)臂取料（即帶載）加速階段按過(guò)載運(yùn)行處理，對(duì)于電機(jī)過(guò)載系數(shù)λ=2.0來(lái)說(shuō)，則可選取的電機(jī)功率計(jì)算值P選為：

P選=Pf÷λ=239.6（kW）

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，初定電機(jī)功率為250 kW，選擇國(guó)內(nèi)10級(jí)電機(jī)（轉(zhuǎn)速為480 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為4 974 N·m，過(guò)載系數(shù)為2.0，最大轉(zhuǎn)矩為9 948 N·m）。該電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為12.8 kg·m2。

依據(jù)回轉(zhuǎn)臂整個(gè)動(dòng)作周期，計(jì)算從取料到放料以及待料的負(fù)載力矩曲線(xiàn)，一個(gè)動(dòng)作周期的力矩-時(shí)間曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4　一個(gè)動(dòng)作周期的力矩-時(shí)間曲線(xiàn)

在取料到放料約9 s時(shí)間段內(nèi)取9個(gè)點(diǎn)，求出每個(gè)時(shí)段末的負(fù)責(zé)等效力矩，具體見(jiàn)表1。

表1　每個(gè)時(shí)段末的負(fù)責(zé)等效力矩

等效力矩Tdx為：

等效力矩Tdx（4 100 N·m）在額定轉(zhuǎn)矩4 974 N·m的83%范圍內(nèi)，而該電機(jī)為變頻器控制，起制動(dòng)過(guò)程平滑，無(wú)突然沖擊，電流控制在額定電流200%以?xún)?nèi)，因此電機(jī)力矩及發(fā)熱校核結(jié)果符合電機(jī)特性。

由上述計(jì)算可知，選擇功率250 kW、轉(zhuǎn)速480 r/min、額定轉(zhuǎn)矩4 974 N·m、過(guò)載系數(shù)為2.0的電機(jī)，其力能滿(mǎn)足負(fù)載工況。

3　位置及速度設(shè)定

根據(jù)工藝條件及設(shè)備關(guān)系，對(duì)回轉(zhuǎn)臂動(dòng)作過(guò)程中的位置及速度的設(shè)定是回轉(zhuǎn)臂控制的前提條件。回轉(zhuǎn)臂周期性工作，轉(zhuǎn)一圈為1個(gè)動(dòng)作周期，在1個(gè)動(dòng)作周期上有啟動(dòng)位S、取料位P、帶載加速位A、與潤(rùn)滑線(xiàn)干涉位B、干涉檢測(cè)位C、與限動(dòng)干涉位D、帶載減速位E、放料位R、空載加速位F、與限動(dòng)干涉結(jié)束位G、與撥出回轉(zhuǎn)臂干涉結(jié)束位H以及空載減速位I，共計(jì)12個(gè)位置點(diǎn)，如圖5所示，這些位置點(diǎn)都是控制的關(guān)鍵所在。

圖5　回轉(zhuǎn)臂動(dòng)作過(guò)程中的12個(gè)位置示意

對(duì)于回轉(zhuǎn)臂速度設(shè)定，首先根據(jù)軋制節(jié)奏給出回轉(zhuǎn)臂動(dòng)作時(shí)間，其次根據(jù)傳動(dòng)計(jì)算出的電機(jī)轉(zhuǎn)速并結(jié)合工況要求來(lái)設(shè)定，本項(xiàng)目給定1個(gè)動(dòng)作周期為9 s。由于最大芯棒質(zhì)量達(dá)31.7 t，因此取料及放料要輕，速度要慢，即P點(diǎn)、A點(diǎn)、R點(diǎn)、F點(diǎn)速度設(shè)定值為0.17 rad/s。對(duì)于加速到的最大速度則按照變頻電機(jī)在額定頻率時(shí)轉(zhuǎn)速值折算到傳動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)速來(lái)設(shè)定，本項(xiàng)目為1 rad/s。根據(jù)速度設(shè)定值與位置點(diǎn)即可繪制出速度曲線(xiàn)，即v-t曲線(xiàn)，如圖6所示。v-t曲線(xiàn)中加減速的斜率在調(diào)試中根據(jù)不同孔型、不同節(jié)奏時(shí)間進(jìn)行了調(diào)整［11］。

圖6　回轉(zhuǎn)臂v-t曲線(xiàn)示意

4　電氣控制

電氣控制從屬于芯棒循環(huán)控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)采用ABB的AC800PEC系列，傳動(dòng)系統(tǒng)采用ABB的ACS800系列，采用帶編碼器的直接轉(zhuǎn)矩控制，精確控制速度。為了保護(hù)鋼管表面，回轉(zhuǎn)臂在接管和放管時(shí)要“輕拿輕放”，同時(shí)為了滿(mǎn)足生產(chǎn)節(jié)奏，回轉(zhuǎn)臂需快速定位。

軟件系統(tǒng)采用步序控制功能塊，根據(jù)回轉(zhuǎn)臂的運(yùn)動(dòng)流程，將回轉(zhuǎn)臂的動(dòng)作分成若干步序，步序之間由相應(yīng)條件觸發(fā)，完成回轉(zhuǎn)臂的動(dòng)作流程。為了滿(mǎn)足生產(chǎn)節(jié)奏，減小回轉(zhuǎn)臂的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，其中的某些步序采用平方根定位控制。

位置控制原理如圖7所示，位置給定和位置反饋的誤差經(jīng)過(guò)平方根位置控制后得到被控對(duì)象的線(xiàn)速度，通過(guò)速度轉(zhuǎn)換函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)斜坡函數(shù)到傳動(dòng)裝置及機(jī)械設(shè)備進(jìn)行控制。當(dāng)位置控制進(jìn)入比例調(diào)節(jié)區(qū)間范圍時(shí)，經(jīng)速度轉(zhuǎn)換函數(shù)出來(lái)的速度將直接給到傳動(dòng)裝置［12］。

5　結(jié)論

回轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)是鋼管生產(chǎn)車(chē)間常用的物料移送設(shè)備，精確計(jì)算力能參數(shù)是設(shè)備正常運(yùn)行的前提條件，特別對(duì)最大規(guī)格機(jī)組而言，由于負(fù)載大，回轉(zhuǎn)臂的電機(jī)力能計(jì)算尤為重要，電機(jī)功率選取的偏差往往會(huì)給熱試帶來(lái)麻煩。其中，回轉(zhuǎn)臂的位置及速度設(shè)定對(duì)整個(gè)動(dòng)作的控制也是不可缺少的條件，要實(shí)現(xiàn)工藝要求做到輕拿輕放，需要在力能計(jì)算基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的位置及速度設(shè)定。

圖7　位置控制原理

［1］李群.天淮項(xiàng)目Φ508 mm PQF三輥連軋管機(jī)組熱試成功［J］.鋼管，2012，41（3）：23.

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Modification of Drive for Inlet Table Rotary Arm of Φ508 mm PQF Pipe Mill

LI Enxue
（Jiangsu Tianhuai Steel Tube Co.，Ltd.，Huaian 223002，China）

Described in the article are the operation conditions as required for and the equipment structure of the inlet table kick-in rotary arms of the Φ508 mm PQF pipe mill.The electrical motor power for the arm device is calculated carefully for check.And setting of the positions and the speeds as required for the rotary arm movement process are elaborated.The rotary arm speed must be set up with combination of the three elements，i.e.，first the rotary arm movement time that is calculated based on the rolling cycle，then the electrical motor’s rpm as computed as per the arm rotations，and the operation conditions as well.As for how to accelerate the system to the maximum speed，it must be determined based on the drive spindle’s rotation rate as converted from the variable-frequency motor’s rpm under its rated frequency.

Φ508 mm PQF pipe mill；mandrel-transferring rotary arms；drive motor；energetic parameters；speed setting up

TG333.8搖搖

B搖

1001-2311（2016）02-0045-05

李恩學(xué)（1970-），男，高級(jí)工程師，設(shè)備能源部部長(zhǎng)，主要從事軋管機(jī)組機(jī)電設(shè)備運(yùn)行管理工作。

2015-09-01；修定日期：2015-12-03）