顧棟

（上海大屯能源股份有限公司鋁板帶廠，江蘇 徐州 221600）

冷軋機(jī)生產(chǎn)張力是冷軋機(jī)生產(chǎn)過程中必須嚴(yán)格控制的參數(shù)，其控制精度將直接影響冷軋機(jī)的尺寸精度和整體質(zhì)量，并可能在冷軋機(jī)板帶生產(chǎn)過程中引起許多不確定性。因此，有必要研究冷軋生產(chǎn)過程中的張力控制要求和方案，以便為冷軋生產(chǎn)打下良好的質(zhì)量基礎(chǔ)。

1 可逆冷軋機(jī)張力控制系統(tǒng)簡(jiǎn)述

1.1 張力控制原理

1.1.1 直接張力控制

直接張力控制是使用張力計(jì)測(cè)量張力，并將其發(fā)送到系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，使實(shí)際的張力達(dá)到預(yù)定義的張力。在生產(chǎn)過程中，使用張力計(jì)直接把張力的大小采集到后，并參與到控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，這樣的控制方法適用于小型的設(shè)備，通常對(duì)于張力的控制要求不大，這種方法在大型高精度的冷軋機(jī)上并沒有采用。

1.1.2 間接張力控制

間接張力控制是通過控制一些與張力有關(guān)的電氣量來實(shí)現(xiàn)控制板帶厚度板形的效果。為了確保實(shí)現(xiàn)恒張力控制，采用最大力矩法控制，根據(jù)電機(jī)的一些基本原理，我們可以找到張力與電動(dòng)機(jī)力矩m的相關(guān)關(guān)系，電動(dòng)機(jī)力矩m包括的不僅是實(shí)際的張力，還包括機(jī)械損耗及加減速部分。

電機(jī)力矩m與張力等的關(guān)系可以表示為m=T·D/2+Jr·dwr/dt(N·m)，根據(jù)所學(xué)的電機(jī)原理和拖動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)我們可以知道；T·D/2是恒速時(shí)的張力大小，單位是N·m；Jr·dwr/dt為生產(chǎn)控制過程中的加速減速的影響量大小，單位是N·m；在公式中，Jr=J1+J2+J3，kg·m2；J1是板材使用的套筒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；J2是生產(chǎn)板材的慣性量，kg·m2；J3是電機(jī)齒輪箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；J1，J3是一個(gè)常數(shù)值；J2=j20+m·S·π/32(與中空的圓柱形相似，其中j20是常量初始值，m是質(zhì)量，S是圓柱的切割面積)。

為了描述方便，可以先不分析加速部分，只進(jìn)行已經(jīng)升速到穩(wěn)定軋制的過程分析。卷曲張力T的近似表達(dá)式為：T=2M/D(1)；其中T為板材的張力，M為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，D是板材卷成圈的直徑。根據(jù)拖動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)和電機(jī)原理和剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的相關(guān)知識(shí)，可以計(jì)算出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩M，如下；M=Cm·φ·I樞（2）；公式中，Cm是固定數(shù)，比例系數(shù)；φ是磁通量；I樞是電動(dòng)機(jī)的電樞電流。帶材的速度為V=π·D·n電/60i（3）；公式中，n電表示電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；i是電機(jī)與套筒的速比。電機(jī)電勢(shì)e可以計(jì)算出，e=Ce·φ·n電（4）；電機(jī)電磁功率P可以計(jì)算為，P=e·I樞（5）；式中，e代表電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)，單位是V；I樞是電流，單位是A；卷曲的功率為N=Tv/10.2（6），其中T為張力，單位是N；v是卷曲的帶材速度，單位是m/s。電動(dòng)機(jī)是通過齒輪變速箱將電動(dòng)機(jī)的功率傳遞到卷軸上轉(zhuǎn)化為卷曲功率，在這個(gè)轉(zhuǎn)化過程中，存在一定的機(jī)械方面?zhèn)鬏數(shù)膿p耗，為方便計(jì)算，忽略損耗部分，卷軸的功率可以當(dāng)做是電動(dòng)機(jī)的功率。令P=N。通過將上述的幾個(gè)公式帶入計(jì)算，得到T=(10.2Ce·φ·n電I樞·60i)/πDn電，使(10.2Ce×1000×60i)/π=K1,可簡(jiǎn)化公式可得T=K1·I樞φ/d；如果令I(lǐng)樞=K2D/φ，那么T=K1·K2，所以控制好I樞和D/φ的線性變化關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)軋制過程中保持恒定張力控制。

1.2 冷軋過程中張力控制的意義

在冷軋機(jī)正常軋制運(yùn)轉(zhuǎn)期間有效控制張力可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)合格質(zhì)量的產(chǎn)品，避免生產(chǎn)事故的發(fā)生。

1.2.1 防止板帶軋制過程中偏離

影響板帶生產(chǎn)穩(wěn)定性的因素很多，例如板帶來料時(shí)有無錯(cuò)層，是否平整，設(shè)備輥系的安裝精度，水平垂直方面是否有偏差，以及生產(chǎn)工藝的合理性，是否有打滑情況等等。冷軋機(jī)在軋制生產(chǎn)過程中，受這些不利的影響，可能會(huì)產(chǎn)生不同的質(zhì)量缺陷，最常遇到的就是板帶軋制過程中的跑偏。針對(duì)板帶的跑偏，在開卷位置上一般都裝有對(duì)中裝置。但受限于速度的影響，一般軋制速度在300m以下對(duì)中起作用，高速時(shí)對(duì)中反應(yīng)不過來，最主要的控制，還是需要通過張力來進(jìn)行控制。張力控制是實(shí)時(shí)性，有利于系統(tǒng)的閉環(huán)控制，可以達(dá)到快速響應(yīng)的目的，可以達(dá)到預(yù)期的張力調(diào)節(jié)效果。

1.2.2 調(diào)整主電機(jī)負(fù)載

張力會(huì)影響變形區(qū)域中的軋制力狀態(tài)，通過張力的控制可以減少縱向壓力的大小，降低軋制力，降低電機(jī)的負(fù)載。這有助于減少金屬變形、軋制壓力和軋制過程中的能耗。前張力減小軋制力矩，后張力增大軋制力矩。生產(chǎn)中為了減少能耗，一般采用的是卷曲張力大于開卷的張力，主電動(dòng)機(jī)的負(fù)載將減小，從而提高軋制的速度。

1.2.3 較好的控制板帶的板形

板材的平整度，板形的基本情況是關(guān)系板帶成品驗(yàn)收質(zhì)量的重要因素，形狀良好，能保證帶材的適當(dāng)平整度。當(dāng)波浪上升到邊緣，中間也出現(xiàn)波浪時(shí)，在板材的表面會(huì)出現(xiàn)拉筋，即使在線觀看時(shí)看不到，或者板形檢測(cè)裝置板形輥因?yàn)榻嵌鹊膯栴}出現(xiàn)失真，但離線觀察后，一定會(huì)出現(xiàn)。所以為了保證板帶的質(zhì)量，保證表面的平坦，通常對(duì)板帶的張力控制要符合允許的拉伸張力。為了達(dá)到良好的控制效果，通常張力的設(shè)定方面既要保證軋制的板帶不被拉斷，也要保證軋制力不能過高。它的設(shè)定與板帶的厚度與寬度有關(guān)，我們考慮的是單位張應(yīng)力，即計(jì)算來料板材橫截面的面積，取單位力來參考。一般的情況，在軋制板材的前幾個(gè)道次，因?yàn)閬砹虾?，通常壓下量也很大，軋制力大，電機(jī)出力多，需要施加附加的張力，在軋制速度提高過程中，減小附加的張力。

1.3 直接張力控制與間接張力控制的比較

通常冷軋機(jī)在軋制過程中，板帶的速度、軋制力、卷取機(jī)速度、開卷機(jī)速度、兩側(cè)鋁卷卷材的直徑都是在實(shí)時(shí)變化，而且互相影響，例如為了保證板帶的厚度，來料板帶厚度的波動(dòng)造成主機(jī)軋制力需要不斷調(diào)整，板帶張力、板帶速度都隨之產(chǎn)生一定的波動(dòng)，而卷取機(jī)鋼卷的直徑是通過板帶速度與卷取機(jī)開卷機(jī)轉(zhuǎn)速及厚度計(jì)算出來，有些時(shí)候還可以采取激光測(cè)距儀直接檢測(cè)實(shí)時(shí)的數(shù)值。通過上面的介紹，這些參數(shù)的測(cè)量精度將直接影響張力的控制精度。直接張力控制法的優(yōu)點(diǎn)是，通過張力計(jì)測(cè)量張力，有利于掌握板帶的實(shí)際張力，而且利用實(shí)測(cè)張力值作為反饋信號(hào)，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，張力計(jì)的檢測(cè)精度較高，卷徑、速度變化等不會(huì)影響張力，所以精度不受干擾，比較穩(wěn)定。但板帶的張力是通過張力計(jì)測(cè)量出來，然后傳給控制裝置，產(chǎn)生一定的時(shí)間滯后，影響張力的實(shí)時(shí)控制，尤其在建立張力的過程中，張力反饋的滯后、突然投入，非常容易產(chǎn)生“反彈”現(xiàn)象，在加減速過程中，產(chǎn)生加大的張力波動(dòng)，造成板形的變化，出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量偏差。但是這種調(diào)節(jié)在低速、產(chǎn)品要求不高時(shí)可以接收，高速時(shí)產(chǎn)生較大的偏差，不利于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，出現(xiàn)張力一直存在一定的波動(dòng)。間接張力控制法直接測(cè)量電機(jī)電流并參與控制，實(shí)時(shí)性能好，反應(yīng)快，尤其在機(jī)組啟動(dòng)及加減速過程中，能夠保證張力波動(dòng)??；如上所述，在間接張力控制法中，張力是通過相關(guān)參數(shù)計(jì)算出來的，張力T受D/φ的影響，計(jì)算出來的板帶張力值受卷取機(jī)、開卷機(jī)板材卷徑測(cè)量精度的影響，也就是板帶的實(shí)際張力與設(shè)定張力存在一定的誤差。

2 故障分析

2.1 軋制生產(chǎn)過程中張力波動(dòng)明顯

在軋制生產(chǎn)過程中，當(dāng)來料鑄軋卷板材的厚度有變化時(shí)，軋制力也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。通常軋制力與來料板材的厚度呈正比變化，厚度引起的軋制力變化會(huì)影響到張力的穩(wěn)定。同時(shí)，軋制速度變化也影響張力的穩(wěn)定。速度越快，板材與接觸面的摩擦力將會(huì)變大，軋制力變大，開卷張力隨著變大，為了保證穩(wěn)定板形，卷曲的張力也需要調(diào)大。板材卷徑和軋制速度的變化以及機(jī)械設(shè)備的機(jī)械損耗和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化都會(huì)影響冷軋機(jī)張力的變化。卷曲張力減少前向滑動(dòng)，開卷張力增加前向滑動(dòng)，前向張力和后向張力同時(shí)增加，軋制力顯著減小，卷曲張力比開卷張力在減小軋制力方面作用更加明顯。但如果盲目增加卷曲張力，整個(gè)變形區(qū)域?qū)⒆優(yōu)楹蠡瑒?dòng)區(qū)域，從而造成板帶的滑動(dòng)并使軋制存在波動(dòng)、震蕩。

2.2 開卷張力或卷曲張力失真

在軋制生產(chǎn)過程中，為了保持恒張力生產(chǎn)，通常經(jīng)過前面的分析計(jì)算，我們通過卷徑、電流等方面參數(shù)的控制，可以實(shí)現(xiàn)恒張力。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，操作手可以通過板面質(zhì)量發(fā)現(xiàn)張力存在問題，預(yù)設(shè)的張力是正確的，但可能會(huì)出現(xiàn)開卷張力或卷曲張力失真，影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。通常這種情況我們需要從控制張力的因素去分析，一個(gè)是速度的反饋，一個(gè)是兩側(cè)卷徑的測(cè)量。只有反饋測(cè)量的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，才能達(dá)到精準(zhǔn)控制。

3 處理措施

3.1 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法

在采用間接張力控制方法中，確保張力控制的準(zhǔn)確性很重要。為了保證張力控制的精度，有必要充分考慮冷軋機(jī)自身固有的摩擦力及其在轉(zhuǎn)速變化時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響。在軋制生產(chǎn)中，動(dòng)態(tài)力矩產(chǎn)生的張力波動(dòng)不能不注意，電機(jī)電流必須從空載補(bǔ)償電流、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電流等方面著手。機(jī)械的損耗與轉(zhuǎn)速有關(guān)，并基本呈正比例的線性關(guān)系，由于開卷機(jī)運(yùn)行時(shí)工作在制動(dòng)狀態(tài)，因此空載電流取負(fù)極性。

3.2 提高檢測(cè)元件精確度及使用過程中的保養(yǎng)

在冷軋機(jī)軋制生產(chǎn)過程，周邊的環(huán)境受軋制油等揮發(fā)的影響，電氣元件的安全使用需要保障。在檢測(cè)元件中，速度檢測(cè)使用的編碼器及兩側(cè)卷徑測(cè)量用到的測(cè)距儀都是重點(diǎn)關(guān)注的元件。通常選擇進(jìn)口品牌，編碼器選擇倍加福，測(cè)距儀采用西克激光測(cè)距儀。它們高精度檢測(cè)的同時(shí)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)母蓴_方面要求很高。首先是要做好屏蔽，確保小電流信號(hào)不被其它電磁因素影響。保證安全使用空間，曾經(jīng)出現(xiàn)過因?yàn)榫幋a器離電機(jī)太近，在加電機(jī)軸承潤(rùn)滑油的時(shí)候因?yàn)榧拥倪^多，造成編碼器進(jìn)油進(jìn)而影響速度檢測(cè)。激光測(cè)距儀在使用的時(shí)候需要注意保持鏡頭的干凈，一旦有鋁屑等落在鏡頭表面，將造成測(cè)量的卷徑不穩(wěn)，進(jìn)而影響張力的穩(wěn)定。

3.3 卷曲張力的合理選擇

冷軋機(jī)軋制的厚度、寬度范圍很廣，來料的合金成分也不盡相同。在軋制過程中，通過出口處的橫斷面面積及張力的大小確定單位面積的張力。在軋制厚度小并且對(duì)板形的要求比較高的產(chǎn)品時(shí)，如果出現(xiàn)軋制裂紋或不規(guī)則波浪時(shí)可以增加張力來為板帶提供預(yù)張力，消除存在的褶皺和波浪，同時(shí)這種方式能夠及時(shí)的對(duì)板帶進(jìn)行準(zhǔn)確觀察，及時(shí)的調(diào)整板的形狀和防止出現(xiàn)斷裂以及裂紋。

卷曲張力的大小決定了作用在板形檢測(cè)裝置上的力，這個(gè)力經(jīng)過轉(zhuǎn)化為板形參數(shù)，顯示在操作臺(tái)供主操手判斷板帶的板形，控制好產(chǎn)品質(zhì)量。但是并非卷曲張力越大越好，一是因?yàn)閺埩^大容易造成薄料的斷帶；二是板帶板面太緊后，在線板形與離線板形偏差較大，容易在板面形成拉筋等質(zhì)量缺陷。

3.4 軋機(jī)開卷張力的選擇

冷軋機(jī)開卷的張力大小不僅與來料板材的合金成分有聯(lián)系，而且與冷軋機(jī)機(jī)前的輥系有關(guān)。入口偏導(dǎo)輥電機(jī)的選擇及控制方式直接影響開卷張力。通常電機(jī)采用變頻器控制。張力的限輻經(jīng)過計(jì)算后設(shè)置在操作畫面中。

3.5 其他

在軋制生產(chǎn)過程中，整個(gè)軋機(jī)系統(tǒng)的輥系精準(zhǔn)度必須達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。在輥系找正的過程中，軋機(jī)牌坊作為基準(zhǔn)，工作輥、支撐輥及前后卷軸必須在允許偏差范圍內(nèi)。兩側(cè)的活動(dòng)支撐需要配合卷軸的測(cè)量，把限位開關(guān)調(diào)整到合理位置。軋制線應(yīng)該高出基準(zhǔn)線4-5毫米，這樣有助于張力控制，從而達(dá)到板帶板形的有效控制。

4 結(jié)語

張力參數(shù)的優(yōu)化是一個(gè)廣泛的領(lǐng)域。一方面在電氣控制系統(tǒng)中盡量做到閉環(huán)控制的及時(shí)響應(yīng)，另一方面，平時(shí)的數(shù)據(jù)記錄，大量的分析必不可少。掌握了合理的張力控制，在保證不斷帶安全生產(chǎn)的同時(shí)，也將大幅提高生產(chǎn)效率，成品率得到明顯提高，經(jīng)濟(jì)效益方面也非?？捎^。