Система управления электроприводами планетарной винтовой клети

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Система управления электроприводами планетарной винтовой клети

Общая характеристика объекта

прокатка поперечный винтовой металл

Клеть винтовая планетарная трехвалковая - агрегат с высокой степенью деформации металла для производства круглого проката и бесшовных труб. Планетарная клеть (рис.1) является первым непрерывно работающим агрегатом, в котором уменьшение поперечного сечения материала осуществляется тремя валками за один проход. В непрерывном режиме работы в одном единственном пропуске с помощью только трёх валков достигается такой же коэффициент вытяжки, как на 8…10 клетевом стане непрерывной продольной прокатки.

Рис.1 Общий вид планетарной трехвалковой клети с электроприводами

Валковые механизмы винтовой клети расположены в корпусах, которые могут поворачиваться вокруг своей оси на угол подачи. Валки вращаются вокруг своих осей и вокруг оси прокатки при помощи системы планетарной передачи. Благодаря скрещенному расположению осей валков по отношению к оси прокатки, заготовка протягивается через конический очаг деформации с большим коэффициентом вытяжки до 20 единиц. Планетарное исполнение винтовой клети позволяет осуществлять деформацию металла без его вращения.

Электропривод винтовой клети включает два электродвигателя, которые связанны через систему передач с валковым и корпусным механизмами. Первый двигатель, он главный, используется для вращения валков, этот двигатель выполняет основную работу по деформации металла. Корпус клети с расположенными в нем валками приводится в движение вокруг оси прокатки дополнительным двигателем. Частота вращения корпуса клети регулируется по отношению к частоте вращения рабочих валков таким образом, чтобы устранить вращение проката.

Приведем основные технические характеристики планетарной винтовой клети для прокатки тонкостенных труб из полой заготовки. Эта информация необходима для идентификации двухсвязного электропривода клети.

Диаметр и толщина стенки полой заготовки - 80…100/20…25, мм.

Длина заготовки - не ограничена.

Диаметр и толщина прокатанной трубы - 45…55/2…2,5, мм.

Вытяжка металла за один проход - 14…16 единиц.

Высота клети - 3500 мм.

Длина клети - 3800 мм.

Ширина клети - 3500 мм.

Масса клети - 30 000 кг.

Приведенный к валу главного электродвигателя момент инерции валкового механизма - 11,3кг·м².

Приведенный к валу дополнительного электродвигателя момент инерции корпусного механизма - 63 кг·м².

Характерные геометрические параметры винтовой клети:

- угол скрещивания между осями валка и прокатки - 45⁰,

- кратчайшее расстояние между осями прокатки и валка 100 мм,

- отношение продольной скорости заготовки к её азимутальной скорости или первый критерий винтовой прокатки

=0,72.

Масса одного метра заготовки -100 кг/м.

Производительность стана - 10 000 т/год, эквивалентна минимальной производительности 1 кг/с и минимальной скорости заготовки на входе в клеть

=0,01 м/с.

Мощность нагрева металла до =600єС с теплоёмкостью =0,4 кДж/кг·град при его деформации без учёта потерь тепла - 250 кВт (медная заготовка катается в холодном состоянии).

Валок рабочий:

- диаметр - 100….500 мм,

- длина бочки - 300 мм,

- перемещение валка вдоль своей оси - 80 мм.

Сила прокатки при пределе текучести =150 Н/мм² и площади контакта металла и инструмента S=300·30=9000мм² составляет - 1350 кН.

Момент прокатки при коэффициенте трения 0,3 и среднем радиусе валка 0,2м - 80 кН·м.

Частота вращения валков при скорости входа заготовки =0,1 м/с и константном отношении радиуса очага деформации к его характерному «конусному» размеру

, т. е.

составляет =0,35 об/с.

Частота вращения корпуса клети при азимутальной скорости

конусного очага деформации составляет

=0,5 об/с; .

Характерное отношение частот вращения валков и корпуса клети, при котором компенсируется вращение металла, или второй критерий винтовой прокатки

1,4.

Суммарная мощность электропривода, необходимая для деформации металла тремя валками Р_В=3·80кНм·2·3,14·0,35 об/с600 кВт.

Мощность электропривода, необходимая для ускоренного вращения корпуса клети, которая преодолевает моменты инерции вращения и соответственно трения самой клети и силу инерции заготовки - 160 кВт.

Электроприводы корпуса и валков асинхронные, привод корпуса регулируемый, начальное соотношение частот приводов =1,4 корректируется с помощью энкодера.

Калибровка валков рассчитывается для базисной клети [1], в которую трансформируется данная планетарная клеть. Валки должны быть максимально возможными по габаритам, не пересекаться друг с другом, иметь захватывающий, деформирующий и калибрующий участки. Валки растачиваются на станке с ЧПУ по заданной в [1] программе.

В статье [2] рассмотрены задачи, которые необходимо решать при разработке технического проекта планетарной винтовой трехвалковой клети. В данной статье авторами решается задача управления электроприводами рассматриваемой клети.

Постановка задачи

Прокатка заготовки без ее вращения на выходе клети осуществляется при определенном начальном соотношении частот привода валков и привода корпуса клети.

В литературе существуют два мнения, противоречащие друг другу, относительно распределения мощностей электроприводов валков и корпуса планетарной винтовой клети. Проанализируем эти мнения. В клети, описанной в статье [3] «…ротор с валками приводится в движение главным двигателем при помощи системы планетарной передачи; второй двигатель дополнительный используется для регулирования частоты вращения валков по отношению к частоте вращения ротора». Авторы патента [4] - также считают, что «…основную часть мощности прокатки воспринимает электродвигатель привода обоймы, а электродвигатель привода валков воспринимает небольшую долю мощности и используется для регулировки частоты вращения валков по отношению к неизменной частоте вращения корпуса». При таком распределении мощностей нарушается принцип совместимости. То есть при остановке корпуса клети (обычная винтовая прокатка) и вращении валков должен происходить обычный процесс деформации металла при его вращении. Поэтому, электропривод валков, осуществляющих деформацию металла, должен быть основным, нерегулируемым и большей мощности. А привод корпуса клети - дополнительным, регулируемым малой мощности, при помощи которого компенсируется вращение металла вокруг оси прокатки. Следовательно, суммарная мощность планетарной винтовой клети, приблизительно равна 700 кВт, делится на два привода: основной и дополнительный с отношением равным соответственно 4/1.

В немецкой клети фирмы SMS [5] «…валки приводятся от главного двигателя посредством планетарной передачи. Второй двигатель, как дополнительный привод, приводит солнечное колесо планетарной передачи и служит для предотвращения вращения проката, которое возникает за счёт поперечного движения металла, скомпенсированное вращением корпуса клети». Следовательно, авторами работ [3,4] распределение указанных мощностей привода выбрано не верно. Главный привод, осуществляющий основную работу по деформации металла должен приводить механизмы валковые, а не корпус клети.

Еще одна актуальная задача, которая требует конкретного решения. Поскольку невозможно точно прогнозировать начальное соотношение частот двух двигателей , при котором не было бы вращения металла, поэтому, поворот металла вокруг оси прокатки всегда будет наблюдаться с какой-то ползучей скоростью, которую необходимо компенсировать. Понятно, что угол поворота проката должен быть ограничен, контролируется с помощью энкодера с идентификацией знака его поворота. В связи с тем, что технологические параметры деформации металла неоднородны, поэтому раскат будет поворачиваться с неоднородной скоростью. С точки зрения технологии, неконтролируемое движение металла вокруг оси прокатки недопустимо. Угловое движение металла должно быть контролируемо и соответствовать априори заданной периодической функции, например синусоидальной или линейной в заданных пределах. То есть, проблема может быть решена при помощи организации активного регулируемого рыскания металла вокруг оси прокатки. Для этого при начальном соотношении частот вращения двигателей корпуса и валков , скорость вращения электродвигателя корпуса должна периодически изменяться на величину добавочной скорости с амплитудой колебания , где - угол рыскания проката, - период рыскания, - абсолютная ошибка регулирования скорости управляемого электропривода, составляет 3% от номинальной скорости вращения корпуса. Таким образом, необходимо разработать систему управления электроприводами планетарной трехвалковой клети с целью получения заданного обжима металла с большой вытяжкой и обеспечения возможности совмещения процесса винтовой прокатки с предыдущими и последующими переделами металла продольной прокатки за счет компенсации вращения проката посредством организации активного регулируемого рыскания металла вокруг оси прокатки.

Методика решения задачи

Математическая модель (1) системы управления электроприводами планетарной трехвалковой клети представлена в интегро-дифференциальном виде.

В математической модели (1) в электроприводах корпуса и валков клети используются двигатели постоянного тока с независимым возбуждением, регулируемые по скорости вращения. На практике удобнее применять асинхронные привода и регулируемым должен быть только привод корпуса клети. Это связано с тем, что современные частотные преобразователи с системой векторного управления для асинхронных двигателей по качеству регулирования скорости вращения доведены до уровня электропривода постоянного тока. Следовательно, переходные процессы в двухсвязном асинхронном электроприводе винтовой планетарной клети можно изучать в простом электроприводе постоянного тока.

В системе уравнений (1) известными функциями времени являются U_В(t), U_К(t) - напряжение питания тиристорного преобразователя (В). и - моменты нагрузок, приведенные к роторам двигателей (Н·м); - функция задания угла рыскания; известными параметрами также являются J₁, J₂ - моменты инерции, приведенные к роторам электродвигателей , R₁, R₂ - активные сопротивления якорей двигателей и тиристорного преобразователя (ТП) (Ом), L₁, L₂ - индуктивности силовых цепей ТП-Д (Гн), - постоянные машины, коэффициенты передачи тахогенератора и ТП, соотношение частот приводов, коэффициенты обратной связи по скорости валков и корпуса, коэффициент нормирующего усилителя скорости рыскания; К_П, Т_и - коэффициенты пропорциональной и интегральной частей ПИ-регулятора. Неизвестными функциями времени являются - скорости вращения двигателей валков, корпуса клети и рыскания металла, - функция угла поворота металла, - угол рыскания металла, активно регулируемый по ПИ-закону с ошибкой рассогласования между задающим воздействием для угла рыскания проката и полученным углом поворота металла

.

Используя (1), построим структурную схему системы управления электроприводами клети (рис.2).

Рис.2 Структурная схема системы управления электроприводами планетарной винтовой клети

Моделирование структурной схемы (рис.2) осуществлялось с помощью пакета прикладных программ Matlab - Simulink 6.5. Полученные в результате моделирования переходные процессы наглядно характеризуют работу системы. Задающее воздействие угла рыскания металла изменяется синусоидально с амплитудой равной (рис.3) и со скоростью (рис.4).

Рис.3 Угол задания рыскания металла Рис.4 Скорость задания рыскания металла

Из рис.5 видно, что после переходного процесса длительностью около 1с, амплитуда изменения разности скоростей валков и корпуса клети , равная 0,766 рад/с, соответствует амплитуде скорости задания рыскания металла (рис.4). Из анализа переходной характеристики угла поворота металла вокруг оси прокатки (рис.6) следует, что движение заготовки на выходе из планетарной винтовой клети сопровождается малым периодическим угловым ее перемещением вокруг оси прокатки. Угол поворота заготовки равен 230,393 рад, что соответствует заданному углу рыскания металла (рис.3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.5 Разность скоростей валков и корпуса клетиРис.6 Угол поворота металла вокруг оси прокатки

Амплитуда скорости активного рыскания металла (рис.7), равная 0,766 рад/с, соответствует амплитуде скорости задания рыскания металла (рис.4) и амплитуде скорости вращения электропривода корпуса клети (рис.8).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 7 Скор активного рыскания металла Рис.8 Скорость вращения привода корпуса клети

Из графика переходной характеристики электромагнитного момента привода корпуса , полученной без его ограничения (рис.9), следует, что момент 2 кН•м достаточен для преодоления момента инерции всей клети, равного 63 кг·м². Тогда активное рыскание металла реализуется посредством рыскания скорости привода корпуса клети относительно своего номинального значения, равного =78,5 рад/с, с амплитудой 0,766 рад/с. Поэтому для ускоренного вращения корпуса клети с заданным рысканием необходима мощность, равная:

.

В реальных условиях производства требуется дополнительная мощность на преодоление трения в механизмах клети и силы инерции заготовки при ее ускоренном движении. Следовательно, мощность привода корпуса клети, полученная расчетным путем, на практике удваивается.

Рис. 9 Электромагнитный момент привода корпуса клети

Переходные характеристики скорости вращения привода валков и его электромагнитного момента , полученного без ограничения, представлены на рис. 10, 11. Величина мощности привода валков клети равна: .

Рис. 10 Скорость привода валков клетиРис. 11 Электромагнитный момент привода валков клети

Выводы

1. Объектом управления является технологический процесс поперечно-винтовой прокатки в планетарной винтовой трехвалковой клети. Рассмотрены основные технические характеристики клети. Процесс поперечно-винтовой прокатки в клети планетарного исполнения реализуется посредством двухсвязной электромеханической системы управления электроприводами валков и корпуса клети.

2. При разработке системы управления электроприводами валков и корпуса планетарной винтовой клети проведен анализ распределения мощностей электроприводов валков и корпуса клети. В результате анализа установлено: электропривод валков, осуществляющих деформацию металла, должен быть основным, большей мощности и нерегулируемым, а привод корпуса клети - дополнительным, регулируемым малой мощности, электромагнитный момент которого достаточен для преодоления момента инерции всей клети при реализации активного рыскания её корпуса.

3. Выявлена проблема возникновения ползучей скорости угла поворота металла вокруг оси прокатки из-за неоднородности технологических параметров деформации металла и, как следствие, невозможности точного расчета начального соотношения частот двигателей валков и корпуса клети, при котором не было бы неконтролируемого вращения металла. Указанная проблема решена при помощи организации активного регулируемого рыскания металла вокруг оси прокатки.

4. Разработана структурная схема системы управления электроприводами валков и корпуса планетарной винтовой клети. Методами математического моделирования получены переходные характеристики по основным каналам регулирования, подтверждающие работоспособность системы управления.

5. Разработанная система управления электроприводами планетарной винтовой клети позволяет стабилизировать технологический процесс обжима металла с большой вытяжкой и малым периодическим перемещением его вокруг оси прокатки.

Система управления электроприводами планетарной винтовой клети. Жукова Н. В., Литвинов В. И. Рассмотрен технологический процесс поперечно-винтовой прокатки трубной заготовки в планетарной трехвалковой винтовой клети, как объект управления. Система управления электроприводами планетарной винтовой клети позволяет стабилизировать технологический процесс обжима металла с большой вытяжкой и малым периодическим перемещением его вокруг оси прокатки. The technological process of cross-spiral rolling of tube in planetary mill, as object of control considered. The control system of electric drives of planetary rolling mill allows to stabilize technological process with high reduction of metal and compensation of tube rotation.

Список использованных источников

Проектирование профилировок валков клетей винтовой прокатки /Ф.Е. Долженков, А.Ю. Литвиненко, В.И. Литвинов, Ф.А. Писаренко. - К.: Тэхника, 1992. - 135 с.

Жукова Н.В., Литвинов В.И., Шепель В.М. Планетарный косовалковый стан, как объект автоматизации. /Збірник наукових праць ДонДТУ. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 3 (121). - Донецьк: ДонДТУ, 2007. - С. 6 - 13.

3. M. Rantanen, H. Knaapi Cast and Roll - advanced copper tube technology / «Цветные металлы», №10 1996. - С.26 - 28.

4. Патент Российской федерации №1448466 А1, кл. В21В13/20, В21В35/00. Стан поперечно-винтовой прокатки /Тартаковский Б.И., Ревес И.С., Гриншпун М.И., Тартаковский И.К. и др., заявл. 1987.01.07, опубл. 2000.04.10

5. Э. Бретшнейдер Планетарно-косовалковый стан - агрегат высокомощной деформации для производства круглого материала и бесшовных труб. /СМС Шлоеманн - Зимаг Акциенгезельшафт, Германия: http://www.sms-meer.com

Размещено на Allbest.ru