Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих методов непрерывного съема проволоки и электроприводов намоточных аппаратов ...9
1.1. Методы непрерывного съема проволоки на волочильных станах 9
1.1.1. Намоточные аппараты с соосным расположением катушек и их системы электропривода 12
1.1.2. Действия и кинематическая схема двухкату-шечного намоточного аппарата 26
1.2. Разработка технологических требований к электроприводу двухкатушечного намоточного аппарата 29
1.3. Выводы и постановка задачи исследований 32
2. Разработка математической модели двухкатушечного намоточного аппарата как объекта регулирования 34
2.1. Математическое описание участка смотки 35
2.2. Математическое описание технологической нагрузки 40
2.3. Структурная схема комплексной математической модели двухкатушечного намоточного аппарата 50
2.4. Инженерная методика расчета нагрузочных режимов электроприводов катушек и поворотного стола 50
2.5. Выводы 56
3. Разработка электропривода двухкатушечного намоточного аппарата 57
3.1. Определение оптимального закона изменения натяжения в процессе смотки проволоки 57
3.2. Выбор принципов построения автоматизированных электроприводов двухкатушечного намоточного аппарата 61
3.2.1. Анализ схем электроприводов, реализованных на асинхронных двигателях 61
3.2.2. Анализ схем электроприводов, реализованных на двигателях постоянного тока 65
3.2.3. Описание разрабатываемой системы электропривода двухкатушечного намоточного аппарата 68
3.3. Исследование статических режимов работы намоточного аппарата на физической модели 72
3.4. Синтез системы управления 77
3.5.. Исследование динамических режимов совместного пуска и процесса переброса проволоки на математической моде ли 79
3.6. Выводы 89
4. Промышленные экспериментальные исследования разработанных электроприводов 91
4.1. Разработка электрической принципиальной схемы электропривода намоточного аппарата 91
4.2. Алгоритм управления двухкатушечным намоточным аппаратом и его реализация 95
4.3 Методика исследования автоматизированного электропривода двухкатушечного намоточного аппарата 101
4.4 Исследование в промышленных условиях процессов совместного пуска и переброса проволоки 104
4.5 Выводы 108
Заключение 109
Литература 111
Приложения 118
- Действия и кинематическая схема двухкату-шечного намоточного аппарата
- Инженерная методика расчета нагрузочных режимов электроприводов катушек и поворотного стола
- Выбор принципов построения автоматизированных электроприводов двухкатушечного намоточного аппарата
- Разработка электрической принципиальной схемы электропривода намоточного аппарата
Введение к работе
Доля производства длинномерных изделий, таких как проволока, сорт и т.п. в общем объеме выпуска стального проката составляет до 10...12% (или в целом по России до 15 млн. тонн/год). Основным способом их производства является волочение через монолитную волоку, реже прокатка в двух- или многовалковых калибрах [1, 2].
Одним из технологических звеньев процесса производства проволоки являются намоточные аппараты, предназначенные для съема готовой продукции. Увеличение скорости волочения (на современных станах до 40...50 м/с) повышает требования к намоточным устройствам, в частности, к сохранению качества проволоки, достигнутому на волочильном либо прокатном стане, повышению производительности и улучшению условий труда. Это в большей степени зависит от выбран- . ного способа наматывания.
В настоящее время существуют различные способы съема проволоки с волочильных и прокатных станов: сматывание проволоки в бухты при помощи грейфера, с помощью намоточных аппаратов с неподвижным барабаном и наиболее распространенный - на катушки срав- * нительно большой емкости с индивидуальным приводом и др. [3-16]. Все перечисленные способы, наряду со специфическими недостатками имеют и общий для всех недостаток, влияющий на производительность волочильного оборудования в целом, - необходимость остановки процесса волочения либо прокатки для замены катушек после их заполнения.
Стремление повышения производительности волочильного оборудования за счет увеличения объема наматываемой проволоки на катушку, соответственно при меньшем числе остановок наматывающего устройства, не дало положительных результатов. Во-первых, из-за низкого уровня механизации и автоматизации замены заполненных катушек и их транспортировки (многие операции при этом выполняются вручную) процесс производства становится значительно более трудо-
емким. Во-вторых, предприятиям - потребителям стальной проволоки во многих случаях требуется перемотка ее на катушки определенной емкости, чаще в несколько раз меньшей, что ведет к дополнительным затратам материальных ресурсов и времени. Отсюда возникает задача создания принципиально нового намоточного аппарата для непрерывного съема проволоки с волочильных станов, обеспечивающего при любой заданной емкости катушек высокий коэффициент использования механического оборудования, вплоть до единицы.
Одной из наиболее сложных сторон разработки и создания подобных аппаратов, является электромеханическая система переброса проволоки с заполненной катушки на пустую, которая явилась причиной неработоспособности, либо низкой надежности в работе многих проектов [9-14]. Другой не менее важной задачей является разработка автоматизированного электропривода намоточного аппарата, обеспечивающего качественную намотку и надежную работу всего технологического цикла непрерывного съема проволоки. При этом требуют решения вопросы регулирования скорости вращения наматываемой катушки и натяжения проволоки.
Управление угловой частотой вращения барабана, при постоянной линейной скорости подачи сматываемого материала, и его натяжением в большинстве случаев осуществляется специальными системами автоматического регулирования [17-25]. При применении всех указанных систем обеспечивается, как правило, постоянство натяжения наматываемого материала.
Немаловажной задачей при разработке автоматизированного электропривода намоточного аппарата является необходимость учета его динамических свойств. Это связано с тем, что в момент совместного пуска намоточного аппарата и волочильного стана требуется увеличение пускового момента для преодоления сил трения покоя на волочильном стане и момента инерции привода катушки. Также при перебросе проволоки с заполненной катушки на пустую, во избежание пет-
леобразования или рывков, приводящих к обрыву проволоки, необходимо добиться точного равенства линейных скоростей проволоки и керна пустой катушки.
Целью настоящей работы является разработка автоматизированного электропривода принципиально нового технологического объекта
- двухкатушечного намоточного аппарата, реализующего процесс не
прерывного съема готовой проволоки с волочильных, либо прокатных
станов.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
исследование существующих способов непрерывной намотки проволоки и автоматизированных электроприводов намоточных аппаратов, определение причин их ненадежной работы и ухудшения качества го- * товой продукции;
разработка математической модели двухкатушечного намоточного аппарата, исследование динамических режимов методами математического моделирования;
определение оптимального закона изменения натяжения в процессе смотки проволоки;
синтез системы управления электроприводом двухкатушечного намоточного аппарата;
- разработка и исследование автоматизированного электропривода
двухкатушечного намоточного аппарата, реализующего предложенную
технологию непрерывной намотки и обеспечивающего прямой съем
проволоки по оптимальному закону.
Результаты решения поставленных задач отражены в четырех главах диссертации.
В первой главе на основе патентно-литературных исследований дан анализ существующих методов непрерывного съема проволоки на волочильных станах и электроприводов намоточных аппаратов с соос-ным и параллельным расположением катушек. В результате анализа
установлено, что наиболее перспективными и универсальными устройствами для непрерывного съема проволоки после волочильных станов является разрабатываемый двухкатушечныи намоточный аппарат с параллельным расположением катушек. На основе анализа технологических режимов работы сформулированы требования к электроприводам двухкатушечного намоточного аппарата. Определены задачи исследований.
Во второй главе представлено математическое описание электромеханической системы двухкатушечного намоточного аппарата с учетом упругих свойств проволоки, разработана комплексная математическая модель исследуемого объекта. Описана предложенная инженерная методика расчета нагрузочных режимов электроприводов катушек и поворотного стола.
В третьей главе на основе сравнительного анализа возможных схем реализации электропривода катушек двухкатушечного намоточного аппарата обоснован выбор системы вентильно-емкостной преобразователь - двигатель с обратной связью по скорости и возможностью увеличения пускового момента на валу двигателя наматываемой катушки за счет параллельного подключения блоков емкостей вентиль-но-емкостных преобразователей. Исследованы статические режимы работы на специально созданной физической модели намоточного аппарата. Синтезирована система управления электропривода катушек. Определен оптимальный закон изменения натяжения проволоки в процессе ее смотки. Проведен теоретический анализ динамических свойств разработанного автоматизированного электропривода.
Четвертая глава посвящена разработке электрической принципиальной схеме электропривода двухкатушечного намоточного аппарата и исследованию его в промышленных условиях. Используя теорию проектирования дискретных автоматов, разработан алгоритм управления непрерывным циклом намотки и дана его схемная реализация. Для исследования в промышленных условиях опытно-промышленного образ-
ца двухкатушечного намоточного аппарата предложена методика промышленного эксперимента, которая позволила определить динамические свойства намоточного аппарата в режимах Заправки, совместного пуска, переброса проволоки и останова.
В заключении приведены основные результаты проведенных исследований. В приложении представлены акты внедрения результатов научно-исследовательской работы и расчет годового экономического эффекта от внедрения двухкатушечного намоточного аппарата. Основные положения, выносимые на защиту:
Технологические требования к электроприводам катушек и поворотного стола двухкатушечного намоточного аппарата.
Математическая модель двухкатушечного намоточного аппарата как объекта управления.
Методика расчета нагрузочных режимов электроприводов катушек и поворотного стола.
Требования к диапазону и закону изменения натяжения в процессе смотки металлической проволоки.
Система и алгоритмы управления электроприводами двухкатушечного намоточного аппарата.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований статических и динамических свойств разработанного электропривода.
По содержанию диссертационной работы опубликовано десять научных трудов, полученные результаты докладывались и обсуждались на четырех научно-технических конференциях и семинарах.
Действия и кинематическая схема двухкату-шечного намоточного аппарата
Одним из наиболее перспективных устройств для смотки готовой проволоки является разработанный при непосредственном участии автора [40-43] двухкатушечныи намоточный аппарат с параллельным размещением вертикально расположенных катушек. Устройство и принцип действия такого аппарата приведены на рис. 1.9. Рис. 1.9. Устройство (а) и принцип действия (б-з) двухкатушечного намоточного аппарата
Намоточные катушки 1 и 2 установлены на фиксирующих дисках 3, 4 с захватывающими устройствами 5, 6, крепящиеся на приводных валах 7, 8. Последние, через соединительные муфты 9, 10, соединены с приводными электродвигателями 11 и 12. Двигатели расположены на столе 13, имеющем возможность вращения вокруг неподвижного вала 15 от электродвигателя 14. Между катушками 1, 2 установлены ножи 16, 17 и подвижная шторка 18. Переброс проволоки с заполненной катушки на пустую осуществляется следующим образом: проволока 19 (рис. 1.9, б) наматывается на катушку 1. После ее заполнения включается привод катушки 2 и происходит ее разгон. Причем, направление вращения катушек противоположное. Разгон катушки 2 осуществляется до уровня, при котором линейная скорость вращения шейки катушки равна линейной скорости движения проволоки. При достижении равенства этих скоростей шторка 18 поднимается и начинается разворот стола. На рис. 1.9, в показано расположение элементов системы в момент разворота стола на 90. По окончании разворота стола на 180 (рис. 1.9, г) шторка 19 опускается прижимая проволоку 20, которая, огибая шейку катушки 2 и нож 16, попадает в захват 6 и обрезается ножом 17. Катушка 1 останавливается и далее происходит намотка на катушку 2. После ее наполнения цикл повторяется с той лишь разницей, что стол поворачивается в противоположную сторону.
В данной системе переброса важное место занимает самозаклинивающееся центробежное захватывающее устройство, конструкция которого приведена на рис. 1.10.
На фиксирующем диске 1 установлен подвижный сегмент 2 с усеченной поверхностью, который под действием центробежной силы при вращении прижимается к неподвижному сегменту 3, имеющему выступ и образует с ним острый угол, где и происходит заклинивание проволоки. После останова вращения проволока легко высвобождается. Для построения системы автоматического управления электроприводом двухкатушечного намоточного аппарата необходимо установить технологические требования к нему. Эти требования должны определять, прежде всего, статические и динамические режимы работы намоточного аппарата.
Основным требованием, предъявляемым к электроприводам моталок проволочных станов любой конструкции, является обеспечение необходимой точности поддержания натяжения при качественной смотке обрабатываемой проволоки. Отсутствие натяжения является аварийным режимом. Для стабильного протекания процесса смотки (размотки) достаточным является поддержание натяжения с точностью до ±15%.
Технологические требования должны быть обеспечены во всех режимах, в том числе при заправке стана, его разгоне, торможении и стоянке. При этом должны компенсироваться различного рода параметрические возмущения, такие как эксцентриситет бунта, влияние упругих связей и т.п.
Диапазон уставок натяжения зависит от сортамента сматываемого (разматываемого) металла, и, как правило, не превышает 1:10. Диапазон регулирования угловой скорости двигателей D0 моталок зависит от диапазонов изменения радиуса рулона DR и скорости волочения DV 0,=0 = . (1.3) кб vmin где Rmax - максимальный радиус рулона; зо R6 - радиус барабана катушки; Vmax, Vmin - максимальная и минимальная скорости волочения. К приводу разворота стола не предъявляется жестких требований. Чем медленнее будет производится разворот стола, тем благоприятнее (с меньшим изменением величины натяжения проволоки) будут проходить переходные режимы. Единственно, минимальную скорость разворота стола ограничивает то обстоятельство, что большее время будет производится раскладка наматываемой проволоки при увеличенном расстоянии между раскладочным устройством и катушкой, ухудшая тем самым качество раскладки.
Инженерная методика расчета нагрузочных режимов электроприводов катушек и поворотного стола
На основании разработанных математических моделей (рис. 2.2 -2.3, системы рекуррентных уравнений (2.42)) составлена математическая модель двухкатушечного намоточного аппарата как объекта управления. Структурная схема модели представлена на рис. 2.6. Дополнительно к принятым выше на рис. 2.6. введено обозначение: ФП1
- функциональный преобразователь, вычисляющий статический момент на валу двигателя поворотного стола согласно системе (2.42).
Разработанная модель позволяет проанализировать совместную работу электроприводов намоточного аппарата, оценить степень их взаимного влияния и может быть использована при разработке систем управления всеми рассматриваемыми электроприводами.
Надежность работы любого электропривода определяется правильностью выбора его силового оборудования. Принципиально существуют два подхода к выбору мощности электродвигателей - аналитический и метод расчета мощности по кривым удельного расхода энергии. Наиболее универсальным является аналитический метод. Согласно теории электропривода расчет мощности приводного электродвигателя этим методом должен состоять из решения следующих задач [46, 47]:
- расчет моментов сил сопротивления на валу двигателя;
- предварительный выбор двигателя;
- расчет и построение тахограммы и упрощенной нагрузочной диаграммы;
- окончательная проверка двигателя по нагреву и перегрузочной способности.
Таким образом, при проектировании новых агрегатов необходима
инженерная методика расчета нагрузочных режимов приводных электродвигателей. Для электроприводов двухкатушечного намоточного аппарата такую методику возможно разработать на основе изложенного в п.п. 2.1-2.2 математического описания.
На рис. 2.7 приведены упрощенные тахограммы и нагрузочные диаграммы электроприводов катушек и поворотного стола двухкатушечного намоточного аппарата.
Согласно рис. 2.7 тахограмма электропривода катушек имеет следующие режимы работы:
- разгон из состояния покоя до рабочей скорости за время t2- U (t4 -13);
- работа с установившейся скоростью волочения (линейной скоростью смотки) в течение времени U- U {U-U)\
- осуществление за время At обрыва проволоки;
- работа на холостом ходу после переброса проволоки с одной катушки на другую в течение времени t5 -(t4 + At) (tg - (f8 + At));
- торможение за время t6-15 (t10-19) до полного останова;
- время паузы t7-16.
Упрощенная, не учитывающая переходные процессы, нагрузочная диаграмма может быть рассчитана согласно основному уравнению движения электропривода, записанному для рассматриваемого объекта в виде
Мдвм=МСм+МдиНм. (2.43)
Особенности формирования статического момента подробно рассмотрены выше. Динамический момент создается двигателем для формирования кинетической энергии вращающихся инерционных масс и в общем случае может быть определен как
Мдин =JY о _ _двм_—ім_ (244)
Для приводов моталок, вследствие изменения количества проволоки на шпулях и в мотках, характерен режим с изменяющимся в про цессе работы моментом инерции, Jy =var. Согласно выражению
(2.44) динамический момент состоит из двух частей. Первая составляющая связана с изменением угловой скорости двигателя моталки. Учитывая, что
Выбор принципов построения автоматизированных электроприводов двухкатушечного намоточного аппарата
Система электропривода, стабилизирующая момент на валу двигателя в широком диапазоне изменения скорости, может быть реализована как на основе асинхронных двигателей, так и на основе двигателей постоянного тока. Ниже приводится анализ возможных систем электропривода и выбор наиболее целесообразной схемы автоматизированного электропривода двухкатушечного намоточного аппарата.
. Анализ схем электроприводов, реализованных на асинхронных двигателях
Электропривод намоточного аппарата может быть реализован с использованием асинхронных двигателей следующими способами:
- с асинхронным короткозамкнутым двигателем с электромагнитными муфтами скольжения;
- с асинхронным двигателем с фазным ротором и сопротивлением в цепи ротора;
- с системой преобразователь частоты - асинхронный короткозамкнутый двигатель.
Применение электромагнитных муфт скольжения (асинхронные муфты скольжения) основано на форме их естественных характеристик, приведенных на рис. 3.2, а. Поскольку естественная механическая характеристика асинхронной муфты скольжения близка по характеру желаемой механической характеристики намоточного аппарата, то на практике часто ее используют как передаточный орган от двигателя к катушке без наличия дополнительных регулировочных устройств. В этом случае величину натяжения устанавливают путем задания тока возбуждения. Силовая схема такого электропривода приведена на рис. 3.2, б. В случае же необходимости регулирования натяжения с большей точностью, или по определенному закону возможно применение специальных схемы управления.
При использовании двигателя с фазным ротором в цепь ротора включают последовательно активное и индуктивное сопротивления. При этом механические характеристики будут иметь вид, приведенный на рис. 3.3, а. При этом активное сопротивление изменяет величину критического скольжения, а индуктивное - дополнительно и величину критического момента. Подбором этих двух величин устанавливают необходимый вид механической характеристики.
Существенным недостатком рассмотренных способов построения электроприводов намоточного аппарата является их низкие энергетические показатели. Так к.п.д. электромагнитной муфты скольжения без учета потерь на скольжение, не превышающих 3...4 % от передаваемой мощности, может быть определен по зависимости [56] где содв - угловая скорость двигателя;
Аналогичный вид имеет выражение для расчета к.п.д. асинхронного двигателя с фазным ротором и добавочным сопротивлением в цепи ротора.
Значительно более высокими энергетическими характеристиками обладает система электропривода, реализованная на базе преобразователь частоты - асинхронный двигатель. Функциональная схема такой системы приведена на рис. 3.4 [22, 57].
В режиме регулирования момента регулятор скорости находится в насыщении. Уровень насыщения, а следовательно и величина электромагнитного момента двигателя, устанавливается с помощью управляемого блока ограничения. Механические характеристики такого электропривода имеют абсолютную статическую жесткость до ввода в работу блока ограничения и абсолютно мягкий характер - при работе блока.
Разработка электрической принципиальной схемы электропривода намоточного аппарата
Для разработки принципиальной схемы электропривода намоточного аппарата необходимо определить функциональную последовательность действий основных элементов системы электропривода (рис. 4.1) в каждом режиме работы двухкатушечного намоточного аппарата [68].
Режим заправки осуществляется следующим образом. Оператор .нажимает на кнопку "Подготовка" и осуществляет пуск двигателя Д1 или Д2. Выбор двигателя происходит замыканием контакторов Кі и К2. При этом проволока остается неподвижной, получая лишь предварительное натяжение.
Совместный пуск намоточного аппарата и волочильного стана начинается после нажатия кнопки "Пуск стана". При этом к блоку емкостей БЕ1 (или БЕ2) через контактор Кз подключается блок емкостей БЕ2 (или БЕ1) неработающей катушки. Поток обмотки возбуждения ОВД1 (ОВД2), получаемой питание от тиристорного возбудителя ТВ1 (ТВ2)? увеличивается до номинальной величины. Происходит совместный разгон намоточного аппарата и волочильного стана. При достижении установившейся скорости К3 размыкается, а поток уменьшается в зависимости от диаметра наматываемой проволоки до начальной величины.
Разгон пустой катушки, при наполнении рабочей, произойдет при условии нажатия кнопки "Наличие пустой катушки" после того, как с датчика заполнения Д31 (или Д32) поступит сигнал на разгон соответствующего двигателя. При этом замкнется контактор К2 (или Кі).
Уровень заполнения катушки в такой схеме можно фиксировать путем измерения угловых скоростей катушек. Поскольку угловая скорость двигателя при неизменной скорости смотки изменяется обратно пропорционально радиусу мотка то соотношение скоростей двигателей, для одного типоразмера катушек, будет равно соотношению между радиусом барабана катушки и радиусом мотка, т.е. по сути соответствовать уровню заполнения рабочей катушки где одв1, одв2 - соответственно скорости двигателей заполняемой и пустой катушек. Так как информация с датчиков заполнения Д31, Д32 и скорости керна катушки ДС1, ДС2 должна поступать на логический блок управления в импульсном режиме, то их можно выполнить идентичными в виде компораторной схемы, как показано на рис.4.2.
Задача составления алгоритма управления непрерывным циклом намотки проволоки двухкатушечным намоточным аппаратом сводится к логическому проектированию дискретного устройства (автомата), имеющего конечное число входов и выходов с двумя уровнями (в рассматриваемом случае, высокий и низкий электрический потенциал).
На первом этапе логического проектирования необходимо разработать модель конечного автомата. Для этой цели, вначале, в соответствии с 4.1, составим временную диаграмму входных и выходных вбздействий логического устройства (рис. 4.4). В общем случае проектируемый автомат будет иметь вид, изображенный на рис. 4.5. Где Xf,x2,...,Xf0, - входные переменные, a z ,z2,...,z , - выходные переменные, порядковые номера которых соответствуют номерам сигналов на рис. 4.4. Условия работы автомата М запишем в виде таблицы состояний 4.1, в которой каждому из структурных входных состояний составляется структурное выходное состояние. Предполагается, что входные и выходные состояния автомата рассматриваются не непрерывно, а только в некоторые фиксированные моменты времени tj соответствующие указанным повторяющимся режимам работы намоточного аппарата. При этом поведение автомата несущественно в интервале времени между f/_f и tj, этот интервал времени зависит только от порядкового номера / , связанного с временем f,-, т.е. входные и выходные переменные могут быть записаны в виде Х/(/), Z/(/). Причем, очевидно, что выходные и входные состояния автомата, в связи с цик личностью работы намоточного аппарата, будут повторяться в момен ты Времени tj+3, tj+g,... , tj+4, tj+w,...; tj+s, tj+i -J,... , tj+6, tj+tf ,- , f/+7, tl+13,...;tj+8, ti+14,...; соответствующие одноименным режимам.
