CC BY
11Асимметрия в соединениях главной линии прокатного стана
Мальцев Анатолий Иванович
к.т.н., доц., ЭПИ МИСиС, a.a.mal@mail.ru
Мальцев Андрей Анатольевич
к.т.н., доц. кафедры МТ-10, bauman@bmstu.ru
МГТУ им Н.Э. Баумана,
Необходимость изменения раствора валков, а также частой и быстрой их сменяемости требует применения узлов валков с зазорами между подушками и стойками станин рабочих клетей, а также соединений с зазорами линии привода прокатного стана. Одной из причин динамического режима работы прокатного стана является наличие люфтовой асимметрии в соединениях главной линии прокатного стана. Дана оценка явлению люфтовой асимметрии в узлах клетей прокатных станов. Выявлены причины ее возникновения. Предложены технология использования программной среды N Multisim для анализа влияния люфта механического редуктора в автоматической системе управления скоростью вращения объекта и структура блока, моделирующего кинематический люфт в системе программирования N Multisim. Исследовано влияние люфта на работу автоматической системы управления скоростью вращения электродвигателя.
Ключевые слова: Узлы валков, подушки и стойки станин, рабочие клети, соединения с зазорами, линия привода.
Введение
Введение механического редуктора в структуру электропривода приводит к появлению кинематического люфта между двигателем и объектом управления. Люфт увеличивает погрешность системы из-за потери управляемости в момент нахождения её в зоне люфта и создаёт ударные перегрузки системы в момент выхода из зоны люфта.
С другой стороны, зазоры в соединениях рабочей клети и линии привода стана крайне нежелательны из-за роста динамических нагрузок при увеличении скоростей прокатки [1,4,8]. Однако и при небольших скоростях прокатки возможно резкое неравенство нагрузок в параллельно работающих силовых элементах линии привода и рабочей клети прокатного стана. Это происходит из-за асимметрии нагружения, обусловленной неравенством зазоров.
Раскрытие зазоров связано также с технологическими особенностями процесса прокатки и режимами работы машины.
При открытых зазорах в соединениях линии привода перед захватом полосы весь момент прокатки может передаваться одним валком, который через взаимодействие с полосой вращает другой валок вплоть до замыкания зазора. Это означает, что люфтовая асимметрия вызывает асимметрию привода валков, когда один валок приводной, а второй холостой [2,4,6].
Рис.1. Главная линия рабочей 4-валковой клети.
Состояние зазоров в шарнирах шпинделей и в соединении валковой муфты с хвостовиком валка рабочей клети зависит главным образом
х
X
о
го А с.
X
го т
о
ю 2
М О
О)
о
см
см
О!
о ш т
X
<
т О X X
от настроики устройств уравновешивания шпинделей.
При существенном неуравновешивании или переуравновешивании шпинделя возникает перекос осей валка и муфты, рис. 2 [5,6,8].
В11111==! Ж
Рис.2. Перекос осей валка и муфты:4 - валок, 5 - муфта
Неизбежна асимметрия и в соединениях рабочей клети и привода.
При конструировании прокатных станов нередко специально создают различные виды асимметрии для уменьшения значений энергосиловых параметров, повышения точности проката и качества его поверхности, создания верхнего или нижнего давления для направления прокатываемой заготовки или предотвращения ударов передним концом заготовки по роликам рольганга.
Наиболее распространена скоростная асимметрия, имеющая несколько разновидностей в зависимости от соотношения катающих
радиусов ' , угловых г «
м
, угловых г и окружных
н скоростей рабочих валков (рис. 3).
Скоростная асимметрия вызывает отклонение от вертикали линии действия силы прокатки Р
1 , что приводит к неравномерному нагружению рабочих валков .
Так, при прокатке фасонных профилей один из двух валков (с закрытой частью калибра) имеет больший диаметр. Неравенство катающих радиусов и боковые силы трения в закрытой части калибра (их действие аналогично увеличению окружной скорости валка) создают резко неравномерное распределение моментов прокатки между валками: отношение моментов достигает 1:5, 1:10, а иногда валок с закрытой частью калибра принимает на себя полный момент прокатки.
На практике встречаются случаи прокатки с холостым валком или валком, работающим от вспомогательного маломощного электродвигателя (в последних клетях проволочных и мелкосортных станов). Это же происходит при поломке шарнира или вала одного из шпинделей. Применение холостого валка, например, в тонколистовых станах дуо с валками одинакового диаметра, способствует улучшению качества поверхности листов, так как в этом случае скорость его вращения устанавливается в соответствии со скоростью движения прокатываемой полосы благодаря трению между валками и прокатываемой полосой.
Асимметрия относительного положения рабочих валков характеризуется относительным их смещением вдоль оси прокатки, перекосом в вертикальной или горизонтальной плоскостях, а также осевой сдвижкой рабочих валков, рис. 4.
о о
Рис. 3. Скоростная асимметрия: а — схема прокатки; б -вид сбоку
Рис. 4. Асимметрия относительного положения валков и полосы:
а — осевая сдвижка валков; б — смещение полосы от оси прокатки; в — вертикальный наклон полосы; г — косой рез переднего края полосы; д — горизонтальное смещение валков; е — вертикальный перекос валков; ж — смещение валков вдоль оси прокатки
Асимметрия положения полосы относительно валков перед захватом может привести к асимметрии нагружения деталей и узлов, как линии привода, так и рабочей клети.
Если при захвате слитка под углом 5Г к оси валка перегружены детали и узлы левой станины, то при выходе слитка из валков будут перегружены детали и узлы правой станины. Асимметричное нагружение также возникает при захвате полосы с косым резом переднего края под
углом ^ к оси рабочего валка.
Наклон полосы в вертикальной плоскости на
угол ^ приводит к неравномерному распределению моментов между валками. При перекосе валков в вертикальной плоскости или некачественном изготовлении текстолитовых вкладышей подшипников скольжения обжимных и крупносортных станов реакции смещаются в направлениях от бочки валка к краям подшипников.
Угол ^ задачи заготовки в валки зависит от высоты расположения станинных роликов по сравнению с плоскостью прокатки, от выходной высоты заготовки и величины обжатия, от длины заготовки, а также от кривизны заготовки, в особенности ее входного конца. Наклонная задача полосы в валки возникает также при нарушении постоянства секундных объемов при непрерывной прокатке. Если вторая клеть не успевает принимать весь материал, подаваемый первой клетью, то неизбежно образуется петля и получается наклонная задача заготовки со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Жесткостную асимметрию вызывает неодинаковость жесткостей параллельно работающих участков линии привода, всегда сильнее нагружен более жесткий валопровод.
Люфтовая асимметрия в линии привода возникает из-за неравенства зазоров в соединениях верхнего и нижнего валопроводов. При открытых зазорах в соединениях линии привода перед захватом полосы, весь момент прокатки будет передаваться одним валком, который через взаимодействие с полосой вращает другой валок, то есть один рабочий валок фактически является холостым вплоть до замыкания зазора. Люфтовая асимметрия возникает также в соединениях рабочей клети. В горизонтальной плоскости люфтовая асимметрия возникает из-за различия зазоров между подушками и стойками станин, что может привести к относительному смещению рабочих валков вдоль оси прокатки.
Фрикционная асимметрия возникает при различии сил трения на контакте валков с прокатываемой полосой, при различии КПД параллельных валопроводов, а также при различии сил трения в подшипниковых опорах валков.
Различие КПД верхнего и нижнего валопро-водов также является одним из источников неравномерного распределения моментов между валками. Потери на трение в зацеплении шес-
теренных валков обусловливают более низкий КПД (0,88...0,92) того валопровода, который получает момент от ведомого валка шестеренной клети по сравнению с другими (0,94....0,98).
При равенстве прочих параметров валопро-вод с большим КПД нагружен большим моментом прокатки. Так, на некоторых непрерывных заготовочных станах двигатель соединен с верхним шестеренным валком, и верхний шпиндель передает 58.63% полного момента — при подшипниках качения в шестеренной клети, и до 70.80% — при подшипниках скольжения.
Асимметрия моментов вызывается также конструктивными особенностями прокатного стана, например, разными углами наклона верхнего и нижнего шпинделей.
Для исследования процессов, происходящих в системе с люфтом, разработана структура блока, моделирующего в среде N1 МШ^^ кинематический люфт между электродвигателем и объектом управления. Схема соединений модели системы, управляющей скоростью электропривода, с моделирующим люфт блоком приведена на рис. 5[3].
Рис. 5. Схема соединений модели системы управления электроприводом с люфтом [3].
Основные правила работы в программной среде N1 МШ^^ изложены в работах [3,5,7].
Во время набора скорости вращения электродвигателем, после входа
в зацепление, люфт не проявляется и график переходного процесса на этом
этапе не отличается от графика переходной характеристики системы без
люфта. Воздействие дополнительной нагрузки приводит к появлению люфта, возникновению бросков скорости вращения электродвигателя и колебаниям силы тока якоря.
Графики переходных процессов электродвигателя и объекта, приведённые на рис. 6 [3], показывают, что при входе системы в зону люфта
X X
о
го А
с.
X
го т
о
ю 2
М О
скорость вращения электродвигателя резко возрастает, а скорость вращения объекта падает.
О)
о
СЧ
СЧ OI
О Ш
m х
<
m о х
X
u 140
-i
120
100
= КО
= 60
n тй 40
20
;
i 0
-20
И ц Щ U Л
- -
140
.20 | 100 7 ко Ё 60 <| 40 J 20 =
0 и -20
0 0,25 0,50 0.7! 1,00 1.25
Время. МС
Рис. 6. Графики переходного процесса по скорости вращения электродвигателя и объекта в системе с люфтом [3]: синяя линия — скорость вращения электродвигателя, красная линия — скорость вращения объекта.
Из графиков движения объекта следует, что наличие люфта в системе с большой инерцией объекта практически не влияет на его скорость движения в установившемся режиме, но создаёт большие динамические нагрузки на редуктор и электродвигатель в момент выхода из зоны люфта.
Предложенная модель позволяет оптимизировать параметры системы с учётом возможных изменений параметров объекта и свойств реального редуктора, используемого в реальной системе.
Литература
1. Колесников А.Г., Яковлев Р.А., Мальцев А.А. Технологическое оборудование прокатного производства / А.Г. Колесников. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2014. -158 с.
2. Мальцев А.А, В.А. Соболев, И.В. Кожевников. Исследование в среде МаШСАй крутильных колебаний электропривода стана дуо-160. «Инженерный вестник», Сентябрь, № 09, 2014. С. 96-102.
3. Листопадова Ю. И., Николаев В. Т., Са-пожникова Л. Б. Моделирование люфта электропривода в программной среде N1 МиШэт при управлении скоростью движения / Ю. И. Листопадова // Электронные информационные системы. - 2015. - № 2 (5). С.19-30.
4. Мальцев А.А. Динамика и прочность электропривода клети дуо-160. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2016. 52 с.
5. Восканьянц А.А. Автоматизированное управление процессами прокатки. Учеб. Пособие. МГТУ им. Н.Э. Баумана, -85 с., 2010.
6. Яковлев Р.А., Мальцев А.А., Русаков А.Д., Трайно А.И., Вольшонок И.З. Исследование люфтовой асимметрии прокатных клетей. Производство проката. 2014. № 10. С. 41-48.
7. Красовский А.Б. Основы электропривода: учебное пособие / А.Б. Красовский. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2015. - 405 с.
8. Филатов А. А., Яковлев Р.А. Динамические нагрузки в двухвалковой шестеренной клети прокатного стана. — М.: Производство проката, №9, 2008. С. 27-32.
9. Николаев В. Т. Моделирование электрических схем электронных
устройств автоматики. М.: МИЭТ, 2014. 188 с.
10. Яковлев Р.А. Асимметричное нагружение прокатных станов: Учебн. пособие / Под ред. А.Г. Колесникова. М: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2001. 84 с.
Asymmetry in of the main line of the rolling connections mill
Maltsev A.I., Maltsev A.A.
EPI of MISIS
One of the reasons of a dynamic operating mode of the rolling mill is existence of backlash asymmetry in connections of the main line of the rolling mill. The paper proposes a technology of software environment NI Multisim application for analysis of mechanical reduction gear play effect in the object rotation automatic control system and structure of a unit simulating the kinematic play in program development system NI Multisim. The play effect on the automatic control system of electric motor rotation velocity is studied. Keywords: Knots of wolves, pillows and racks of beds, working cages, connections with gaps, the drive line.
References
1. Kolesnikov A.G., Jakovlev R.A., Mal'cev A.A. Tehnologicheskoe oborudovanie prokatnogo proizvodstva / A.G. Kolesnikov. - M.: Izd-vo MGTU im. N.Ye. Baumana. -
2014. -158 s.
2. Mal'cev A.A, V.A. Sobolev, I.V. Kozhevnikov. Issledovanie v
srede MathCAD krutil'nyh kolebanii yеlektroprivoda stana duo-160. «Inzhenernyi vestnik», Sen^br', № 09, 2014. S. 96-102.
3. Listopadova YU. I., Nikolaev V. T., Sapozhnikova L. B. Modelirovanie lyufta yеlektroprivoda v programmnoi srede NI Multisim pri upravlenii skorost'yu dvizhenijа / YU. I. Listopadova // Yelektronnye informacionnye sistemy. -
2015. - № 2 (5). S.19-30.
4. Mal'cev A.A. Dinamika i prochnost' yеlektroprivoda kleti duo-
160. M.: Izd-vo MGTU im. N. Ye. Baumana. 2016. 52 s.
5. Voskan^nc A.A. Avtomatizirovannoe upravlenie processami
prokatki. Ucheb. Posobie. MGTU im. N.Ye. Baumana, -85 s., 2010.
6. Jakovlev R.A., Mal'cev A.A., Rusakov A.D., Traino A.I., Vol'shonok I.Z.
Issledovanie lyuftovoi asimmetrii prokatnyh kletei. Proizvodstvo prokata. 2014. № 10. S. 41-48.
7. Krasovskii A.B. Osnovy yеlektroprivoda: uchebnoe posobie /
A.B. Krasovskii. - M.: Izd-vo MGTU im. N.Ye. Baumana. -2015. - 405 s.
8. Filatov A. A., Jakovlev R.A. Dinamicheskie nagruzki v dvuhvalkovoi shesterennoi kleti prokatnogo stana. — M.: Proizvodstvo prokata, №9, 2008. S. 27-32.
9. Nikolaev V. T. Modelirovanie yеlektricheskih shem yеlektronnyh
ustroistv avtomatiki. M.: MIYeT, 2014. 188 s.
10. Jakovlev R.A. Asimmetrichnoe nagruzhenie prokatnyh stanov: Uchebn. posobie / Pod red. A.G. Kolesnikova. M: Izd-vo MGTU im. Baumana, 2001. 84 s.
