CC BY
29
ПРОЦЕСС КАНТОВКИ И СИСТЕМА ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ КАНТУЮЩИМ МЕХАНИЗМОМ МАНИПУЛЯТОРА ПРОКАТНОГО СТАНА
Светлой памяти моей мамы посвящается
УДК 621.771.06 - 004.942 Б. Н. Поляков Г. Саратов
Статья посвящена формированию методологии при исследовании и создании локальной системы программного управления кантующим механизмом манипулятора блюминга и результатам ее применения: защите от технологических сбоев и перегрузок, снижению динамической нагруженности и повышению надежности оборудования, обеспечению его длительной работоспособности, улучшению качества управления.
Ключевые слова: опыт создания первой промышленной комплексной системы автоматизации высокопроизводительных блюмингов, кинематическая схема кантователя, автоматизация манипулятора, кантователь блюмингов, САПР, оптимизация кинематических схем, рычажные механизмы.
.. .Любовь к своей работе представляет собой наилучшее, наиболее конкретное приближение к счастью на земле.
Примо Леви. Ужимки обезьяны.
Стейси Шифф. Сент-Экзюпери. Биография.
Модернизация России, объективно необходимая для перестройки и ускорения развития экономики в XXI веке, как это совершенно обоснованно утверждает М. Б. Ходорковский [1], должна опираться на весьма представительный (не менее 3 % трудоспособного населения) социальный «класс». «Основу модернизационного класса могут составить, в частности: профессиональные инноваторы, ученые и инженеры, молодые специалисты с высоким творческим потенциалом, не окончательно потерявшие надежду реализоваться на Родине, достаточно широкие слои гуманитарной интеллигенции. Модернизаторами России могут быть люди только созидательного типа мышления» [1].
Для модернизации необходимы высокообразованные ученые и инженеры широчайшего диапазона специальностей, работающие в ведущих отраслях промышленности и владеющие всем спектром методов современной научной методологии (инструментария): математическими методами вычислений (в том числе, статистическими), методами компьютерного
моделирования, проведения вычислительных и натурных экспериментов, эффективными методами информационных технологий как общенаучными методами, прилагаемыми к разнообразным специализированным методам высоких микротехнологий. Покажем большую информативность, прагматизм и реальную эффективность вышеуказанных научных методов на примере конкретной разработки, выполненной в период 60-70-х годов XX века (как прообраза новой науки - мехатроники) на заре применения электронных вычислительных машин (ЭВМ).
Если управление надежностью и долговечностью машин и агрегатов на стадии проектирования обеспечено достаточно продуктивными разработками аналитических и численных методик и средствами САПР, содержание и эффективность которых показаны в работе [2], то резкой их противоположностью является состояние методов и средств повышения или хотя бы поддержания надежности и длительной (заданной) работоспособности оборудования
при эксплуатации. Автоматизация, диагностика и мониторинг - эти современные средства теротехнологии (то есть организации системы управления эффективным функционированием оборудования), опирающиеся на информатику, при нарушенных экономических отношениях в металлургии и машиностроении, недостаточно развиты в прокатном производстве, их состояния и реальные уровни сравнительно низки.
Опыт, приобретенный при создании и внедрении первой промышленной комплексной системы автоматизации высокопроизводительных блюмингов 1300 [3], обьединившей все лучшие в то время достижения науки, тяжелого машиностроения и электромашиностроения, автоматики и вычислительной техники (выпуск первых управляющих ЭВМ «ВНИИЭМ - 3»), убедил в реальных возможностях и преимуществах применения систем жесткого или адаптивного программного управления и цифровых систем с УВМ не только для построения и реализации (даже в режиме советчика) энергоэкономных и производительных технологических схем и режимов, но и для защиты механо- и электрооборудования от нарушений технологии и сбоев ручного управления, коррекции режимов на-гружения при аномалиях в процессе прокатки и износе, то есть для управления надежностью и долговечностью на стадии эксплуатации.
Практическая деятельность по автоматизации обжимных и других заготовочных станов в периода 60 - 80-х годов ХХ века позволила прочувствовать насущную необходимость глубокой проработки и научной системной методологии исследования процессов и объектов управления с позиции автоматизации и дала возможность сформировать и опробовать некоторые ее аспекты при создании автоматических программных и цифровых систем с УВМ, а в дальнейшем более обоснованно определить принципы и структуру систем автоматизации на других объектах прокатного производства.
Подтвердились простота и информативность методологии исследования автоматизируемых процессов с позиции управления, основанной на широком применении методов теории вероятностей, математической статистики, математического моделирования на ЭВМ, заключающейся в единстве и последовательности решения трех задач:
- статистические исследования технологического процесса с позиции автоматизации и управления - это выявление информативно-управляющих параметров (в том числе и состава датчиков), оценка величины помех,
обоснование возможности и принципов автоматизации и формирование технологических основ алгоритма управления;
- разработка математической модели, оценка ее адекватности и моделирование (проведение вычислительных экспериментов) на ЭВМ - численная оценка принципов и структуры системы, выбор ее рациональных параметров и уставок;
- проектирование систем жесткого программного или адаптивного автоматического управления.
Математические модели функционирования объекта - это математические дублеры технологических процессов и машин. Они должны составлять первооснову структуры автоматических и тем более программных систем, строящихся на основе микропроцессоров, а также формировать постоянный инструмент совершенствования технологии и оборудования для проектирования аналогов в будущем, для дальнейшего улучшения автоматического управления и повышения надежности и долговечности при эксплуатации. Поэтому модели должны непрерывно улучшаться на протяжении всех этапов жизненного цикла объекта: при проектировании, эксплуатации и модернизации с учетом реальных условий, помогая в решении всего разнообразия возникающих задач.
Данная статья посвящена иллюстрации сформированной методологии, результатам ее применения при исследовании и создании локальной системы программного управления кантующим механизмом манипулятора (КММ) блюминга, направленной на защиту от технологических сбоев и перегрузок, на снижение динамической нагруженности и повышение надежности оборудования, на обеспечение его длительной работоспособности, улучшение качества управления и его эффективности.
Технологические параметры кантовки
Основные кинематические параметры КММ и линеек манипулятора (ЛМ) определяются из условия обеспечения надежной кантовки раската при одновременной работе крючьев и линеек. Кинематическая схема кантователя и основные размеры несущих деталей механизма, а также принципиальная схема кантовки раската показаны на рис. 1. Возможны четыре метода кантовки раската: 1) статический без применения ЛМ; 2) динамический без участия линеек; 3) статический с использованием линеек; 4) динамический с привлечением только правой линейки [4].
Условием статической кантовки раската без применения линеек является переход в процессе кантовки диагонали сечения раската через вертикаль. При этом требуется для каждого раската определенная величина подъема крючьев Ист, математически выражаемая через размеры раската Ь и h формулой
^ =
Ьр
р + К
(1)
Динамическая кантовка возможна в том случае, если в момент отрыва раската от крючьев на вполне определенной высоте Ндин раскату сообщена скорость вращения, достаточная для дальнейшего его поворота до выхода диагонали сечения за вертикаль. Математически это условие описывается выражением
М 2
= Ор (н 2- н;)
(2)
где ' - момент инерции сечения раската относительно ребра; ар - угловая скорость раската в момент его отрыва от крючьев; Ор - масса раската; Н'1 - высота подъема центра тяжести сечения раската в момент отрыва крючьев; Н'2 - то же в момент окончания кантовки.
Таким образом, задача обеспечения условий динамической кантовки заданного раската сводится к определению скорости ар, соответствующей высоте Н'г Выражение (2) может быть преобразовано:
(3)
где V - скорость крючьев; Ндин - высота подъема крючьев от уровня рольганга, соответствующая отрыву раската от крючьев; g - ускорение силы тяжести.
Из формулы (3) следует, что скорость поворота кантуемого раската (скорость крючьев) в момент отрыва будет зависеть только от величин Н, , h и Ь . Условия динамического
оин: р р
кантования фактически определяются, прежде всего, высотой Ндин, а затем потребной скоростью, соответствующей этой высоте. Высота Ндин (в мм) определяется, учитывая конфигурацию крючьев (рис. 1), через размеры раската следующим соотношением:
Ндин 240Ь р -14400. (4)
Только эта активная высота подъема крючьев и может быть реализована при динамической кантовке без применения линеек манипулятора.
Условие статической кантовки с использованием линеек обеспечивается тем, что после подъема грани раската на некоторую высоту Нстл дальнейший его поворот (кантовка) производится линейками. Математически это условие выражается зависимостью
Ьр ( #' +1
н =
2
/'+А-
2Ь„
(5)
+ \//' +
где / - коэффициент трения раската о ролики рольганга; /' - приведенный коэффициент трения /' = //1 -12.
Наконец, при динамической кантовке с применением правой линейки (с ее передвижением на раскат) налагается дополнительное условие, связывающее скорость крючьев, определяемую по формуле (3), со скоростью перемещения линейки (при обеспечении постоянного контакта крючьев с кантуемым раскатом):
(6)
5) £=/ г-Г7
Рис. 1. Принципиальная схема кантовки раската а) и кинематическая схема кантователя б)
2
2
где у.л - текущая скорость линеек; V. - текущая скорость крючьев; Н.дин - текущая высота подъема крючьев.
Очевидно, условие (6) может выполняться и при статическом методе кантовки для тех раскатов, у которых Нст < Н полной высоты подъема крючьев. Следовательно, задача согласования работы кантователя и манипулятора в процессе кантовки сводится к решению уравнения (6), причем скорость крючьев непрерывно изменяется.
При автоматическом управлении наиболее рациональным методом кантовки (и особенно слябовых раскатов) является динамический метод с применением линейки манипулятора, с соблюдением в процессе соотношения (6) и в конце зависимости (3).
Приведенные выше математические выражения (1) - (6) образовали принципиальную основу алгоритма автоматического программного управления кантователем и манипулятором блюминга 1300 [4].
Особенности кинематики механизма
Привод кантующих крючьев, исполнительного органа кантователя, представляет сложную в кинематическом и динамическом отношении цепь (рис. 1), состоящую из системы двух последовательно соединенных шарнирных четырехзвенников: первый - кривошипно-коромысловый, образован дифференциальным механизмом, второй - зубчато-рычажный. В момент начала кантования системой «кантующий рычаг - крюк - раскат» создается третий кантующий четырехзвенник, существующий только до момента отрыва раската от крючьев, замыкающий открытую кинематическую цепь механизма. Таким образом, механическая система КММ обладает фиктивной переменной массой и статическим моментом, являющимися функциями текущего угла поворота кривошипа (времени) и обусловленными переменностью суммарной передаточной функции механизма. Передаточные функции (отношения) четырех-звенников, или в соответствии с физическим смыслом, кинематические коэффициенты скорости, являются нелинейными, аналитические выражения и свойства которых показаны в работе [4], в частности, их зависимости от величины предподъема (технологического зазора между крючьями и уровнем роликов рольганга) и ширины сечения раската иллюстрирует рис. 2.
Нагруженность КММ
Информация о нагруженности КММ была получена при экспериментальных исследованиях различных блюмингов [5]. Исследования
проводились с целью поиска направлений дальнейшего повышения надежности и ресурса оборудования КММ, обоснования требований к методике построения математической модели электромеханической системы, необходимой для моделирования и поиска на ЭВМ рациональных конструктивных параметров, а также создания программного управления, обеспечивающего минимальные динамичность и нагруженность [2].
Процесс кантовки раскатов (слитков) на блюминге имеет ярко выраженный импульсный (ударный) характер приложения технологической нагрузки, когда продолжительность нарастания до первого максимума составляет от 0,02 до 0,1 с. Форма импульсов, тем более на различных крюках, неоднозначна и неоднородна [5]. Характер импульса нагруженности иллюстрирует значительные колебательные процессы в период приема нагрузки.
Функции распределения максимальных величин параметров нагруженности несущих деталей кантователя - нормальные, с несущественными величинами показателей асимметрии и эксцесса [5]. Нагруженности оборудования при кантовках различных номеров существенно не отличаются, исключение составляют только усилия на крюках. Коэффициенты вариации максимальны у усилий на крюках и по мере приближения несущей детали к приводному валу значительно снижаются, то есть имеет
К Ь
гг- г ^
1 !д\
\
-ГШ--- _
ОргЫЫ
Рис. 2. Изменения передаточных функций третьего четырехзвенника ¿3 и суммарной КММ ¿^ в зависимости от ширины сечений кантуемых раскатов в момент отрыва от крючьев при различных величинах высоты предподъема А: 1 -
3 и 2 - ¿^ при А = 35 мм; 3 -
3 и 4 - ¿^ при А = 70 мм; 5 -
и 6 - ¿^ при А = 105 мм; 7 - ¿3 и 8 - ¿^ при А = 135 мм
место фильтрация усилий за счет демпфирования кинематической цепи, поэтому динамичность (градиент), колебательность и интервалы вариации нагрузок максимальны именно на крюках и кантующем (тихоходном) валу. По мере уменьшения размеров (точнее, ширины) сечений кантуемых раскатов (эквивалентно увеличению номера кантовки) параметры на-груженности стабилизируются (коэффициенты вариации уменьшаются), наблюдается тенденция незначительного снижения абсолютных величин нагрузок.
Обобщая данные о статистических характеристиках нагруженности КММ, отображенные в виде спектров максимальных амплитуд импульсов, можно установить уровень «технологического шума» для несущих деталей этого динамичного механизма, принимая за норму средние величины коэффициентов вариации (Ух), а именно: 9,5-27,6 % при диапазоне изменения: 5,7-52,8 %.
Следует обратить внимание на то, что нестабильность коэффициента вариации нагру-женности кантователя практически наибольшая, превышающая нестабильность какого-либо другого параметра нагруженности процесса прокатки на блюминге и, кроме того, спектрам Ух свойственны достаточно широкие диапазоны изменения (более 6-кратные) и высокие средние величины [5]. Эти факты объясняются превалирующим влиянием на нагруженность индивидуальных особенностей квалификации операторов. Именно ручное управление формирует высокий «технологический шум» нагруженности, что в конечном итоге снижает ресурс оборудования.
Как было отмечено выше, исследование нагруженности КММ проводилось также с целью построения математической модели этого сложного в кинематическом и динамическом отношении механизма, достаточно чувствительной к спектру частот внешней импульсной нагрузки.
Кроме того, доказанная многофакторность нагруженности (нормальность функций распределений) абсолютно всех параметров [5] обосновывает целесообразность анализа ординат, а не амплитуд, следовательно, естественно использование спектрального анализа нагру-женности, исходя из рассмотрения последних как случайного процесса.
Принимая в первом приближении гипотезы эргодичности и стационарности, на ЭВМ был выполнен спектральный анализ нагруженности КММ при кантовке раскатов из слитка массой 10,3 т, при шаге квантования сигналов по времени Аt = 0,01 с. На рис. 3 и в работе [5] приведены некоторые корреляцион-
Рис. 3. Корреляционная функция, границы доверительного интервала (а) и оценка выборочной нормированной спектральной плотности с точкой отсечения, равной 122 (б), усилия на крюке при третьей кантовке
ные функции и соответствущие спектральные плотности мощности различных параметров нагруженности. Спектральный анализ показал, что:
- достаточно малый интервал (шаг) корреляции у корреляционных функций всех параметров (доверительный интервал пересекает ось абсцисс в диапазоне 0,05 + 0,2 с), соизмеримый с продолжительностью нарастания нагрузки до первого максимума, дополнительно подтверждает динамические свойства механизма, а значит, и необходимость учета в модели импульсного характера приложения технологической нагрузки;
- интервалы корреляции корреляционных функций усилий на крюках Рк;
- интервалы корреляции корреляционных функций усилий на крюках Рк и крутящих моментов на кантующем валу Мк в среднем в 2 раза меньше, чем у усилий в шатуне и крутящих моментов на приводном валу, то есть их большая крутизна спадания и меньшая периодичность (у Рк и Мк) характеризует большую ширину спектра частот, поэтому модель должна содержать описание динамического взаимодействия кантуемого раската с массами и упругими связями кантующего механизма; но ширина диапазона частот спектральных плотностей, вносящих наибольший вклад в энергоемкость механизма, все же достаточно ограничена и достигает всего 4,0 +5,0 1/с;
- спектральные плотности мощности существенно различны у параметров нагру-женности и для разных номеров кантовок как по количеству максимумов наиболее энергоемких частот, так и по соответствующим
величинам амплитуд. Так, в 1-й и 3-й кантов-ках, как правило, содержатся два максимума, то есть две характерные несущие частоты, в то время как во 2-й кантовке одна энергоемкая частота, поэтому модель механической системы необходимо строить многомассовой; но с позиции интегральной нагруженности (оценка максимальных величин нагрузок) достаточна двухмассовая модель или даже одномассовая с одной упругой связью (ибо первый максимум Бхх резко выделяется и значительно превышает второй и третий), так как именно импульс нагрузки определяет общий энергетический уровень механизма.
Таким образом, нагруженность кантователя имеет ярко выраженные статистические свойства и ее математическая модель может быть достаточно адекватно идентифицирована на уровне теорий случайных величин и случайных процессов, а ее «технологический шум» при ручном управлении может быть оценен средним коэффициентом вариации, равным 25 + 30 %.
Исследования процесса кантовки с позиции управления
Статистические исследования пауз с кантовкой с позиции управления, выполненные, в частности, с целью выявления наиболее существенных информативно-управляющих технологических параметров, результаты которых представлены в работе [2], убедительно доказали, что процесс кантовки на блюминге является статистическим статическим процессом, параметры которого подвержены влиянию многочисленных случайных технологических факторов, реально действующих в условиях сложного многофакторного металлургического производства.
Полученные в результате исследований уравнения регрессии для зависимостей продол-жительностей пауз с кантовкой (содержащие только наиболее информативные и существенные параметры), которые в первом приближении, могут быть приняты как статистические математические модели, подтверждают, что процесс кантовки можно описать достаточно устойчивыми статистическими закономерностями, регламентирующими взаимосвязи между технологическими параметрами, характеризующими паузу, а значит, в принципе, может быть и автоматизирован. Опыт режимной доводки, совершенствования и результаты опытно-промышленной эксплуатации систем автоматического управления КММ и ЛМ блюминга 1300 комбината «Криворожсталь» (КМК) практически подтверждают этот теоретически обоснованный вывод [2].
Построенные уравнения регрессии, например, для первой паузы с кантовкой, с высоким коэффициентом множественной корреляции, подтверждают также правомерность принятого принципа автоматизации манипулятора и кантователя блюмингов 1300, заключающегося в жестком программном управлении, который в период доводки и совершенствования автоматических систем был дополнен возможностью кратковременного вмешательства операторов. Повысить же технологическую надежность автоматических систем, особенно для второй и третьей пауз, по нашему мнению, можно только за счет улучшения информационного обеспечения последних, то есть увеличения количества технологических датчиков, контролирующих состояние нагрева металла, текущие размеры раската, его положение вдоль рабочего рольганга и т. д. Именно такие датчики или им подобные были предусмотрены в техническом проекте автоматизации блюмингов 1300.
Но более чем за 30-летний период автоматизации обжимных станов не создано подобных датчиков, что подтверждает практическую нереальность их разработки и особенно эксплуатации в условиях блюминга. Поэтому маловероятно дальнейшее развитие автоматического программного управления манипулятором и кантователем отечественных блюмингов при их высоком уровне часовой и годовой производительности. Добиться повышения технологической надежности автоматического управления можно лишь при условии некоторого понижения часовой производительности прокатного стана, что позволит ввести дополнительные операции, повышающие точность и степень определенности положения слитка и взаимодействующих с ним механизмов. Данное положение подтверждает опыт автоматизации блюминга 1300 КМК: созданная система автоматического управления механизмами рабочей клети, даже в комплексе, в состоянии обеспечить устойчивую годовую производительность блюминга в 5,0 + 5,5 млн т по всаду, конечно, при обеспечении определенных технологических условий [2] .
Таким образом, длительный период доводки, совершенствования и опытно-промышленной эксплуатации автоматических систем КММ, а также проведенные статистические исследования процесса кантовки с позиции управления [2], доказали принципиальную возможность автоматизации манипулятора и кантователя блюминга при частичном участии операторов, но в то же время определили бесперспективность создания технологически надежного, помехозащищенного алгоритма, устойчиво работающего в условиях нестабильного и высокопроизводительного
процесса прокатки [3]. Поэтому в реально сложившихся экономических условиях целесообразна постановка менее эффектной, но более эффективной задачи - создания локальной системы программного управления (СПУ), на основе средств электропривода, автоматики и микропроцессорной техники для защиты механо- и электрооборудования кантователя от технологических сбоев и нарушений, от больших динамических перегрузок, с целью повышения их срока службы, сокращения аварийных простоев и ремонтных затрат.
Математическое моделирование КММ и СПУ
Принципы СПУ, ее структура, рациональные параметры и уставки обоснованы численным моделированием и параметрическим анализом на ЭВМ математического аналога реальной электромеханической системы КММ. Модель КММ формируется совокупностью и единством математических описаний механической системы, электропривода и динамического характера технологического нагружения, особенности которых отражают требования к принципу и структуре СПУ [2].
Особенности математического описания переходных процессов в электроприводе КММ заключались в том, чтобы учесть статические характеристики и нелинейные передаточные функции всех звеньев регулирования системы автоматического управления электродвигателем, а также данные по наладке и результаты исследований, что в итоге привело к системе дифференциальных уравнений 9-го порядка, но обеспечило максимальное приближение модели к реальному приводу.
Динамика движения 6-массовой электромеханической системы КММ описана системой дифференциальных уравнений, построенных на основе уравнения Лагранжа второго рода, а ее численное интегрирование выполнено методом Рунге-Кутта по схеме четвертого порядка с шагом 0,001 с. Адекватность математической модели КММ реальным процессам проверена путем сопоставления моделированных решений с данными осциллограмм при кантовке раската сечением hp х Ьр = 480 х 870 мм2 при прокатке слитков массой 12,5 т на блюминге 1300 КМК, с оценками среднеквадратической ошибки и максимальных уклонений. Достигнутая погрешность приближения моделированных процессов в электроприводе составила 1+2 %, например, наибольшее уклонение частоты вращения якоря двигателя равно 1,2 %; спектры нагружений деталей механизма качественно совпадают, но максимальные уклонения изменяются в интервале 4,5 + 7,5 %. Полученные оценки сопоставления моделированных про-
цессов с экспериментальными подтверждают правомерность принятых схемы замещения, величин параметров модели и законов изменения технологической нагрузки, доказывают корректность математического описания и его адекватность реальному процессу кантования.
Математическая модель КММ, численные величины ее параметров, результаты многоцелевого моделирования и параметрических исследований на ЭВМ подробно отражены в работе [2].
Обобщая результаты математического моделирования и опыта автоматизации КММ, можно сформулировать принципы и технические требования к системе управления приводом, с целью защиты оборудования от динамических перегрузок, нарушений технологии и повышения надежности кантовки без снижения темпа прокатки. Система должна формировать управляемую скоростную диаграмму электропривода и, в частности, обеспечивать:
- автоматический подход крючьев к раскату с заданной постоянной скоростью, независимой от величины предподъема;
- снижение максимальных величин динамических нагрузок;
- сокращение спектра и повышение стабильности нагруженности;
- уменьшение темпов нарастания и максимальных выбросов тока электродвигателя при кантовке раската;
- реализацию автоматического регулирования скоростных режимов крючьев в соответствии с требованиями динамического принципа кантовки (выбора скорости отрыва крючьев от раската в зависимости от размеров его сечения [4]);
- автоматическое снижение скорости крючьев непосредственно после кантовки раската в зависимости от размеров его сечения.
Данным требованиям удовлетворяет способ автоматического управления процессом кантовки [2], отличающийся от известных тем, что диаграмму сигнала управления электроприводом формируют в функции текущих координат точки встречи крючьев с раскатом (рис. 4). Сформулированные принципы и новый способ управления реализованы в СПУ приводом кантователя [2], обеспечивающей достижение поставленных целей организацией регулирования скорости и ускорения привода, в зависимости от скорости встречи крючьев с раскатом, использующей информацию об изменении регулируемых параметров электромеханической системы КММ в процессе кантовки, и позволяющей передавать электродвигателю большую или меньшую величину энергии дифференцированно, в зависимости от размеров сечения и массы раската.
С целью нахождения рациональных параметров диаграммы (рис. 4) на математической модели были отработаны варианты структуры СПУ и улучшены существующие функциональные схемы системы управления приводом. Для этого модель электромеханической системы КММ была дополнена математическим описанием элементов СПУ-блоков контроля и ограничения параметров: блоков вычисления скоростей встречи и отрыва крючьев от раскатов, блоков контроля приложения и сброса нагрузки и т. д. Математическое моделирование привода КММ совместно с СПУ подтвердило реальную возможность управления нагруженностью и сокращения спектра динамических нагрузок, и кроме того, позволило обосновать рациональные скоростные и динамические параметры тахограммы, изображенной на рис. 4.
Математическое моделирование, проведенное при проектировании, позволило достаточно точно обосновать рациональные параметры и уставки системы, что в дальнейшем обеспечило правильное и качественное функционирование СПУ с первого включения, тем самым был сокращен до минимума период наладочных работ, ускорено освоение, повышены качество и надежность системы.
На основании опыта промышленной эксплуатации СПУ на блюминге 1300 КМК, проведения контрольных испытаний (с регистрацией нагрузок в несущих деталях) с целью сравнения нагруженности оборудования и последующей статистической обработки полученной информации установлено [2], что при программном управлении:
- резко, в 4,2 - 4,8 раза, уменьшается скорость нарастания (динамичность) нагрузок ДРШАТ / Дt и А МПР / Дt (рис. 5, б), в сравнении с импульсным (ударным) приложением нагрузки при существующей системе управления (рис. 5, а), характеризуемым широким спектром нагруженности, а также на соответствующую величину уменьшаются амплитуды колебаний динамических нагрузок;
- средние значения максимальных величин усилия в шатуне РШАТ, крутящего момента на приводном валу МПР и тока якоря 1МАХ несущественно отличаются от аналогичных параметров при существующей системе управления;
- в среднем на 70 % повышается стабильность нагруженности максимальных величин
а)
о а/ цг о,з ч* оа о,7 м о$ >,о 1,п
1,с
Рис. 4. Диаграмма изменения скорости крючьев Ук и частоты вращения якоря двигателя идв привода КММ при кантовке раската сечением 480 870 мм2 массой 12,5 т
б)
Рис. 5. Осциллограммы процесса кантовки двух раскатов сечением 480 870 мм2 массой 12,5 т на блюминге 1300 КМК: а) без программного управления, б) при программном управлении
усилий, крутящих моментов и их производных, тока якоря (коэффициент вариации нагрузок в 1,35 - 1,65 раза меньше именно при программном приводе), что эквивалентно соответствующему сокращению спектра частот нагруженности и способствует уменьшению интенсивности износа оборудования, снижению потерь энергии в якорной цепи и улучшению коммутации двигателя.
Эксплуатация СПУ на протяжении первых двух лет позволила повысить срок службы механооборудования на 25 + 30 %, увеличить производительность блюмингов на 2 + 3 % за счет сокращения продолжительности кантовок и аварийных простоев на 0,1 + 0,15 %, а также позволила уменьшить затраты на ремонт оборудования на 0,8 + 1,0 %.
Таким образом, накопленный положительный опыт создания и эксплуатации СПУ приводом кантователя на блюмингах КМК обосновывает целесообразность и эффективность введения в замкнутый контур регулирования электропривода программных устройств, формирующих и регламентирующих нагруженность, защищающих механо- и электрооборудование от технологических сбоев, нарушений, динамических перегрузок с целью повышения их срока службы, экономии электроэнергии, сокращения аварийных простоев и ремонтных затрат.
Локальные системы программного управления целесообразно строить на основе микропроцессоров и применять для механизмов прокатных цехов, испытывающих большие динамические нагрузки, и имеющих широкий спектр технологической нагруженности, вследствие большого разнообразия в сортаменте сталей и заготовок, например для таких
механизмов, как ножницы, пилы горячей резки, конвейеры уборки обрези и т. п. При этом следует отметить, что системы программного управления будут иметь важное народнохозяйственное значение, особенно для высокопроизводительных и высоконагруженных механизмов блюмингов и других заготовочных станов, подлежащих реконструкции в ближайшее время, в связи с физическим и моральным износом их оборудования.
Широкие прикладные возможности математической модели КММ и результаты параметрических исследований позволили также разработать комплекс программ для определения рациональных кинематических, динамических, нагрузочных и конструктивных параметров механизма, потребной мощности двигателя кантователя ряда известных кинематических схем с редукторным и безредукторным приводом, для поиска условий надежности кантовки и минимальности пауз и т. д. [2]. Данный комплекс программ сформировал самостоятельный модуль библиотеки программного обеспечения САПР прокатного оборудования.
Показанные выше результаты компьютерного моделирования и аналитических исследований убедительно иллюстрируют целесообразность и перспективность, в условиях применения САПР, более широкой оптимизации кинематических схем и структур различных, в том числе и рычажных механизмов, их динамических и конструктивных характеристик, а также эффективность использования компьютерной техники в реальных производственных условиях для качественных монтажа и наладки режимов эксплуатации оборудования и узлов регулирования приводов и автоматических систем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Ходорковский М. Б. Модернизация. Поколение [Электронный ресурс] // Ведомости (Vedomosti). - 2009,.- № 199 (2469). - 21 октября. - Режим доступа: http://www.vedomosti.ru/newspaper/article/2009/10/21 /216863. - Дата обращения: 17.03.2012.
2. Поляков Б. Н. Повышение качества технологий, несущей способности конструкций, долговечности оборудования и эффективности автоматических систем прокатных станов. — СПб.: Реноме, 2006. - 528 с.
3. Статистический анализ и математическое моделирование блюминга / С. Л. Коцарь, Б. Н. Поляков, Ю. Д. Макаров, В. А.Чичигин. - М.: Металлургия, 1974. - 280 с.
4. Валугин К. Н. Манипулятор и кантователь автоматизированного блюминга 1300 (выбор основных параметров, кинематические и силовые расчёты) / К. Н. Валугин, Б. Н. Поляков // Производство крупных машин. Прокатное оборудование. Конструирование, расчет и исследование: сб. науч. тр. - М.: Машиностроение, 1965. - Вып. VI. - С. 5 - 41.
5. Нагруженность, несущая способность и долговечность прокатного оборудования / Б. Н. Поляков, Ю. И. Няшин, И. Ф. Волегов, А. Ф. Трусов. - М.: Металлургия, 1990. - 320 с.
Поляков Борис Николаевич - доктор технических наук, профессор, член-корреспондент Академии инженерных наук Российской Федерации, почетный ученый Европы
Дата поступления статьи в редакцию 24 мая 2012 г.
© Б.Н. Поляков, 2012
