7.6 Методы регулирования натяжения посредством измерения усилия, момента и мощности

В машинах, механизмах, предназначенных для перемотки полосовых материалов, таких, как листовой металл, бумага, различные пленки и т.п., встает задача регулирования усилия в полосе, т.е. натяжения. В большинстве случаев точность поддержания натяжения (или регулирование по заданному закону) непосредственно влияет на качество продукта. На рисунке 7.10 показана кинематическая схема намоточного устройства: узел 7.10,aможет представлять собой валки последней клети стана холодной прокатки, последнюю секцию бумагоделательной машины или другой узел механизма, из которого полоса 2 выходит с постоянной скоростью. На намоточном устройстве она наматывается в рулон 3.

Рисунок 7.10 – Кинематическая схема намоточного устройства

Валки 1 и рулон приводятся во вращение электродвигателями, оборудованными собственными автоматическими системами управления. Система управления электроприводом валков 1 осуществляет обычно стабилизацию скорости валков. Задачей электропривода намоточного устройства является регулирование или поддержание натяжения. Если происходит размотка рулона, то полоса движется в направлении, противоположном показанному на рисунке, и двигатель намоточного устройства работает в режиме торможения.

Поскольку момент, развиваемый двигателем намоточного устройства, прикладывается к валу, на который наматывается полоса, скорость двигателя М1, которая должна обеспечиваться в каждый данный момент времени, определяется как скорость движения полосы V, так и текущим значением радиусаr_p. В ряде механизмов, обычно, когда устройство работает только в режиме намотки, момент двигателя прикладывается к несущему валу 4, на который опирается наматываемый рулон (рисунок 7.10,б). В этом случае при измерении радиусаr_p не требуется изменения скорости двигателя и при М=constзадача системы управления электроприводом наматывающего устройства сводится к стабилизации скорости и момента.

Момент на валу наматывающего устройства включает в себя следующие составляющие:

,

(7.29)

где М_пол– полезный момент, т.е. момент, необходимый для создания заданного натяженияF; М_пот– момент, необходимый для преодоления потерь в системе «двигатель-механизм»; М_деф– момент, затрачиваемый на деформацию изгиба полосы при намотке рулона; М_дин– динамический момент, обусловленный ускорением намоточного устройства при разгоне и торможении и изменением угловой скорости рулона, связанным с изменением его радиуса.

В зависимости от условий работы соотношения между этими моментами могут быть различны. полезный момент определяется значением усилия Fи в ряде случаев значительно превышает значение момента потерь, что позволяет пренебречь влиянием последнего на работу системы. Момент М_дефтем меньше, чем тоньше перематываемая полоса металла; практически он равен нулю для материалов, имеющих малую жесткость, например для бумаги. Динамическая составляющая момента будет рассмотрена ниже.

В процессе намотки полезный момент определяется выражением

,

(7.30)

т.е. при постоянном усилии натяжения F=constон прямо пропорционален радиусу рулона.

Полезная мощность есть

,

(7.31)

и при постоянном натяжении полотна, независимо от радиуса, пропорциональна скорости полосы.

Если двигатель через редуктор вращает вал, на который наматывается рулон, то его скорость должна изменяться в соответствии с выражением

,

(7.32)

где i– передаточное число редуктора.

Отсюда видно, что при данном значении Vдиапазон регулирования скорости двигателя равен диапазону изменения радиуса рулона.

Различают два способа управления натяжением:

1) по регулируемому параметру, когда натяжение измеряется с помощью того или иного измерителя натяжения, выходное напряжение которого на входе замкнутой системы сравнивается с предписанным значением;

2) по косвенно определенному значению натяжения, т.е. по одной из величин или по их комбинации, меняющейся в функции F.

Системы с косвенным измерением натяжения имеют широкое распространение, хотя их недостатком является необходимость введения поправки для учета статических потерь (М_пот), а при перемотке толстой полосы – и момента, необходимого для изгиба полосы при намотке и размотке (М_деф). Если последняя составляющая поддается учету, то учет потерь вследствие их неопределенности и сложности зависимости от многих факторов часто оказывается затруднительным.

При работе с большими значениями натяжений потери составляют небольшую часть общей мощности, и их изменение не влияет сколько-нибудь заметно на точность поддержания натяжения. При малых значениях натяжения роль потерь возрастает и погрешность от их неточного учета может оказаться значительной. С этой точки зрения наиболее перспективным является использование систем с прямым измерением натяжения.

Обычно даже натянутая полоса, проходящая между валками 1 и намоточным устройством (рисунок 7.10,a), провисает под действием собственного веса. Изменение натяжения приводит к изменению положения полосы в пространстве. Это позволяет использовать в качестве датчиков натяжения устройства, измеряющие отклонения положения полосы от заданного и преобразующие его в электрический сигнал. Другим распространенным способом измерения натяжения является такой, когда измеряется давление на подшипники со стороны валика, который огибает натянутая полоса.

Выражения (7.30) и (7.31) могут служить основанием для оценки возможностей построения системы с косвенным изменением натяжения. Если пренебречь разницей между моментом на валу двигателя и полезным моментом, считая, что влияние трех последних слагаемых в выражении (7.29) либо ничтожно мало, либо будет скомпенсировано, а также пренебречь потерями вращения электродвигателя М1, то можно сказать, что электромагнитный момент двигателя должен изменятся по закону

.

С другой стороны,

.

В результате сравнения этих выражений может быть сформулирован наиболее распространенный закон косвенного регулирования натяжения: при заданном постоянном натяжении Fнадо поддерживать постоянным якорный ток, меняя поток возбуждения двигателя пропорционально радиусу рулона.

Второй способ косвенного регулирования натяжения состоит в регулировании полезной мощности, которая должна поддерживаться постоянной при данной скорости и натяжении и изменяться при изменении М или заданного натяжения. Одним из путей реализации заданного закона является измерение и регулирование путем воздействия на напряжение преобразователя электромагнитной мощности двигателя, которая считается примерно равной полезной. В ряде случаев с точки зрения уменьшения значения габаритной мощности двигателя наматывающего устройства оказывается целесообразным применять комбинированное управление, когда при изменении радиуса рулона от минимального значения до 65-80% максимального скорость двигателя изменяется за счет воздействия на его магнитный поток при постоянном напряжении, а оставшаяся часть диапазона изменения радиуса рулона покрывается за счет изменения напряжения при постоянном магнитном потоке двигателя.