重卷线收卷机卷径和张力计算

陈忠坤

摘 要： 以福欣特殊钢重卷线为例，介绍了收卷机的卷径计算和收卷机张力计算。该方法对冷轧重卷线收卷机的设计的有很好的参考价值。

关键词： 收卷机；重卷；收卷卷径；收卷张力

0.引言：

福欣特殊钢重卷机组是冷轧产品的重要一道工序，用于将厚度1.3mm—10.0mm的钢卷进行重卷，检查，分卷，裁切头尾等功能。可实现2.0mm和8.0mm的钢卷进行修边。以西门子的设备和控制系统为主。产线的张力控制设备有：开卷机；整平机；张力送料轮；修边机；张力机；收卷机。而收卷机是其中最重要的张力控制设备之一，收卷机能否正常工作以及收卷效果的好坏直接关系产品的质量和安全生产。本文特别介绍了收卷机的卷径计算和张力计算。

1. 卷径的测量和计算

收卷机卷径是收卷机张力控制中非常重要的参数。卷径计算的收卷机的核心，张力、电流、速度也与卷径有密切关系。所以卷径直接影响着控制系统稳定性。

主要因为在收卷过程中随着钢卷直径不断发生改变，造成收卷机转速不断发生变化，导致马达电流、功率改变。而且由于钢卷直径不断发生变化，造成系统转动惯量的变化。为了达到动态控制收卷机张力的目的， 必须要得到实时准确的收卷机卷径数值。因此有必要探讨准确的实时卷径获取问题 。

1.1 激光侦测直径

采用德国SICK 中量程激光测距传感器，可实时检测钢卷的直径。激光工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。激光测距安装方便，成本低。但是传感器由于对光源和粉尘很敏感，通过实践发现不适用于冷轧厂的工作环境。最终将该方法进行了排除。

1.2 限位开关测算卷径

在现场的收卷机的主轴空卷而且膨胀最大的时候，卷筒卷径为610mm。收卷机的主轴侧边安装限位开关，当主轴运转，可测出钢卷在收卷上的运行的圈数n。钢卷的厚度为δ，δ可以通过上制程在L2系统中直接下发。

则收卷机的直径为：D=δ·2·n+610 （1）

正常情况下 ， 用上式计算出收卷机的卷径是准确的。但是，当限位开关出现异常，不能正确测得脉冲。用上式的卷径则会有偏差 ， 导致计算的张力产生偏差 。此方法在实践过程，通过研究可在图控上起卷径的显示参考，同时可以作为实际计算卷径异常的补充。

1.3 实际计算卷径方法

重卷系统中在导向辊及卷取电机的主轴上各装一台脉冲编码器，不考虑打滑的情况下，由于导向辊与卷筒之间的张力，相同时间段内通过导向辊的钢卷长度和卷筒收卷的钢卷长度是相等。根据V1=V2 （2）

因为V1=ω1·R1 （3）

且V2=ω2·R2 （4）

因为相同时间段内通过导向辊的钢卷长度和卷筒收卷的钢卷长度是相等。

则L1/Δt=L2/Δt （5）

则n1·C1=i·n2·C2 （6）

（6）式中n1：单位时间内牵引电机运行的圈数；n2：单位时间内收卷电机运行的圈数；C1：导向辊周长；C2：收卷盘头的周长； i：齿轮箱减速比

且C=π·D （7）

将（7）带入（6）得n1·π·D1=n2·π·D2/i （8）

D2=n1·D1·/（n2·i） （9）

因为n2=ΔP2/P2 （10）

（10）式ΔP2：收卷机编码器产生的脉冲数、P2：收卷机编码器的线数。取n1=1，即导向辊转一圈，由限位开关产生一个信号接到PLC。

将（10）式代入（9）式得D2=D1·P2/（ΔP2·i） （11）

不过在运行中导向辊上检测到钢卷滑动或是收卷取机编码器突然产生故障时，也可以临时切换到使用限位测算卷径方式进行卷径计算，以保证卷径测量误差始终在允许的范围内，确保重卷机组运行的稳定 。

2.收卷机系统的张力计算

收卷机的张力测算应特别慎重，张力的变化对钢卷的影响很大。选择张力太大会造成钢卷过紧，造成钢带拉伸变形甚至断裂，严重的造成无法出料，需要拆卸主轴才能退料。张力太小会使钢卷的层与层之间由于应力变形，造成收卷不整齐，导致钢卷跑偏，或者松卷的情况，影响产品外观和质量。

2.1收卷机单动、寸动，全线寸动张力

收卷机在运行中有单动，寸动，全线寸动，联动模式。收卷机只有转三圈或者当收卷机的直径》650mm时候才开始建张。钢卷钢卷的厚度不同，需要的张力也不一样。根据现场的经验总结出表1所示。

表1中收卷机张力为收卷机的联动的初始设定张力。通板张力为收卷机区域入料的张力，由于收卷机的单动和寸动过程都收卷机单台机械的运作，张力的变化也平稳。

全线寸动，运行过程中速度的大小都是固定的，目前重卷机组的全线寸动的速度都是设定为15m/min。张力的变化不大，需要在单动/寸动张力上增加5N/mm^2。且需要在停機时候给予张力补偿，补偿大小为20%。

2.1收卷机联动张力

收卷机联动建张，此时收卷机张力的设定与计算的特别重要。要保证收卷过程的平稳性，随钢卷厚度和直径变化，进行张力的改变。同时在启动、停车、升速、减速过程中都需要进行张力的补偿。

当收卷机联动运行，首先要克服静摩擦力所产生的转矩，为静摩擦转矩。静摩擦转矩只在启动的瞬间起作用，在系统启动后就消失了。正常运行时要克服滑动摩擦力产生的滑动摩擦转矩，滑动摩擦转矩的补偿在系统运行的整个过程中都应该起作用的，并且随着速度的改变而改变。同时收卷机在降速、升速、停车时候都需要克服系统惯性，进行张力的补偿。

所以，收卷机输出转矩为静摩擦张力+滑动摩擦张力+负载张力。在加速时还要加上加速张力补偿；在减速时要减去减速张力补偿。停机时候也需要进行停机张力补偿。

收卷机的张力的补偿标准为

1.静摩擦张力补偿：是以计算后马达输出转矩乘以一定的百分比进行补偿。

2.滑动摩擦张力补偿：补偿量的大小与运行的速度有关系，同时和收卷机的直径有关。所以在程序中处理时，要分段进行张力补偿，程序上分四段进行补偿。

3.升速、降速、停机张力补偿：补偿以收卷机马达的额定转矩为标准。相应的补偿比例应该比较稳定，同时根据现场需要进行增减。根据实践经验升速时候张力补偿15%；降速时候张力补偿25%；停机时候张力补偿20%。

收卷机的的负载张力根据板厚和直径等相关参数进行变化。

A=T·B （12）

T为收卷机的单位张力，T随着直径的变化和速度的变化而实时改变。根据现场实践测试出：当收卷机直径从610mm到1000mm时候，张力平滑衰减5%；当收卷机直径从1000mm到1500mm时候，张力平滑衰减7.5%；当收卷机直径从1500mm到2000mm时候，张力平滑衰减15%，B为钢卷宽度。

C=δ·D/2 （13）

D为钢卷直径；δ为钢卷厚度

E=A/η=A/0.9 （14）

F=C/i （15）

G=1.027·RPM （16）

RPM为收卷机的速度，通过变频器控制测算得出

M1=4·P/G （17）

P为收卷机的功率，该重卷机组为400kw

M2=E/M1 （18）

M2为收卷机的张力百分比

M=M2·F/100 （19）

M为收卷机的最大输出转矩，即收卷机输出目前的扭矩比。

3.结语

在重卷机组运行过程中，采用基于编码器测量的卷径计算方法，对收卷机的卷径进行测算，同时用限位开关测算卷径进行补充。这种卷径测算组合具有所需成本低、计算精度高、异常问题少等一系列优点。在福欣冷轧厂酸洗机组、重卷机组得到了广泛的应用。同时，收卷机张力的计算在重卷机组中得到实践。对于类似的机组有良好的借鉴参考作用。

参考文献

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[2]王玉芬 刘惠康 李志千.卷取机恒张力控制策略[J].电气自动化化，2011，33（4）：10-11.

[3]付艳鹏.带钢卷取张力控制研究[D].武汉科技大学：2005.