带钢张力控制研究的综述

带钢张力控制研究的综述 一、引言 首先，不得不说在过去的几十年里，随着工业技术的发展，微机技术的突飞猛进,先进的设备和技术的开发使得冶金行业在最近几年得到了突飞猛进的发展，但尽管如此,国内高速的、运行平稳的机组绝大部分是引进的,而完全国产的这类机组的速度较低,生产带钢品质也低,有些机组无法稳定运行、甚至影响带钢的板形等等,这种状态的形成与国内目前缺少对张紧辊等这类设备的理论和实践研究不无关系[4]。因此，在这种背景下，针对张紧辊设备的理论研究与实际应用技术的革新是至关重要的。 可以说，合适的张紧辊控制系统是保障带钢高速、稳定运行的基本条件和关键因素。而我们也知道，在钢铁企业板带生产机组中，带钢张力很多是需要分段进行控制的，这不但是通板的需要，更是工艺控制的要求。带钢张力控制设备的实现一般是采用张力辊组完成，即由2-4根辊子构成张紧辊组，分别由马达传动每一根辊子，实现张紧辊组前后不同的张力控制要求。在张力控制过程中张紧辊组有一个重要控制内容，就是各个辊子之间的负荷平衡控制。所谓张紧辊负荷平衡控制就是使各个张紧辊的负荷尽可能相近或满足一定比例的分配，以使各辊子都能发挥各自的能力，协同完成带钢的张力控制要求，防止出现某个辊子过负荷而其它辊子还没充分发挥作用的现象出现。 在实际应用中，张紧辊负荷平衡控制一般有两种方式，一种是较复杂的“仿皮带”负荷平衡控制方式，一种是强制等比例的负荷平衡控制方式[1]。下面我们将就这两种控制方式的原理进行说明，并对他们的差异加以分析比较。 二、控制系统分析方法论述

1、带钢张力控制作用阐述 在阐述两种控制方式之前，有必要对带钢张力控制的意义和控制带钢张力的作用进行解释。因果守恒，对于结果，我们必须分析其原理和来源。 1.1 带钢张力的作用[3] 影响带钢质量好坏的因素有很多，这里我们采用张力控制防止带钢堆拉现象发生，同时，张力在生产过程中也发挥着十分重要的作用，主要表现在以下几个方面[1]： 1.1.1 防止带钢跑偏 在实际生产过程中，由于各种因素的影响，带钢在运行过程中容易发生跑偏，而且会随着运行而越来越严重。为了防止跑偏，可以采用纠偏辊或八字辊，但这两种方法都有一定的时滞，有一定的局限性。而适当调节张力值，维持张力稳定，带钢可以在一定的张力作用下平稳的运行，张力反映迅速，无时滞，所以是防止带钢跑偏的有效方法。 1.1.2 有利于控制带钢的板形 板形是衡量带钢质量的重要指标，板形良好指的就是带钢的平整度好，如边部起浪，中部浪皱等，这主要是由于变形不均匀，使带钢中的残余应力超出了稳定所允许的拉应力。当采用微张力控制时，使带钢沿宽度方向上的拉力不超过所允许的拉应力，由此来保持带钢板形的平直。 1.1.3 有利于控制加热面积的控制 炉区的入口段是预热炉，里面没有炉棍，是一段悬空的带钢。两边喷嘴加热带钢。利用张力可以调节带钢的悬垂度，保证在预热炉内的带钢充分加热。此外，张力在煅烧过程中可以适当调节张力辊电机的负荷。可见张力控制对于正常生产是非常重要的的保证。而通过张力产生的原理分析，我们可以找出控制或影响张力的有关原因 因此，知道了控制带钢张力的作用后，我们面临的是如何更好的控制带钢张力，使带钢质量最佳。在这里，关键的问题是张紧辊负荷平衡的控制方式的选择，对于不同的条件下，有相应的控制方式可供选择，而且每种控制方式有各自的特点，下面的阐述中，着重对两种负荷平衡方式“仿皮带负荷平衡控制方式”和“强制等比例负荷平衡控制方式”的优缺点进行对比分析。 2、“仿皮带”负荷平衡控制[1] 2.1控制原理 “仿皮带”负荷平衡控制方式，其基本思路是模仿皮带传动控制，依据的数学控制模型就是我们称为的皮带传动控制欧拉定理。

图1 bod的物理结构及表示符号

欧拉定理简单说明如下： 图1中主动轮的旋转方向如箭头所示，传动时皮带上下两边的张力就有差异，上边紧一些(叫紧边)，下边松一些(叫松边)。忽略张力损失，则 (T1=T4) > (T2=T3)。 欧拉定理说的是：如果要保证主动轮与皮带无滑动地传动，主动轮紧边的张力要保证满足下面的公式： eTT21 ⑴

式中： e为自然对数； θ为皮带与主动轮的接触弧长； ξ为皮带与主动轮的摩擦系数。 也就是说主动轮能够提供的紧边最大张力为： eTT21 ⑵

以某个4辊式张紧辊为例，其张力分布如图2所示。

图2 4辊式张紧辊张力分布示意图 一般来说Tent与Tdel总是有差异的，假设Tdel>Tent。则按照欧拉定理其传动也应符合式(1)的要求。因此，“仿皮带”负荷平衡控制就采用下面的公式：

entdeliTTln114 ⑶

4321323121eTTeTTeTTeTTdelent ⑷ 而马达的功率需求公式为： VTP ⑸ 所以： 









VTTPVTTPVTTPVTTPdelent3423312211

⑹

设马达的额定功率分别为P1m、P2m、P3m、P4m。则每台马达的理论负载百分比就应当按照下面的公式计算：

PiMPiLi ⑺

式中: i=1,2,3,4; li：每台马达理论负载百分比。 它就是这种负荷平衡控制方式下的设定值。每台马达的实际负载百分比就作为实际值，计算公式为：

PiMiPiL ⑻ 式中: i=1,2,3,4; iP：各马达的实际功率;

iL：每台马达的实际负载百分比。

因此控制偏差为: iLLiLi ⑼

△Li：负荷平衡控制偏差。 如果θ相同且Tdel>T3>T2>Tent那么按照式(4)必有的P4>P3>P2>P1。如果4台马达的额定功率相同，则其负载百分比无法做到相等。要做到负载百分比相等则每台马达的额定功率必须做到。表1是根据欧拉公式计算出不同入、出口张力比下的负荷比例。 表1 四棍式张紧辊负荷分配表（四个包角相等） 出口与入口张力比 1号辊比例 2号辊比例 3号辊比例 4号辊比例 0.1 0.4836 0.2735 0.1538 0.0865 0.159 0.4385 0.2767 0.1746 0.1102 0.251 0.39 0.2761 0.1955 0.1384 0.398 0.3417 0.2714 0.2156 0.1713 0.631 0.2947 0.2626 0.2341 0.2086 1 0.25 0.25 0.25 0.25 1.585 0.2086 0.2341 0.2626 0.2947 2.512 0.1713 0.2156 0.2714 0.3417 3.981 0.1384 0.1955 0.2761 0.39 6.31 0.1102 0.1746 0.2767 0.4385 10 0.0865 0.1538 0.2735 0.4863

2.2控制特点 “仿皮带”负荷平衡控制的目标是：在适当的马达配置前提下，通过负载平衡控制，使各马达在与带钢不打滑(当然是理论上，因为不打滑还有其他决定因素如摩擦系数)的前提下提供所需要的张力。但是如果入出口张力设定不合理将会引起张紧辊中某台马达过载造成机组故障。原理如下： 图3 四辊式张紧辊不同入出口张力比的负荷比例图 从图3可以看出随着张力比例的增大，1号辊的负载在减少，4号辊的负载在增加，因此P4:P1在增加，而马达一旦选定则功率无法变化，因此P4m:P1m仍然保持不变，则不再成立，因此每台马达的负载百分比将发生较大变化。从图3可以直观看出当入口张力大时1号辊负载百分比大，容易发生过载；当出口张力大时4号辊负载百分比大，容易发生过载。因此在设计时考虑马达负载就要找到一个平衡点，保证在允许的张力范围内都不会发生过载现象。另外在使用中也要遵守入出口张力设定的要求，两种的比例不能过大，否则也容易造成过载。 现举例说明。表2是某连续退火机组8号和9号张紧辊马达配置情况： 表2 8号、9号张紧辊的马达配置表 马达位置 功率（Kw） 8号张紧辊1号辊 60 8号张紧辊2号辊 75 8号张紧辊3号辊 90 9号张紧辊1号辊 200 9号张紧辊2号辊 130 9号张紧辊3号辊 90 9号张紧辊4号辊 45

从马达的额定功率配置可以看出，8号张紧辊的额定功率从入口到出口逐步增大，9号张紧辊的额定功率从入口到出口逐步减少。因此，其适应的张力分布应当是8号张紧辊的入口张力小于其出口张力，9号张紧辊的入口张力大于其出口张力。如果不这样进行张力分布，将造成8号张紧辊1号辊马达的负载很高，而2号、3号、4号辊负载很低。本机组有一段时间8号张紧辊的1号辊负载较高，其主要原因就是：新开发的高强钢只提高了的平整机入、出口张力设定值，而没有调整拉矫机段的张力设定值，造成8号张紧辊的出口张力小于入口张力，与马达的配置不相符，加剧了马达负荷的差异，因此8号张紧辊的1号辊负载在生产高强钢时经常过载，如果操作工不及时干预就会造成传动重故障，而造成不必要的停机损失。因此对于这种负荷平衡控制方式的机组，一定要考虑其张力分布是否符合控制特点的要求。 3 、“强制等比例”负荷平衡控制[1] 3.1控制原理 “强制等比例”负荷平衡控制方式，其基本思路是以一个马达为主动马达，其它马达为从动马达，从动马达的负荷按照主动马达的进行控制，这样各马达的负荷比例基本一致，原理描述如下。

CMBMBMIIL ⑽

CiBiBiIIL ⑾ BiBMLLLi ⑿ 式中：i=1、2、3„n； Icm：master马达的额定电流； Ibm：master马达的反馈电流； Lcm：master马达的负荷百分比，也就是这种控制方式下的负荷平衡控制的设定值； Ici: slave马达的额定电流； Ibi：slave马达的反馈电流； Lbi：slave马达的负荷百分比，也就是也就是这种方式下的负荷平衡控制