磁粉离合器在拉矫机中的应用-zjc

1磁粉离合器在攀钢热镀锌机组拉矫机中的应用攀钢冷轧厂赵吉成李大山王良兵【摘要】介绍了攀钢镀锌机组拉矫机的工作原理和磁粉离合器在拉矫机中的作用及控制特点【关键词】拉矫机磁粉离合器延伸率张力励磁电流转矩1．引言拉伸弯曲矫直机（以下简称拉矫机）是通过叠加的拉应力和弯曲应力使带材产生塑形变形，从而改善带钢的内应力分布和板形，使其达到要求的机械性能和使用性能。其基本原理是带钢通过成对反向的弯曲辊和矫直辊作用后，最终的合成延伸在其横截面的高度方向呈对称变化且中性层向曲率中心移动，经过反复的拉、弯作用，使中性层靠近曲率中心。拉矫机及在其之前的光整机工作的可靠性直接关系到带钢的板形和机械性能，而要保证拉矫机和光整机稳定工作，必须对该段的带钢张力和延伸率进行准确控制。攀钢热镀锌机组光整、拉矫机的实际运行状况及其产品性能在国内同行业中居领先水平，与其先进的控制系统特别是引入磁粉离合器密切相关。2．拉矫机的设备组成如图1所示，整个拉矫系统主要由前后张力辊组（机组中的6#、5#张力辊），入、出口测张辊、矫直机本体和控制系统几大部分组成。设计带钢最大张力245150N，带钢最大延伸率2%，配有延伸率、张力和辊缝的预设定控制系统，焊缝由焊缝检测器检测，预设定位置由PLC计算。3.磁粉离合器在拉矫传动中的作用图2为拉矫机5#、6#张力辊的传动示意图，5、6#张力辊由一台DC200KW×750/1800rpm电机集中传动，同时6#张力辊配置一台DC37KW×1500rpm电机和差动行星齿轮装置与主传动叠加使5#、6#张力辊之间形成速度差以满足建张及控制延伸率的需要。差动系统只能使两组张力辊之间产生差动，而不能使各辊组辊子之间有速度差。在传统的拉矫张力辊组中，采用各辊子增加一套独立的机械或液压马达传动的方式，对各单个辊子进行速度调节满足建张需要并消除各种形式的滑差，而在本机组中引入了三菱公司的磁粉离合器对5#、6#张力辊各辊子进行转矩调节控制。T6DCMPLGPOWDERCLUTCHDCMPLGPOWDERCLUTCHT5T4T3T/LEXITT.MROLLT/LENTRYT.MROLLSPEEDMASTERWRINGERROLLMILLEXITT.MROLLNo.6B/RT/LNo.5B/R图1：拉矫段设备构成简图24.磁粉离合器的工作原理和工作特性4.1磁粉离合器的工作原理磁粉离合器借助磁粉间的结合力和磁粉与工作面间的摩擦力来传递扭矩。图3为磁粉离合器的原理图，与主动轴1联接的主动件3为一圆柱形的壳体，从动轴8与转子与联接，转子上嵌有激磁线圈4，在转子与壳体之间的同心环形间隙中，充填着磁粉。当电流经滑环9通入线圈时，就在由铁磁材料制成的转子和壳体间隙间形成磁通回路，于是磁粉被磁化形成磁粉链，产生磁联接力，使磁粉粘度增大，导致转子与壳体间的刚性联接。这样，动力就由磁粉层间的磁力和摩擦力从主动轴传至从动轴。线圈断电后，磁粉去磁恢复为松散状态，并在离心力作用下，将磁粉甩向壳体内壁，在转子与磁粉间形成一定间隙，此时磁粉就失去了传递扭矩的作用。4.2磁粉离合器工作特点相对传统方式磁粉离合器具有以下工作特点：1）转距随激磁电流成线性变化，转距控制范围广，控制精度高，输出转距与转速无关，可在主从动轴转速同步或在转速差下工作。2）结合平稳，响应快，控制功率小（称为输出功率的1％），而且传递转距大。3）从动部分转动惯量慢，结构简单，重量轻，噪音小。4）具有恒转距特性，过载时有保护作用。基于以上特点磁粉离合器主要用于接合频率高，要求接合平稳或过载时能起安全保护作用及要求自动调节转炬、转速和保持恒转炬的传动系统。4.3磁粉离合器的工作特性（见表一）5.磁粉离合器的控制5.1磁粉离合器的控制框图1图3磁粉离合器结构原理图23456789磁粉离合器共4个No.5B/RNo.6B/R速度Max120m/min张力Max25000kg延伸率Max2.0%图2：拉矫机No.5、No.6张力辊传动示意图200kw37kw3表一：磁粉离合器的工作特性特性内容特性曲线说明静特性－－主动侧转速为常数，从动侧被制动时，激磁电流与转距的关系静特性曲线主动件转速n1＝常数传动件转速n2=0除弱激磁的非线性区和强激磁的饱和区外，其余区基本上为线性区，但由于磁性材料有剩磁，断电后，有微小的空转转距，从图可知磁滞回路线的宽度对公称转距影响较小，即离合器有较宽的转距线性调节范围机械特性－－主动侧转速和激磁电流为常数时，从动侧转速和能传递转距的关系机械特性曲线主动件转速n1＝常数激磁电流I＝常数当负载转距小于－Tb值，主、从动侧同步转动。当负载转距在Tb与Tc之间，离合器在有滑差下工作，当负载转距大于Tc时，从动侧转速为零，离合器处于制动状态，此图表明在一定的范围内，从动侧转速不随转距而变调节特性－－主动侧转速和传递转距为常数时，从动侧转速与激磁电流之间的关系调节特性曲线主动件转速n1＝常数负载转距T＝常数当激磁电流小于Ia时从动侧不动，转速为零，当激磁电流大于Ia时，离合器从动侧开始转动，但有滑差；当激磁电流大于Ib时，离合器的主从动侧同步转动。即表明从动侧的转速可调，但调节范围不大动特性－－主动侧转速和传递转距为常数时，从动侧激磁电流、转速和转距与时间的关系动特性曲线在激磁线圈中加上电压后，电流逐渐增加至一额定值，但力矩要经过响应时间td后才开始上升，而从动侧的转速n2则还要再经过一段时间才开始转动磁粉离合器的控制框图5.2磁粉离合器的控制的方式（1）直接：固定给磁粉离合器激磁线圈输入一个3A的电流，使磁粉离合器输出最大转矩。（2）手动：该方式是在测张计出现故障时使用，其控制电流是通过预设张力和机组设定的张力计算而得。TboabcTcn1n2TIaoIbn2IIoTn2Itdn2＝f（t）T＝ft）I＝f（t）t－时间I－激磁电流T－负载转距II2oImaxTT2TmaxI1T1T0线性区非线性区饱和区机组设定张力转矩计算转矩与电流换算电流的设定磁粉离合器的电流放大器磁粉离合器采样周期控制采样保持回路预设张力Tm-3Tm-2Tm-14（3）自动：该方式是在机组速度≥26m/min时，由张力计测得的张力值通过计算而得。在26m/min以下时，磁粉离合器的控制电流是通过预设张力和机组设定张力计算而得。手动、自动方式下决定磁粉离合器的电流的张力取值如下：张力自动方式时手动方式自动方式启动时T1Tm-1预设张力T3Tm-2T1×2T4Tm-31/2δYP×t×b＜25000kgf时取值T8δt×t×b（机组设定张力）δt×t×bδt：设定带钢单位截面张力；t：带钢厚度；b：带钢宽度；δYP：带钢单位截面屈服点张力在自动方式下，CPU计算转矩用张力值在各种速度情形下取值的时序图：在加减速中，计算转矩用的张力值采用在加减速前张力计测得的值，而不使用在加减速中的实测值，在加减速完成1秒后张力计实测值才又被采用来进行控制。（1）当张力值变化到±200kgf的死区范围时，计算转矩用的张力值采用上一次控制值。（2）CP－3500H在采用测张计实测张力值进行计算用于控制磁粉离合器时，不是随时采取实测值，而是采用每秒采取一个实测值，故在采样周期内，对每秒采取的实测值进行加权平均，即：Ti＝ΣTi(n)/N，N是采样周期内测张计每秒采取一个实测值的数量。在机组速度恒定制，采样周期定为10秒。4.4磁粉离合器转矩的计算以拉矫机为参照点，对5＃张力辊，应用欧拉公式:T入＝T出euθ有下式成立:T3＝T2×eu1θ1T2＝T1×eu2θ2u－摩擦系数，θ－带钢包角在设备安装调试时，可使：u1＝u2＝u，θ1＝θ2＝θ，因此，T3＝T1×e2uθ带钢在5#张力辊间无滑动的条件是:T3≤e2uθ同样对6＃张紧辊有：T4＝T5×eμ1θ1，T5＝T6×eμ2θ2T6＝T7×eμ3θ3，T7＝T8×eμ4θ4在μ1＝μ2＝μ3＝μ4＝μθ1＝θ2＝θ3＝θ4＝θ时，带钢在6＃张紧辊间无滑动的条件是：T4≤T8×e4μθ，vt1秒采用预设值1秒张力计检测值张力计检测值采用上一次控制值采用上一次控制值26m/minTm－2T3T1Tm－1T2缓冲辊Tq1T8Tm-3T7T6Tq3Tq4Tq2T5T4缓冲辊5为此安装在5＃张紧辊1＃辊上的磁粉离合器的转矩可通过下述流程获得：因此安装在6＃张紧辊2＃、3＃、4＃辊上的磁粉离合器的转矩可通过下述流程获得：开始缓冲辊压下NoT1=Tm-1＋αT3=Tm-2＋α’T1＜T3T1=预设值T3=2T1Tq1=MINYesNoENDeμθ=T3/T1YesTq1＝T1×(eμθ－1)×DE/2×βTq1＞maxTq1＜minNoTq1=maxTq1=minENDYesYesNoα、α’：调整常数在设备调试时确定DE：5＃张力辊1＃辊辊径β：5＃张力辊1＃辊传动比β=96/19max：520kg·mmin：20kg·mα：调整常数在调试时确定DD：6＃张紧辊的辊径β：6＃张紧辊的传动比β＝93/19max：520kg·mmin：20kg·m开始缓冲辊压下NoT8=T8＋αT4：实测值Tm-3T8：机组设定值YesENDTq4＝T8×(eμθ－1)×DD/2×βTq4＞maxTq4＜minNoNoeμθ＝4T4/T8T7＝T8＋Tq4×2/DD÷βYesYeseμθ＝(T4/T7)1/3Tq3＝T7×(eμθ－1)×DD/2×βTq3＞maxTq3＜minNoNoT6＝T7＋Tq3×2/DD÷βYesYeseμθ＝T4/T6Tq2＞maxTq2＜minNoNoTq2＝T6×(eμθ－1)×DD/2×βYesYesTq4=maxTq4=minTq3=maxTq3=minTq2=maxTq2=min65．磁粉离合器转矩与电流的换算磁粉离合器的静特性曲线在线性区内可用近似式：Tq＝aI＋b的形式来表示，对不同的磁粉离合器a、b的取值是不同的，a、b取值的多少要在设备安装完成后调试时决定。攀钢冷轧厂所应用的4台磁粉离合器的电流-转矩调试近似曲线如右下图：图中a、b取值如下表：0PC－1PC－2PC－3PC－4a215232233252b－6－23－11－14结束语攀钢热镀锌机组在光整、拉矫段采用磁粉离合器对该段张力、延伸率进行精确控制、调节，在实际应用中取得了良好的效果，攀钢镀锌板特别是光整板能够在短时间内占领独特的市场地位与此密切相关。磁粉离合器在国内冷轧机组首家使用，其工作特性、控制理论、维护管理等方面还需要实践的进一步校验和理论的深入研究和细化。参考文献：《SPM&T/L控制方案》……………………………三菱重工业株式会社《CGL光整机拉矫机操作维护说明书》…………三菱重工业株式会社《机械设计手册》第四卷………………………………机械工业出版社《CGL程序清单》………………………………………………安川电机0-61002003004005006001.02.03.0励磁电流(A)转矩kg.m