| ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ | RUS | UKR | ENG |
Работа магистра посвящена исследованию системы управления летучими ножницами для применения в металлургическом производстве.
Актуальность темы состоит в исследовании возможностей модернизации технологических процессов существующих производственных линий металлургической промышленности, в частности введение систем непрерывного реза для летучих ножниц, что позволит повысить эффективность работы установки.
Научная значимость работы состоит в исследовании методов управления системы электропривода ножей летучих ножниц как привода управляемого по скорости и положению, и внедрение задатчиков для систем регулирования, которые позволят реализовать эффективное управление технологическим процессом. Исследования касаются разделов теории автоматического управления, систем управления электроприводом и математического моделирования электромеханических систем.
Практическая ценность результатов работы состоит в возможности использования полученных результатов для внедрения на технологических линиях металлургической и других отраслей с целью повышения эффективности производственных процессов.
Принцип работы и виды летучих ножниц
Все виды летучих ножниц относятся к оборудованию, применяемому в агрегатных линиях, предназначенных для обработки и отделки листового материала в прокатном производстве заводов черной и цветной металлургии или на предприятиях, перерабатывающих рулонную полосу в листовую продукцию. Различные виды летучих ножниц предназначены для выполнения конкретного рода операций, связанных с разделением материала движущейся полосы на части на ходу. Принцип работы летучих ножниц показан на рис. 1. До начала реза установка находится в некотором исходном состоянии. К ножам подходит полоса проката и при получении сигнала к началу реза ножи начинают разгон до поступательной скорости, большей скорости полосы на 5-10%. При этом ножи передвигаются вдоль траектории, которая определяется кинематикой механизма – типом ножниц. Ножи сходятся и происходит касание, а затем разрезание полосы на ходу, после чего ножи расходятся и возвращаются в исходное состояние.
Рисунок 1 – Пример работы летучих ножниц
Одним из видов являются «следящие» летучие ножницы с плоскопараллельным движением ножей, которое должно быть обязательно обеспечено при порезке проката с высоким профилем сечения. Возможно исполнение летучих ножниц, имеющих два эксцентрических вала, завязанных между собой зубчатыми зацеплениями, а связь суппортов между собой выполнена с помощью прямолинейных направляющих, длина которых двукратно растет по сравнению с ростом эксцентриситета вала, который, в свою очередь, зависит от толщины разрезаемого металла. Возможно исполнение ножниц с синхронизацией ножей средствами систем управления электроприводом, а не за счет механической передачи энергии.
Следует отметить, что для данного вида ножниц с увеличением толщины разрезаемого металла резко растут габариты ножниц в высоту, диаметры зубчатых колес, маховые массы, что является основными недостатками конструкции.
Возможно исполнение ножниц с четырьмя эксцентриковыми валами, связанными между собой зубчатыми зацеплениями. На эксцентриковых шейках верхней и нижней пар валов шарнирно установлены шатуны соответственно с ножами. Поскольку эксцентриситеты всех валов одинаковы, то шатуны и ножи при движении параллельны друг другу. К недостаткам следует отнести наличие большого числа эксцентриковых валов, зубчатых зацеплений, трудоемкость изготовления и ремонта, большие габариты и металлоемкость.
Другой подход реализуют летучие ножницы, в которых ножи совместно с держателями совершают плоскопараллельное качательное движение на двух балансирах равной длины (параллелограммный механизм), нижние шарниры которых соединены с двумя кривошипными механизмами с одинаковой величиной эксцентриситета. При помощи привода обеспечивается возвратно-поступательное движение в направлении подачи материала и одновременно движение в перпендикулярном направлении. Сближение ножей происходит как за счет выхода осей балансиров на вертикаль, так и за счет подъема нижних балансиров кривошипными механизмами. При возврате пропуск металла осуществляется за счет опускания нижнего держателя с ножом путем поворота кривошипных механизмов в нижнее положение. К недостаткам следует отнести образование раскрытия ножей за счет опускания нижнего ножа, что неприемлемо при порезке высокопрофильного металла, необходимость взаимосвязанного возвратно-поступательного качательного движения нижнего держателя с ножом и вращения кривошипов (необходима связь зубчатыми зацеплениями при одном приводе или синхронная работа раздельных приводов), а также увеличенные габариты по высоте из-за размещения балансиров (параллелограммных механизмов), вверх и вниз от линии движения металла.
Маятниковые летучие ножницы включают в себя станину, приводной эксцентриковый вал, боковины, подвешенные на эксцентриковом валу и соединены внизу траверсой с нижним ножом, ползун с верхним ножом, перемещающийся в направляющих боковин и шарнирно соединенный с эксцентриками вала посредством шатуна, противовес, узел гидроторможения и амортизаторы. При включении привода ножниц проворачивается эксцентриковый вал, приближая друг к другу ножи. При встрече ножей с металлом возрастает крутящий момент на эксцентриковом валу, под действием которого все подвешенные на валу узлы стремятся повернуться в направлении действия момента. Если разрезаемый металл не зажат в соседних машинах (перерезается короткий кусок) маятник отклоняется до упора в задние амортизаторы и останавливается. Рез происходит при остановке металла и маятника. Если перемещение металла зависит от соседних машин, рез происходит на ходу до упора маятника в задний амортизатор. При этом частота вращения эксцентрикового вала должна быть такой, при которой за время отклонения маятника до заднего амортизатора должны быть произведены максимальное сближение ножей (рез) и разведение их для пропуска продолжающего поступать металла. Под действием собственного веса и дополнительного противовеса маятник возвращается навстречу металлу и исходное положение до упора в передний амортизатор. К недостаткам следует отнести некачественный рез (неперпендикулярность к оси проката), тихоходность, невозможность использования ножниц для получения коротких листов из-за большого времени возврата мятника под действием противовеса, а также для резки высокопрофильного проката.
Возможно также использование ножниц барабанного типа. В этом случае в пазу верхнего барабана жестко закреплен нож посредством клиновой колодки, а в пазу нижнего - П-образная рамка с ножом. Недостатком данной конструкции барабанных ножниц является сложность в изготовлении и эксплуатации, что в конечном счете приводит к удорожанию готовой продукции. Примером могут служить летучие ножницы конструкции УЗТМ для поперечной резки стальной полосы шириной до 1500 мм и толщиной 0,6 - 2,0 мм. Эти ножницы содержат верхний и нижний барабаны разных диаметров с несимметричными относительно вертикальной осевой плоскости барабанов поперечными сквозными пазами с установленными в них ножами и регулировочными клиньями.
Исследования летучих ножниц с точки зрения электропривода позволяют повысить эффективность и качество, снизить энергопотребление установки либо затраты на ремонт, наладку и перенастройку стана на новый тип продукции. Как правило, исследования проводятся для конструкции и параметров конкретной установки некоторого металлургического предприятия с целью повысить эффективность установки либо модернизировать производственный процесс. Исследования могут проводится как с точки зрения механической части и материаловедения, так и с точки зрения построения систем электропривода главных приводов или внедрения установки в структуру системы автоматики цеха.
В качестве основы для данной работы используются методы классической теории управления и в частности построение систем регулирования положением, которые также неоднократно рассматривались на кафедре электротехнического факультета.
Обзор исследований по теме в Украине и в мире
Университеты, которые имеют кафедру автоматики или электропривода как правило занимаются вопросами автоматизации металлургического производства близлежащих предприятий. Тематика работ направлена на модернизацию систем управления и рассматривается, как правило для применения на конкретной технологической линии некоторого предприятия.
В данной работе исследуется работа системы привода в режиме «старт-стоп» и в режиме непрерывного вращения. Для работы в этих режимах необходимо наличие системы автоматического регулирования положения электродвигателя. В случае использования системы механический вал (несколько двигателей на одном валу) система регулирования принципиально свой вид не меняет. Общая структура представлена на рис.2. К электромеханическому объекту и преобразователю добавляются регуляторы, которые формируют управляющее воздействие на основе сигнала ошибки. Вся схема имеет каскадную структуру с подчиненными контурами – внутренний контур тока, контур скорости и внешний контур положения. Регулятор тока и регулятор скорости имеют линейную структуру и представляют собой структуры ПИ типа с ограничением, для избегания превышения возможного напряжения или тока двигателя. Контур положения может иметь 2 варианта исполнения – линейный регулятор П типа с использованием специального узла формирования входного задания – нелинейного задатчика интенсивности, либо с использованием нелинейного регулятора положения. Такие варианты связаны с тем, что при настройке линейного регулятора на работу с определенным перемещением (номинальным) добиваются протекания переходных процессов без перерегулирования либо дотягивания, которые для контура положения являются нежелательными, а иногда и недопустимыми. При отработке неноминальных перемещений эти процессы все же могут иметь место.
Рисунок 2 – Структура системы регулирование положения
Использование нелинейного регулятора позволяет избежать вышеупомянутых нежелательных проявлений, однако требуют использования в системе регулирования нелинейной зависимости.
Для главного привода летучих ножниц рассматриваются два режима работы, а именно режим работы «старт-стоп» и непрерывный режим работы. Отличия между режимами заключаются в формировании входного сигнала и поведении исполнительного механизма в паузах между резами.
В режиме «старт-стоп» ножи покоятся в некотором исходном состоянии. При необходимости разрезания включается контур тока и контур скорости, которые разгоняют ножи до поступательной скорости большей чем скорость проката на 5-10%, ножи приближаются к полосе, происходит разрезание, после которого включается внешний контур регулирования положения, который переводит ножи в исходное состояние. Пример исполнения такой системы автоматического управления приведен на рис.3.
Рисунок 3 – Построение системы в режиме «старт-стоп»
С точки зрения рассмотренных ранее особенностей регулирования положения, тип регулятора положения не влияет на качество разрезания заготовки при наличии достаточной синхронизации между ножами (возможна только механическая), однако процессы перерегулирования и дотягивания могут привести к повышенному энергопотреблению при торможении ножей. Недостатками данного метода являются необходимость механической синхронизации верхнего и нижнего ножа, и постоянные процессы разгона и торможения, даже при наличии возможности отдачи энергии в сеть при торможении это приведет к завышенным энергопотерям.
Альтернативой рассмотренному режиму является режим непрерывного вращения, система автоматического регулирования для которого приведена на рис. 4. В данном случае контур положения не отключается, а постоянно находится в работе и получает постоянно изменяющееся задание от задатчика интенсивности. Таким образом, вся логика управления сводится к формированию специфического сигнала задания. Привод работает в режиме регулирования положения возможна синхронизация ножей средствами теории автоматического управления. Ножи постоянно двигаются со скоростью превышающей скорость проката на 5-10%. При необходимости начала реза формируется задание, которое позволит ножам синхронизироваться с полосой проката для разрезания в заданном месте. При частом повторении реза такой режим является более предпочтительным по сравнению с первым.
Рисунок 4 – Построение системы для работы в режиме непрерывного вращения
При выполнении работы моделировалась показанная система для работы со средними перемещениями (ток доходит до ограничения, а скорость не успевает) и большими перемещениями (и ток и скорость достигают ограничений), которые характерны для работы в описанных режимах. Полученные переходные процессы при больших перемещениях представлены на рисунке 5.
Рисунок 5 – Переходные процессы при больших перемещениях
В работе также будет рассмотрено формирование задающих сигналов реализующих оба описанных режима и построена модель для главного привода барабанных ножниц, с учетом механической связи двигателей и нагрузки на системы привода.
Таким образом, возникает задача рассмотрения существующих способов регулирования давления и производительности насосной станции.
Выполняемая дипломная работа является продолжением ряда разработок направленных на модернизацию производственных процессов металлургических предприятий, в частности на модернизацию работы главного привода летучих ножниц. Полученные результаты позволят перейти от режима работы «старт-стоп» к режиму непрерывного вращения, который в случае частых резов является более эффективном с точки зрения энергетических затрат и затрат на ремонт и обслуживания оборудования, вызванных необходимостью постоянных торможений и разгонов ножей в режиме «старт-стоп».
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.