| ДонНТУ | Портал магістрів ДонНТУ | RUS | UKR | ENG |
Робота магістра присвячена дослідженню системи управління летючими ножицями для застосування в металургійному виробництві.
Актуальність теми полягає в дослідженні можливостей модернізації технологічних процесів існуючих виробничих ліній металургійної промисловості, зокрема, запровадження систем безперервного різу для летючих ножиць, що дозволить підвищити ефективність роботи установки.
Наукова значимість роботи полягає у дослідженні методів управління системи електропривода ножів летючих ножиць як приводу керованого по швидкості і положенню, та впровадження задавачів для систем регулювання, які дозволять реалізувати ефективне управління технологічним процесом. Дослідження торкаються розділів теорії автоматичного управління, систем управління електроприводом і математичного моделювання електромеханічних систем.
Практична цінність результатів роботи полягає у можливості використання отриманих результатів для впровадження на технологічних лініях металургійної та інших галузей з метою підвищення ефективності виробничих процесів.
Принцип роботи та види летючих ножиць
Всі види летючих ножиць відносяться до обладнання, що застосовується в агрегатних лініях, призначених для обробки листового матеріалу в прокатному виробництві заводів чорної і кольорової металургії або на підприємствах, які переробляють рулонну смугу в листову продукцію. Різні види летючих ножиць призначені для виконання конкретного роду операцій, пов'язаних з поділом матеріалу смуги, що рухається, на частини на ходу. Принцип роботи летючих ножиць зображений на рис. 1. До початку різу установка перебуває в деякому початковому стані. До ножів підходить смуга прокату й при отриманні сигналу до початку різу ножі починають розгін до поступальної швидкості, більшій швидкості смуги на 5-10%. При цьому ножі пересуваються вздовж траєкторії, яка визначається кінематикою механізму - типом ножиць. Ножі сходяться і відбувається дотик, а потім розрізання смуги на ходу, після чого ножі розходяться і повертаються в початковий стан.
Рисунок 1 – Приклад роботи летючих ножиць
Одним з видів є «слідкувальні» летючі ножиці з плоскопараллельним рухом ножів, який має бути обов'язково забезпечений при різанні прокату з високим профілем перерізу. Можливе виконання летючих ножиць, що мають два ексцентричних валу, зав'язаних між собою зубчастими зачепленнями, а зв'язок супортів між собою виконаний за допомогою прямолінійних напрямних, довжина яких дворазово росте в порівнянні із зростанням ексцентриситету валу, який, у свою чергу, залежить від товщини металу, що розрізається. Можливе виконання ножиць із синхронізацією ножів засобами систем управління електроприводом, а не за рахунок механічної передачі енергії.
Слід зазначити, що для даного виду ножиць із збільшенням товщини металу, що розрізається, різко зростають габарити ножиць у висоту, діаметри зубчастих коліс, махові маси, що є основними недоліками конструкції.
Можливе виконання ножиць з чотирма ексцентриковими валами, пов'язаними між собою зубчастими зачепленнями. На ексцентрикових шийках верхньої і нижньої пар валів шарнірно встановлені шатуни відповідно з ножами. Оскільки ексцентриситети всіх валів однакові, то шатуни і ножі при русі паралельні один одному. До недоліків слід віднести наявність великого числа ексцентрикових валів, зубчастих зачеплень, трудомісткість виготовлення і ремонту, великі габарити і металоємність.
Інший підхід реалізують летючі ножиці, в яких ножі спільно з утримувачами здійснюють плоскопараллельний гойдальний рух на двох балансирах рівної довжини (паралелограмний механізм), нижні шарніри яких з'єднані з двома кривошипними механізмами з однаковою величиною ексцентриситету. За допомогою приводу забезпечується зворотно-поступальний рух в напрямку подачі матеріалу і одночасно рух в перпендикулярному напрямку. Зближення ножів відбувається як за рахунок виходу осей балансирів на вертикаль, так і за рахунок підйому нижніх балансирів кривошипного механізму. При поверненні пропуск металу здійснюється за рахунок опускання нижнього утримувача з ножем шляхом повороту кривошипних механізмів у нижнє положення. До недоліків слід віднести утворення розкриття ножів за рахунок опускання нижнього ножа, що неприйнятно при різанні високопрофільного металу, необхідність взаємопов'язаного зворотно-поступального гойдального руху нижнього утримувача з ножем і обертання кривошипів (необхідний зв'язок зубчастими зачепленнями при одному приводі чи синхронна робота роздільних приводів), а також збільшені габарити по висоті через розміщення балансирів (паралелограмних механізмів), вгору і вниз від лінії руху металу. Маятникові летючі ножиці включають в себе станину, приводний ексцентриковий вал, боковини, підвішені на ексцентриковому валу і з'єднані внизу траверсою з нижнім ножем, повзун з верхнім ножем, що переміщується в направляючих боковинах і шарнірно з'єднаний з ексцентриками валу за допомогою шатуна, противага, вузол гідрогальмування і амортизатори. При включенні приводу ножиць провертається ексцентриковий вал, наближаючи один до одного ножі. При зустрічі ножів з металом зростає крутильний момент на ексцентриковому валу, під дією якого всі підвішені на валу вузли прагнуть повернутися в напрямку дії моменту. Якщо розрізуваний метал не затиснутий у сусідніх машинах (перерізується короткий шматок) маятник відхиляється до упору в задні амортизатори і зупиняється. Різ відбувається при зупинці металу і маятника. Якщо переміщення металу залежить від сусідніх машин, різ відбувається на ходу до упору маятника в задній амортизатор. При цьому частота обертання ексцентрикового валу повинна бути такою, при якій за час відхилення маятника до заднього амортизатора повинні бути зроблені максимальне зближення ножів (різ) і розведення їх для пропуску металу, що продовжує надходити. Під дією власної ваги і додаткової противаги маятник повертається назустріч металу і вихідне положення до упору в передній амортизатор. До недоліків слід віднести неякісний різ (неперпендикулярність до осі прокату), тихохідність, неможливість використання ножиць для отримання коротких листів через великий час повернення маятника під дією противаги, а також для різання високопрофільного прокату.
Можливо також використання ножиць барабанного типу. У цьому випадку в пазу верхнього барабана жорстко закріплений ніж за допомогою клиновий колодки, а в пазу нижнього – П-образна рамка з ножем. Недоліком даної конструкції барабанних ножиць є складність у виготовленні та експлуатації, що в кінцевому рахунку призводить до подорожчання готової продукції. Прикладом можуть служити летючі ножиці конструкції УЗТМ для поперечного різання сталевої смуги шириною до 1500 мм і товщиною 0,6 - 2,0 мм. Ці ножиці містять верхній і нижній барабани різних діаметрів з несиметричними щодо вертикальної осьової площини барабанів поперечними наскрізними пазами зі встановленими в них ножами і регулювальними клинами.
Дослідження летючих ножиць з точки зору електропривода дозволяють підвищити ефективність і якість, знизити енергоспоживання установки або витрати на ремонт, наладку і перенастроювання стану на новий тип продукції. Як правило, дослідження проводяться для конструкції і параметрів конкретної установки деякого металургійного підприємства з метою підвищити ефективність установки або модернізувати виробничий процес. Дослідження можуть проводитися як з точки зору механічної частини і матеріалознавства, так і з точки зору побудови систем електропривода головних приводів або впровадження установки в структуру системи автоматики цеху.
В якості основи для даної роботи використовуються методи класичної теорії управління і зокрема побудова систем регулювання становищем, які також неодноразово розглядалися на кафедрі електротехнічного факультету.
Огляд досліджень по темі в Україну і у світі
Університети, які мають кафедру автоматики або електроприводу як правило займаються питаннями автоматизації металургійного виробництва довколишніх підприємств. Тематика робіт спрямована на модернізацію систем управління і розглядається, як правило для застосування на конкретній технологічній лінії деякого підприємства.
У даній роботі досліджується робота системи приводу в режимі «старт-стоп» і в режимі безперервного обертання. Для роботи в цих режимах необхідна наявність системи автоматичного регулювання положення електродвигуна. У разі використання системи механічний вал (кілька двигунів на одному валу) система регулювання принципово свій вигляд не змінює. Загальна структура представлена на рис.2. До електромеханічного об'єкту і перетворювача додаються регулятори, які формують управлінський вплив на основі сигналу помилки. Вся схема має каскадну структуру з підлеглими контурами – внутрішній контур струму, контур швидкості і зовнішній контур положення. Регулятор струму і регулятор швидкості мають лінійну структуру і являють собою структури ПІ типу з обмеженням, для уникнення перевищення можливої напруги або струму двигуна. Контур положення може мати 2 варіанти виконання – лінійний регулятор П типу з використанням спеціального вузла формування вхідного завдання – нелінійного задатчика інтенсивності, або з використанням нелінійного регулятора положення. Такі варіанти пов'язані з тим, що при настроюванні лінійного регулятора на роботу з певним переміщенням (номінальним) домагаються протікання перехідних процесів без перерегулювання або дотягування, які для контуру положення є небажаними, а іноді й неприпустимими. При відпрацюванні неномінальних переміщень ці процеси все ж можуть мати місце.
Рисунок 2 – Структура системи регулювання положення
Використання нелінійного регулятора дозволяє уникнути вищезгаданих небажаних проявів, однак вимагають використання в системі регулювання нелінійної залежності. Для головного приводу летючих ножиць розглядаються два режими роботи, а саме режим роботи «старт-стоп» і безперервний режим роботи. Відмінності між режимами полягають у формуванні вхідного сигналу і поведінці виконавчого механізму в паузах між різами. У режимі «старт-стоп» ножі покояться в деякому початковому стані. При необхідності розрізання включається контур струму і контур швидкості, які розганяють ножі до поступальної швидкості більшої ніж швидкість прокату на 5-10%, ножі наближаються до смуги, відбувається розрізання, після якого включається зовнішній контур регулювання положення, який переводить ножі в початковий стан. Приклад виконання такої системи автоматичного управління наведено на рис.3.
Рисунок 3 – Побудова системи в режимі «старт-стоп»
З точки зору розглянутих раніше особливостей регулювання положення, тип регулятора положення не впливає на якість розрізання заготовки при наявності достатньої синхронізації між ножами (можлива тільки механічна), однак процеси перерегулювання і дотягування можуть призвести до підвищеного енергоспоживання при гальмуванні ножів. Недоліками даного методу є необхідність механічної синхронізації верхнього та нижнього ножа, і постійні процеси розгону і гальмування, навіть при наявності можливості віддачі енергії в мережу при гальмуванні це призведе до завищених енерговтрат.
Альтернативою розглянутому режиму є режим безперервного обертання, система автоматичного регулювання для якого наведена на рис. 4. У даному випадку контур положення не відключається, а постійно знаходиться в роботі і отримує завдання, що постійно змінюється, від задатчика інтенсивності. Таким чином, вся логіка управління зводиться до формування специфічного сигналу завдання. Привод працює в режимі регулювання положення, можлива синхронізація ножів засобами теорії автоматичного управління. Ножі постійно рухаються зі швидкістю, що перевищує швидкість прокату на 5-10%. При необхідності початку різу формується завдання, яке дозволить ножам синхронізуватися з смугою прокату для розрізання в заданому місці. При частому повторенні різу такий режим є кращим у порівнянні з першим.
Рисунок 4 – Побудова системи для роботи в режимі безперервного обертання
При виконанні роботи моделювалася показана система для роботи з середніми переміщеннями (струм доходить до обмеження, а швидкість не встигає) і великими переміщеннями (і струм, і швидкість досягають обмежень), які характерні для роботи в описаних режимах. Отримані перехідні процеси при великих переміщеннях представлені на рисунку 5.
Рисунок 5 – Перехідні процеси при великих переміщеннях
У роботі також буде розглянуто формування задавальних сигналів, що реалізують обидва описаних режиму, і побудована модель для головного приводу барабанних ножиць, з урахуванням механічного зв'язку двигунів і навантаження на системи приводу.
Виконувана дипломна робота є продовженням ряду розробок спрямованих на модернізацію виробничих процесів металургійних підприємств, зокрема на модернізацію роботи головного приводу летючих ножиць. Отримані результати дозволять перейти від режиму роботи «старт-стоп» до режиму безперервного обертання, який у разі частих різів є більш ефективним з точки зору енергетичних витрат і витрат на ремонт і обслуговування устаткування, викликаних необхідністю постійних гальмувань і розгонів ножів в режимі «старт-стоп».
Під час написання даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2011 р. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.