23辊矫直机组张力、延伸率自动控制系统

宋连庆，杨 杨，权 策

(1.西安曼海特工业技术有限公司，陕西 西安 710018;2.西安工程大学电子信息学院，陕西 西安 710048)

目前国内外的23辊带材拉弯矫机组多采用开卷机、入口张力辊组、多辊矫平机、出口张力辊组、卷取机这种三段张力可控、一段延伸率可控的形式。这样的配置使带材延伸率产生和残余应力释放有相互制约的问题，带材延伸率控制和材料物理性能难以得到同时满足；而实际生产中对带材的平直度和带材的物理性能要求都较高。由我公司研制开发的高强度带材拉弯矫机组在矫直加工中采用两段延伸率、四段张力的控制形式，使材料延伸率和物理性能都得到很好的控制，这样不仅确保了被矫带材的平直精度，而且产生的带材残余应力更小，很好地满足了用户的需要。

1 机组工作原理

(1) 机组组成设备组成见图1。

图1 新型拉弯矫直机组示意图

图中各数字所示分别为：①开卷机、②入口转向辊、③入口张力辊组、④拉伸弯曲矫直机、⑤中间张力辊组、⑥23辊矫直机、⑦出口张力辊组、⑧检查台、⑨出口转向辊、⑩卷取机。

(2) 两段延伸率分别由3#、5#设备，5#、7#设备产生，5#设备为机组的速度基准。四段张力分别为：开卷张力、3#与4#设备、6#与7#设备、卷取张力。通过两段延伸率闭环控制即可得到理想的板形，通过控制4段张力的大小即可获得理想的物理特性。

(3)各段张力的大小依据所加工带材的规格型号、开收卷张力以及各张力辊组张力放大倍数确定该种规格带材每段张力的最大值，每段张力的设定应在此范围以内。

2 张力辊组及延伸率控制

2.1 张力辊组简介

图2 张力辊组结构及受力

如图2所示为入口张力辊组，入口张力辊组是一个张力递增的过程，其张力放大系数eμα与带材在张力辊上的包角α和摩擦因数μ有关。根据欧拉公式，第一只辊子所输出的张力为:

F1=F开eμα1

依次类推，第2、3、4只辊子所输出的张力分别为:

F2=F1eμα2

F3=F2eμα3

F4=F3eμα4

则由上述公式可得:

F入=F开eμ(a1+a2+a3+a4)

式中F开为开卷机开卷张力、F入为拉矫机入口张力。

由于该张力辊组中各辊都采用直流电机单独驱动，因此各辊子的传动力矩均可单独调整，入口张力辊所需的转矩：

式中D为辊子直径。

按此方法可分别计算出其他各张力辊的输出转矩，在控制时依据所生产带材的规格型号设定相应各段的张力，并依据上述公式进行判定各段所设张力差值是否在合理范围内。

上述只是对入口张力辊组的计算，其中间张力辊组、出口张力辊组与入口张力辊组的计算方法相同。

2.2 延伸率控制

延伸率的设定直接影响了拉矫机组的拉矫效果，是整个机组中最重要的参数。

延伸率的控制一般分为直接控制和间接控制两种。间接控制方式是通过控制弯曲辊的压下量和带材张力来控制延伸率，是一种延伸率开环控制方式；如果压下量增加，则带材的弯曲程度增加，延伸率也增加。直接控制方式(闭环延伸率控制)是通过控制前后张力辊组的速度差来控制延伸率。如图1所示，此机组的延伸率ε为：

式中v入为入口张力辊线速度；v出为出口张力辊线速度。通过调节出口张力辊的速度v出，来获得所需要的延伸率。

本机组采用两段延伸率控制，在总延伸率ε不变的情况下，通过分别控制两段延伸率(ε1，ε2)的大小来达到控制板型的目的。即：ε=ε1+ε2，两段延伸率大小的分配需要根据来料板形确定。

3 控制策略

此拉矫机组采用的是两段延伸率控制，其控制框图如图3所示。5#设备为机组的速度基准，两段延伸率在3#、5#设备，5#、7#设备之间产生。如图3所示，5#是整个机组的速度基准，vg1、vg2分别为3#、7#的速度给定，vg为机组的基准给定速度，它与该电机的测速编码器反馈速度vf经过调节器、驱动器来驱动电机。3#与5#设备之间有个延伸率计算，与给定延伸率ε1之间形成反馈，使前端拉矫机的延伸率稳定在ε1上；同理5#与7#设备之间也是一样，使23辊矫直机的延伸率稳定在ε2上，通过这样的控制策略来达到该机组的延伸率要求ε=ε1+ε2。此拉矫机组根据来料板形通过该控制策略合理分配两段延伸率的大小，来获得更好的板形，满足用户的需求。

图3 延伸率控制框图

4 结束语

本拉矫机组通过采用两段延伸率控制，在总延伸率不变的前提下，比采用一段延伸率控制的方式可降低每组张力辊上的张力值，从而也使拉矫机辊系所承受的应力相应减少，对延长辊系使用寿命具有很大作用。同时由于出口段张力的减少，板材内应力也相应减少，对减少拉矫后板形内部残余应力也有相应作用。本机组经在用户现场使用效果良好，为用户带来的可观的经济效益，深得用户好评。

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