伺服电机在直式钢绳拉拔机中的应用

董 波，董丰收，刘 悦，陈 蕊，王雪峰，陈英凯

(中国重型机械研究院股份公司，西安 710005)

0 引言

直式钢绳拉拔机的主要功能是冷态下拉拔穿过模具的坯料，使其达到尺寸无偏差、外形精密光滑的要求。直式钢绳拉拔机可以用来加工特种合金、贵金属、难熔金属等材料，终端产品广泛应用于我国航空航天、核能军工、石油及海洋工程等重要领域。

直式钢绳拉拔机的拉拔小车在直线方向动作有两个：拉拔和快速退回。为提高加工生产效率，拉拔动作要求拉拔小车在生产时速度平稳、拉拔力恒定；快速退回动作要求拉拔小车高速回到加工位置。

常规直式钢绳拉拔机拉拔小车的传动方式为：一台低速电机通过皮带轮和电磁离合器连接在减速机的第一个输入轴上，减速机的输出轴正转带动钢绳卷筒，实现小车的拉拔动作；另一台高速电机通过皮带轮和电磁离合器连接在减速机的第二个输入轴上，减速机的输出轴反转带动钢绳卷筒，实现小车的快速退回动作。为了满足两个动作的不同速度，低速电机与高速电机之间的速度差极大，且两台电机、两套皮带和两套电磁离合器都需要在地面做基础进行固定，因此设备部件数量较多，占地面积很大。电磁离合器在运行结束后若未正常脱开，又极易在下次生产中造成设备损坏。皮带轮通过皮带传动，易打滑、易老化及易断裂；若皮带在高速运行中断裂，还会有很大的安全隐患。皮带和电磁离合器都需要定期进行检修和更换，增加了维护成本。而基于交流伺服系统的直式钢绳拉拔机则基本解决了上述问题。

1 设备组成及工艺简介

基于交流伺服系统的直式钢绳拉拔机如图1所示。拉拔机通过联轴器使单台交流伺服电机与减速机输入轴直连，减速机输出轴带动卷筒钢绳，拖动拉拔小车拉拔或快速退回。

1.伺服电机；2.联轴器；3.减速机输入轴；4.减速机；5.减速机输出轴；6.卷筒；7.限位开关；8.钢绳；9.拉拔小车；10.轨道。

伺服电机通过伺服控制器控制，伺服电机与伺服控制器组成的调速系统能使拉拔小车在位置闭环控制功能和矢量控制功能之间实时切换，既能满足拉拔时的低速恒扭矩需求，又能满足小车快速退回时的弱磁高速需求。伺服电机内部带有制动器和编码器，轨道上设有独立的限位开关，可进行位置准确停止和极限位置保护停车。整个调速系统测量和计算功能完善，可在拉拔小车发生过载时及时停机保护。

拉拔机设备装有声光报警灯，可在小车移动时作为警示提醒安全。设备操作完全由HMI(人机交互画面)进行，操作方便。

2 设备电气系统构成

常规直式钢绳拉拔机控制均采用硬线逻辑控制，传动采用非变频调速。这种模式下的设备控制方式不灵活、控制参数无法实时变化。新系统由SIMATIC-S7-300 PLC通过PROFINET总线与伺服控制器、HMI通讯连接，可快速的交换指令与数据。伺服控制器与交流伺服电机通过DRIVE-CliQ总线连接，可以通过一根DRIVE-CliQ通讯线实时获取伺服电机的转速、温度、电流等数据，极大简化了现场布线工作。

3 伺服电机的计算及选型

3．1 拉拔机设备所需要的关键参数如下。

拉拔速度(max)：10 m/min

快退速度(max)：24 m/min

卷筒直径：500 mm

减速机传动比：63

总拉力：150 kN

3．2 拉拔机伺服电机参数计算

根据设备所需关键参数，结合设备各个环节要求(如图2所示)，对拉拔机电机参数进行计算。

图2 拉拔机伺服电机原理示意图

拉拔电机力矩计算：

T=F×L(理想状态)

T理想=2 381×0.25=595.25 Nm

考虑各环节效率，经查表得到如下系数：

cosφ(电机)=0．87

η1(减速机)=0．975

η2(联轴器)=0．98

η3(卷筒)=0．98

η4(钢绳)=0．98

将上述值代入公式

拉拔电机功率计算：

P2=F×V(理想状态)

P2=150 000×0.166 66=25 000 W

将各环节效率值代入公式

拉拔电机速度计算：

V1(拉拔速度max)=10 m/min

V2(快退速度max)=24 m/min

D(卷筒直径)=0．5 m

减速机速比=63

拉拔时电机转速

快退时电机转速

经以上计算，得到拉拔伺服电机的参数如下。

额定电压：AC 380V

额定转矩：745．58 Nm

额定功率：31．31 kW

拉拔转速：401．3 r/min

快退转速：963．1 r/min

3．3 拉拔机伺服电机选型

综合现场使用工况，本拉拔设备电机选用西门子SIMOTICS 1PH8交流异步伺服主轴电机。此电机具有结构紧凑、高动态响应、模块化设计的特点，其极宽的调速范围特性是实现单台电机同时满足拉拔速度和快退速度的关键。

1PH8异步电机特性曲线如图3所示。

图3 特性曲线图

最终，根据计算结果选型1PH8186异步伺服主轴电机，通过比对，此电机能满足设计需求。电机部分标牌参数如下。

额定电压：AC 400V

额定转矩：752 Nm

额定功率：31．5 kW

额定转速：400 r/min

最高转速：1 900 r/min

同时，通过模块化设计，还实现了电机内置抱闸及DRIVE-CliQ接口编码器等功能，进一步减小了设备的场地使用面积。

4 结论

直式钢绳拉拔机应用伺服电机，利用交流异步伺服主轴电机极宽速度范围的特点，实现了一台电机同时具备拉拔和快退能力，从而简化了直式钢绳拉拔机的传动结构，减少了设备占地面积和维护工作量，降低了设备故障率和安全隐患。同时，采用的全自动控制系统在让操作人员的工作强度明显下降的同时，还通过保护逻辑程序避免了因人为原因造成的误操作。

这种新型结构的直式钢绳拉拔机已在某材料研究院投产应用，至今三年多的生产运行证明：该设备运行稳定、操作便捷，产品品质得到较大提升，为用户带来了很好的经济效益和社会效益。