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寧炳軍   李獻(xiàn)國

1  前言

    在鋁帶冷軋機(jī)的電氣控制中，卷取張力控制是必不可少的。在張力控制中，無論張力矩的給定，還是動(dòng)態(tài)補(bǔ)償力矩的計(jì)算都需要實(shí)時(shí)卷徑，所以卷徑計(jì)算是控制中極為重要的一環(huán)。

    目前，鋁軋機(jī)卷徑的測量大都為間接方式，即通過測量帶材線速度與卷筒轉(zhuǎn)速來推算出卷徑：

       (1)

    式中V為卷取(開卷)側(cè)帶材線速度，m/s；i為卷取（開卷）機(jī)械齒輪箱傳動(dòng)比；n為卷取（開卷）電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。

    測量帶材線速度的方法有兩種，一是直接測量法，如激光測量法，基于經(jīng)濟(jì)條件和使用環(huán)境限制，目前還很少使用；二是間接測量法，也就是當(dāng)前經(jīng)常使用的在偏導(dǎo)輥上安裝一個(gè)同軸轉(zhuǎn)速傳感器，通過測量偏導(dǎo)輥的轉(zhuǎn)速求出帶材線速度的方法，其計(jì)算公式為：   (2)

    式中nP為偏導(dǎo)輥的轉(zhuǎn)速，r/min；DP為偏導(dǎo)輥的直徑，m。

    正常情況時(shí)，用式(1)計(jì)算出的卷徑是準(zhǔn)確的。但是，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，往往出現(xiàn)下列幾種情況，如按上述方法計(jì)算卷徑，則存在著一定的缺陷和困難。

    (1)偏導(dǎo)輥打滑
    由于鋁帶冷軋機(jī)的特點(diǎn)，在同一臺(tái)軋機(jī)上要進(jìn)行多個(gè)道次的軋制才能完成產(chǎn)品生產(chǎn)。期間，帶材的厚度變化達(dá)幾十倍，張力的變化也很大，同時(shí)各道次的工藝潤滑也不相同。結(jié)果在某些條件下，特別是帶材較薄或加、減速時(shí)，偏導(dǎo)輥會(huì)產(chǎn)生不同程度的打滑現(xiàn)象，從而使線速度的測量值不準(zhǔn)確。這會(huì)造成卷徑計(jì)算值出現(xiàn)偏差，與實(shí)際卷徑不符，輕則引起張力波動(dòng)，影響帶材質(zhì)量，重則導(dǎo)致斷帶。

    (2)偏導(dǎo)輥轉(zhuǎn)速傳感器安裝困難
    在鋁箔軋機(jī)中，出口帶材最小可到0.007mm，帶材張力較小，偏導(dǎo)輥和帶材之間的摩擦力也較小。為盡量減少打滑，減小偏導(dǎo)棍自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是有效的方法之一。所以，偏導(dǎo)棍一般都是空心的。另外，在一個(gè)空心的偏導(dǎo)棍上安裝同軸的轉(zhuǎn)速傳感器非常困難，設(shè)備專業(yè)也希望采用別的測量方法。

    (3)初始卷徑需人工置入
    在開卷機(jī)一側(cè)，帶材的初始卷徑需要置入控制系統(tǒng)，目前大都為人工置入。這需要操作手認(rèn)真置入，不僅繁瑣而且操作手經(jīng)常忘記或置錯(cuò)，這都將影響軋制時(shí)的張力控制。

2  超聲波測量卷徑的方法

    為了解決上述缺陷和困難，目前，在冷軋機(jī)中采用超聲波傳感器來直接測量開卷側(cè)卷徑，再計(jì)算出卷取側(cè)卷徑的方法。

2.1超聲波測量的基本原理

    超聲波傳感器包括三個(gè)部分：超聲換能器、處理單元和輸出級，如圖1所示。

    首先處理單元對超聲換能器加以電壓激勵(lì)，其受激后以脈沖形式發(fā)出超聲波，接著超聲換能器轉(zhuǎn)入接受狀態(tài)（相當(dāng)于一個(gè)麥克風(fēng)），處理單元對接收到的超聲波脈沖進(jìn)行分析，判斷收到的信號是不是所發(fā)出的超聲波的回聲。如果是，就測量超聲波的行程時(shí)間，根據(jù)測量的時(shí)間換算為行程，除以2，即為反射超聲波的物體距離。

圖1  超聲波測量的基本原理圖

    把超聲波傳感器安裝在合適的位置，對準(zhǔn)鋁卷卷徑變化方向發(fā)射超聲波，就可測量帶卷表面與傳感器的距離，經(jīng)過處理可得到帶卷的直徑。

2.2 環(huán)境對超聲波測量的影響

    (1)空氣溫度的影響
    聲波行程時(shí)間受氣溫的影響程度為0.17%/K。也就是說40℃時(shí)的聲速相對于20℃時(shí)改變了+3.4%，因此測量距離也會(huì)改變約+3.4%。但如果選用的超聲波傳感器中有溫度補(bǔ)償功能，此影響可忽略不計(jì)。

    (2)空氣濕度的影響
    從干燥的空氣到飽和濕度的空氣中，聲速最多增加2%。因此測量距離改變最大也只有2%。實(shí)際現(xiàn)場中，空氣濕度變化不會(huì)如此大，此影響一般小于1%。

    (3)空氣壓力的影響
    在一固定地點(diǎn)，正常情況下的氣壓波動(dòng)為±5%，會(huì)造成聲速波動(dòng)約±0.6%。

    (4)氣流影響
    當(dāng)風(fēng)速大于50km/h時(shí)，聲波速度及方向的改變會(huì)大于3%。在現(xiàn)場使用中，只有靠近帶材表面的幾厘米的氣流有可能大于20km/h，且垂直于測量方向，故對測量結(jié)果的影響可忽略。

    (5)軋制油霧的影響
    只要防止油霧沉降在超聲換能器的有效表面上，就可避免它的影響。

2.3 測量開卷側(cè)卷徑

    目前鋁軋機(jī)鋁卷的卷徑變化范圍一般為0.5m到1.7m，由于超聲波測量的是鋁卷的半徑，所以超聲波傳感器的工作范圍應(yīng)滿足大于為(1.7-0.5)/2=0.6m。再考慮到安裝位置和安全距離以及傳感器的盲區(qū)，超聲波傳感器到卷軸表面的距離一般應(yīng)大于1.5m，故其測量距離應(yīng)大于1.5m。經(jīng)過選擇，確定用德國P+F公司的傳感器，具體型號為UC2000-30GM-IU-V1，其主要參數(shù)見表1。

表1  超聲波傳感器的主要參數(shù)

    測量開卷卷徑的超聲波傳感器安裝在開卷機(jī)地溝的外側(cè)，既便于安裝調(diào)試，又容易測量，如圖2所示。

圖2  超聲波傳感器安裝位置示意圖

    選擇傳感器的輸出為電壓輸出，直接連到全數(shù)字傳動(dòng)裝置上。整定傳感器的輸出，當(dāng)最大卷徑（1.70m）時(shí)電壓為10V，當(dāng)最小卷徑（0.54m）時(shí)電壓為0V。這樣當(dāng)輸出電壓為U時(shí)，數(shù)字裝置經(jīng)過計(jì)算可知當(dāng)前卷徑D。

       （3）

2.4 卷取側(cè)卷徑的計(jì)算

    在軋制過程中，由于帶材寬度基本不變，只是厚度變化，帶材的縱向截面與卷筒的截面之和基本上是一個(gè)常數(shù)。基于這一規(guī)律，在完成初始卷徑設(shè)置后，這個(gè)常數(shù)為：

         （4）

    式中D0為開卷機(jī)初始卷徑，m；d0為卷取機(jī)初始卷徑，m；D為開卷機(jī)軋制時(shí)的卷徑，m；d為卷取機(jī)軋制時(shí)的卷徑，m。

    由式(4)可知，在軋制中，只要知道卷取或開卷中任一側(cè)的卷徑值，即可推算出另一側(cè)的卷徑值：

       （5）

        （6）

    由于開卷側(cè)的卷徑D已由超聲波傳感器測得，所以可由式(6)計(jì)算出卷取側(cè)的卷徑。

2.5 初始卷徑自動(dòng)置入

    由于超聲波傳感器上電后一直投入工作，可利用上卷后卷軸漲緊命令，作為初始卷徑置入信號，從而完成卷徑的自動(dòng)置入。

3  減少偏差的方法

    由于超聲波測量卷徑是直接測量，一旦在傳感器和鋁卷之間有其他物品（一般都是瞬間存在），卷徑就會(huì)產(chǎn)生瞬間變化（偏差），會(huì)影響張力恒定。卷徑這種瞬間變化就是測量的卷徑值從某一值變大，再從大變回。而實(shí)際開卷卷徑是從大變到小，漸進(jìn)變化。為了克服這種瞬間變化，可采用本次測量值與上次測量結(jié)果相比較，誰小用誰，如式(7)處理。

    D_K=min(D_J,D_K-1)   (7)

    式中D_J為用式(3)計(jì)算的本次卷徑計(jì)算值；D_K^-1為上次測量計(jì)算的卷徑；D_K為本次測量計(jì)算的卷徑。

    另外，在軋制中，實(shí)際卷徑既不可能超過最大卷徑D_MAX，也不可能小于卷筒的直徑D_MIN。所以計(jì)算結(jié)果都應(yīng)該限制在此范圍內(nèi)，每次計(jì)算結(jié)果最終取值可用下式限制。

    D^,_K=min[max(D_K,D_MIN),D_MAX]   (8)

4  結(jié)語

    超聲波測量卷徑技術(shù)及上述處理方法經(jīng)過在華益1 400mm等多臺(tái)鋁帶冷軋機(jī)的卷徑計(jì)算上的實(shí)際應(yīng)用，取得了很好效果。實(shí)踐表明：

①  測量裝置工作穩(wěn)定，卷徑測量誤差小于5mm，其精確性完全滿足系統(tǒng)控制要求。

②  卷徑的自動(dòng)置入，簡化了操作步驟，減小了輔助時(shí)間。

③  與常規(guī)的卷徑測量計(jì)算方法相比，采用超聲波傳感器簡化了電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不用安裝偏導(dǎo)輥測速裝置，可廣泛應(yīng)用于熱軋機(jī)、冷軋機(jī)、鋁箔軋機(jī)中。