1.5. Нажимные устройства

Проблема управления процессом прокатки заключается в обеспечении возможности управления прокатным станом, который может быть технической системой седьмого ранга – машиной (см. табл. 1). К ней можно отнести одноклетьевой стан. Под технической системой шестого ранга можно понимать многоклетьевой стан, или одноклетьевой стан с управляемыми моталкой и разматывателем. Как было отмечено, управление подсистемой 3 (потребитель энергии) может быть реализовано путем изменения межвалкового зазора. Это приводит к изменению контактной поверхности (см. рис.12). Изменение межвалкового зазора технически может быть реализовано за счет перемещения верхнего и нижнего валков (при двухвалковой системе) или перемещением всей валковой пирамиды в многовалковой системе. Поэтому в клети прокатного стана должно быть предусмотрено исполнительное устройство системы управления и регулирования (подсистема 4, см. рис.12). Вся система называется «система (автоматического) регулирования толщины» – С(А)РТ. Исполнительное устройство, осуществляющее вертикальное перемещение валков в клети, называется нажимным устройством. Более точное его название – устройство позиционирования валков. Основная функция заключается в точном и быстром перемещении одного рабочего валка (при наличии опор – вместе с ними) по отношению к другому рабочему валку. Следует учесть, что нажимное устройство находится в силовой цепи «очаг деформации – станина клети» (рис. 28).

- F_пр/2

L

F_пр/2

Рис. 28. Схема работы устройств позиционирования

Таким образом, данное устройство воспринимает половину силы прокатки. В общем виде устройство позиционирования представляет из себя некоторый элемент, находящийся в поле сил F_пр/2, - F_пр /2, который по сигналу подсистемы 4 может менять свой размер L + L. В зависимости от назначения прокатного стана (точность) и уровня управления (оперативность) устройства позиционирования могут быть следующих типов: механические, электромеханические, гидравлические, твердотельные. Их можно представить в виде общей схемы (рис.29).

1 2 3 (4)

4'

Рис. 29. Структурная схема устройства позиционирования:

1 – источник энергии; 2 – канал; 3 – исполнительное устройство

(потребитель энергии); 4 – cистема управления прокатным станом;

4' – подсистема управления устройством позиционирования

На данной структурной схеме элемент 3 является потребителем энергии подсистемы управления 4 с информационным потоком I₃.

Физические свойства канала передачи энергии определяют название устройств позиционирования. Подсистема 1 может быть энергией оператора (в случае ручного управления), электродвигателем, системой «электродвигатель – гидронасос – гидроаккумулятор», а также источником магнитного поля с варьируемой напряженностью.

Устройства позиционирования механического типа, как правило, представляют собой клиновое управление на стадии настройки стана (ручное управление) (рис.30).

L

Рис.30. Клиновое устройство позиционирования

В данном случае источник энергии не предусмотрен. Величина изменения L невелика. Оперативное перемещение отсутствует.

Могут применяться устройства с нажимным винтом (рис.31).

L

Рис.31. Винтовое устройство позиционирования

В данном случае величина изменения L может быть достаточно высокой (до 500 мм). Такие устройства применяются при оперативном управлении толщиной. Для этого они снабжены источником энергии – электродвигателем, системой редукторов и механическим синхронизатором вращения. Синхронизатор позволяет изменять параметр L на одинаковую величину на обеих сторонах клети. Такие устройства позиционирования называются электромеханическими, в которых кроме указанных элементов применяются понижающие редукторы, как правило, червячные (рис.32).

Рис.32. Электромеханическое устройство позиционирования валка

Точность установки валка с винтовым устройством позиционирования зависит от диаметра винта и шага резьбы. Чем меньше шаг резьбы и больше диаметр винта, тем точнее позиционирование валка. Что касается быстродействия, то оно во многом определяется моментами инерции многочисленных вращающихся деталей и силами трения на контактных поверхностях механических устройств.

Дальнейшее развитие устройств позиционирования валков прокатных станов связано с использованием гидравлических систем (рис.33).

В этом случае исполнительным устройством системы регулирования толщины С(А)РТ является пара «гидроцилиндр – плунжер». Как правило, в такой системе движется плунжер. Величина этого перемещения жестко связана с перемещением оси валка и достаточно мала: от десятков миллиметров при настройке до десятых долей миллиметра при работе. Таким образом, в самом устройстве позиционирования осуществляется минимальное перемещение масс.

Следует также отметить, что в гидравлических системах энергия, необходимая для перемещения валка, может быть запасена, аккумулирована в гидравлическом аккумуляторе в виде жидкости высокого давления (ЖВД).

В электромеханических системах механическая энергия вырабатывается в процессе исполнения регулирующего воздействия и может потребовать установки двигателя с избыточной мощностью, равной пиковой, а не средней. Более мощный двигатель имеет большие габариты и требует более мощных редукторов. Это приводит к увеличению массы вращающихся деталей, а следовательно, моментов инерции. Поэтому гидравлические системы обладают в сравнении с электромеханическими повышенным быстродействием. Точность позиционирования связана, в первую очередь, с дозированием ЖВД, что в настоящее время обеспечивается необходимыми высокоточными золотниковыми устройствами.

2

ЖВД

3

1

L

Рис.33. Гидравлическое устройство позиционирования валков:

1 – плунжер; 2 – подушки опорных валков; 3 – гидроцилиндр

Передача возмущения от золотникового устройства до гидроцилиндра зависит от скорости звука в жидкости (примерно 1000 м/с).

Дальнейшее развитие устройств позиционирования связано с применением эффекта магнитострикции твердых тел, ферромагнетиков. Поэтому они условно носят название «твердотельных». Эффект магнитострикции заключается в том, что ферромагнетики, находящиеся в магнитном поле внешнего источника, могут изменять свои размеры за счет перестройки магнитных структур – доменов (рис. 34). При этом происходит изменение длины L ферромагнитной вставки (см. рис.28) или изменение длины стойки станины (рис.35).

L

пермаллой

железо

H

Рис.34. Эффект магнитострикции ферромагнитных материалов

Изменение длины L оценивается величиной 20 – 40 мкм на метр длины для традиционных сплавов стали, пермаллоя, пермендюра. Однако может достигать 500 – 800 мкм для сплавов с элементом уран (U). Скорость передачи возмущения в ферромагнитном стержне составляет  5000 м/с. Точность зависит от величины изменения напряжения питания катушки электромагнита. Современные управляемые источники питания позволяют это делать с очень высокой точностью. Такие системы позиционирования можно применять в двухконтурных системах.

В этом случае имеется грубый и “медленный” контур с исполнительным электромеханическим устройством для выбора диапазона и перестройки при смене режимов обжатий. А оперативное управление обеспечивает высокоточный быстродействующий контур с исполнительным твердотельным элементом.

В заключении следует отметить, что элемент 4' (см. рис.29) представляет собой приборы контроля толщины полосы, логический блок сравнения оперативной информации о состоянии объекта контроля и заданных значений.

Рис.35. Схема клети:

1 – станины; 2 – стойки; 3 – валки; 4 – подушки;

5 – нажимное устройство; 6 – электрические катушки;

7 – системы регулирования

Кроме того, в него могут входить блок выдачи команд, которые меняют состояние источника питания 1 в случае электромеханической или твердотельной системы позиционирования или состояния гидравлического канала при использовании гидравлического устройства.