1.6. Канал передачи энергии

Рассмотрим подсистему 2 (см. рис.2) – канал передачи энергии.

В механических системах, т.е. в системах, где генерируется и используется механическая энергия, канал передачи энергии может называться трансмиссией. Этот канал начинается с источника механической энергии – электромеханического преобразователя, у которого на вход подается энергия в виде электрического тока I и напряжения U, а на выходе снимается механическая энергия в виде момента М и угловой скорости  (рис.36).

Такой электромеханический преобразователь называется электродвигателем. Размерность энергии: на входе [В]· [А] = [Вт],

на выходе [Н·м]· [1/с] = [Н·м/с] = [Дж/с] = [Вт].

Таким образом, началом энергетического канала является вращающийся со скоростью  вал электродвигателя. Потребитель энергии – валковая система (инструмент) – имеет также вращательное движение. Поэтому в рассматриваемом канале нет элемента преобразователя движения. Следует отметить, что электродвигатель является источником энергии, мощность которого определяется скоростной характеристикой – количеством оборотов в секунду.

I,U М, 

Рис.36. Схема электромеханического преобразователя

Силовая составляющая мощности (сила) в этих преобразователях достаточно мала. В то же время в очаге деформации мы имеем обратную картину. Там действуют большие силы и моменты. Стандартным элементом для преобразования [М₁,₁] в [М₂,₂] является редуктор. В настоящее время производятся специальные электродвигатели с увеличенной поверхностью взаимодействия «ротор – статор», как правило, за счет наращивания их длины. Они имеют достаточный момент, и в таких случаях можно обойтись без редуктора (рис.37).

Для осуществления классической симметричной прокатки необходимо передавать вращение на два валка. Это можно реализовать созданием индивидуального привода: двигатель вращает свой валок (см. рис. 37). При этом должна быть предусмотрена электрическая синхронизация вращения двигателей. Иногда двигатель передает момент на два валка через специальный элемент трансмиссии – шестеренную клеть (рис.38). Шестеренная клеть – это, по существу, редуктор с передаточным отношением, равным единице, и длиной валков – шестерен, соизмеримой с длиной бочки рабочих валков. В таких системах реализуется механическая синхронизация вращения валков шестеренной клетью.

В процессе прокатки происходит вертикальное перемещение одного из валков прокатной клети, т.е. меняется межосевое расстояние на стороне потребителя энергии. На стороне генерации энергии это расстояние постоянно. Поэтому в энергетическом канале предусмотрены элементы, позволяющие преодолеть указанное противоречие, которые называются шарнирами равных угловых скоростей (ШРУС).

На рис.37 приведена схема индивидуального безредукторного привода. На рис.38 показан групповой безредукторный привод, а на рис.39 – групповой привод с использованием редуктора.

Рис.37. Схема прокатного стана с индивидуальным приводом

Рис.38. Схема прокатной клети с шестеренной клетью:

1 – главная рабочая клеть; 2 – универсальные шпиндели;

3 – главный электродвигатель; 4 – шестеренная клеть;

5 – фундаментные болты; 6 – моторная муфта;

7, 8 – устройство для уравновешивания шпинделей;

9 – валки двухвалковой клети; 10 – опорные валки;

11 – рабочие валки; 12 – станины; 13 – плитовины

Рис.39. Схема группового привода с использованием редуктора:

1 – главная рабочая клеть; 2 – универсальные шпиндели;

3 – главный электродвигатель; 4 – шестеренная клеть;

5 – редуктор; 6 – моторная муфта; 7 – коренная муфта;

8 – устройство для уравновешивания шпинделей;

9 – валки двухвалковой клети; 10 – опорные валки; 11 – рабочие валки; 12 – станины; 13 – плитовины; 14 – фундаментные болты

Вместе с валом эти шарниры образуют узел, называемый шпинделем (рис.40).

Рис.40. Схема шпинделей

Следует отметить, что работа ШРУСов возможна только на малых углах, поэтому они имеют большую длину, особенно на станах со значительным вертикальным перемещением валков (обжимные станы). Кроме этих элементов, которые можно отнести к системам 10, 9 и 8 рангов (см. табл.1), для их соединения используются всевозможные муфты. Их назначение сводится к соединению преобразователей, которые имеют некоторую несоосность и могут, разрушившись, рассоединить канал в случае аварийных перегрузок. Изменить характеристики, входящие в трансмиссию, достаточно сложно и не всегда возможно. Поэтому эта подсистема является неуправляемой. Этот факт отмечен на рис.10 пунктирной линией I₂ между подсистемой управления 4 и подсистемой - трансмиссией.

Аналогичный вид связи I₁ относится только к одноклетевым станам и станам с приводом переменного тока. Для последовательных непрерывных станов подсистема 1 становится управляемой за счет применения двигателей постоянного тока. При этом они являются не только источниками энергии очага деформации, но и еще исполнительными устройствами системы автоматического регулирования натяжения С(А)РН металла между клетями.

В целом, вся подсистема 2 (трансмиссия) вместе с инструментом (валковой системой) называется главной линией прокатной клети, схемы которых представлены на рис.37 – 39.

Таким образом, проведенный анализ технической системы «прокатная клеть» показывает, что в случае многоклетьевого стана прокатную клеть по таблице классификации можно отнести к системам 7 ранга – машина, в случае одноклетьевого стана – к технической системе 6 ранга - агрегат.

При анализе была проведена декомпозиция технической системы первого уровня. При этом появилась возможность описать систему морфологически, т.е. определить ее структуру на уровне однородного преобразователя – система 9 ранга. Однородный преобразователь не меняет вида энергии (механическая в механическую), т.е. нет качественных изменений как, например, у электродвигателя (преобразование электрической энергии в механическую). Происходят только количественные изменения, как правило, концентрация потока энергии на единицу площади. Если сравнить площадь поверхности системы «статор – ротор», где генерируется механическая энергия и площадь очага деформации, где энергия потребляется, то концентрация энергии увеличивается в 10³ – 10⁴ раз. Описание структуры сопровождалось функциональным описанием, т.е. какие действия выполняет каждый конкретный элемент для выполнения главной функции прокатной клети. Было показано, что элементы структуры технической системы объединены энергетическими и информационными связями. Именно наличие связей определяет целостность системы и системность свойств.