张力辊组及其控制

实现张力控制。
2 张力辊组的受力分析与计算
2.1 张力辊的受力分析
张力辊组的受力分析见图 1。
T1
T离
V
T 弹塑
α n
T 弹塑 T离
n α 1 号张力辊
2 号张力辊
T
T2
图 1 张力辊组受力分析图
带钢运动速度和方向见图 1 中 V， 以 1 号 张力辊为例， 张力辊入口所受的力为带钢的张 力 T1、 钢 带 运 动 的 离 心 拉 力 T 离 ， 钢 带 弹 塑 拉 力 T 弹塑； 出口所受的力是张力 T、 钢带弹塑拉 力 T 弹塑、 钢带运动的离心拉力 T 离， 另有机械传 动如轴承的摩擦力等未在图中画出。 图 1 中 T 弹塑实线部分受力为张力辊处于电动状态， 虚线 部分受力为张力辊处于发电状态。 2 号张力辊入 口和出口的受力与 1 号张力辊相同。
参考文献
1 李海燕. 冷连轧机组中张力辊组的设计. 一重技术， 2006 （4）： 5～6
2 潘卫东等. 二次冷轧机组张力辊设计计 算. 江苏冶金， 2007 （3）： 59～60
2 0 0 9 年中南·泛珠三角地区第五届
轧钢学术交流会论文专辑
柳钢科技
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张力辊组及其控制
黄海生 （新余钢铁有限责任公司）
摘 要 通过对张力辊组进行受力分析与计算， 分析其工作状态， 阐述控制方法。 关键词 轧钢 板带 张力辊组 计算 控制
Tension Roller Unit and its Control
随辊子直径的增大而增大， 传动设备的投资成
本也随之增加。
2.2.2 张力及传动力矩计算
根据欧拉公式可计算出张力 T ， 张力辊组
传动力矩 M 为张力辊出入口综合张力差与张力
辊半径的乘积 （见图 1 受力分析）。
张力辊处于电动状态 （T< T1） 时：
T＋T 弹塑－T 离＝ （T1－T 弹塑－T 离） ／ eμα
HUANG Hai-sheng （Xinyu Iron and Steel Company Limited）
Abstract Working status of tension roller unit was analyzed by performing the stressed analysis and calculation, and the controlling method for it was elaborated.
2.2 张力辊组的计算
张力辊的计算主要包括张力辊几何尺寸计
算、 张力的计算、 张力辊传动力矩、 传动功率
的计算等。
2.2.1 张力辊几何尺寸的确定
张力辊辊径的选择， 应以带钢最外层表面
达到屈服极限为出发点， 这样可防止带钢出现
永久变形， 张力辊的最小半径为：
D≥ E×hmax ／ σs
（1）
式 中 ： D— ——张 力 辊 辊 径/mm； E— ——带 钢
速度主令 张力辊组
张力控制 张力辊组
Vune
Vune
I +
Vckw
I
I
++
Vckw
VCTW VCTW
I
I
+
Fx
+
+ +
V V ckw
CTW
Vckw
-
-
-
-
-
Speed master VRef
+
TA
VRef
FRef
图 2 张力辊组控制框图
4.2 张力辊组张力控制
张力辊组张力控制有直接张力控制和间接 张力两种方式。 4.2.1 间接张力控制
5结语
在钢带连续生产线中， 为满足生产工艺要 求并确保不断带， 需将全线分成多个不同的张 力分区， 因此张力辊组的设置和张力辊组的控 制显得非常重要。 为保证全线稳定高速运行， 目前张力辊组更多采用直接张力闭环控制， 同 时为减少投资和节能， 张力辊组采用公共直流 母线的集中整流和独立逆变的变频调速方案。
间接张力控制属于张力开环控制， 张力辊
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电机工作在转矩控制方式见图 3。
Vune
T1
T2
I Tq
I Tq
d/2 △T
V △V
V
△V VRef
图 3 间接张力控制框图
使用式 （6） 或式 （7） 计算出传动的总转 矩， 通过速比 i、 效率 η 及负荷平衡 （转矩等 比例） 等计算， 计算出两个电机的转矩， 作为 转矩限幅给定到变频器， 通过转矩限幅调节控 制张力， 而速度调节器使用附加速度给定使其 工作在饱和状态， 从而达到速度开环， 而转矩 闭环。 4.2.2 直接张力控制
弹 性 模 量 /MPa； hmax— ——带 钢 最 大 厚 度/mm；
σs— ——带钢屈服极限/MPa。
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辊身尺寸依据带钢的宽度选取， 通常是带
宽加 200～300mm。
张力辊组的辊径大小对设备成本有较大影
响， 因为所要求的张力转矩等或电机输出转矩
直接张力控制是张力闭环控制， 一般用于 对张力要求较高的情况， 使用张力计反馈实际 张力， 变频器工作在转矩或速度都可以， 区别 只是张力控制器的输出送给不同的调节器而已。 图 2 为变频器工作在速度状态时的直接张力控 制方式， 张力辊负荷平衡仍采用转矩等比例控 制法， 负荷平衡控制具体方法与主令速度张力 辊组负荷平衡控制相同。
4 张力辊组的控制
4.1 主令速度张力辊组控制
主令速度张力辊组控制见图 2。 张力辊速度 闭环控制， 张力辊负荷平衡采用相同的转矩控 制量即转矩等比例控制 （近似于电机功率等比 例）。 负荷平衡具体控制方法是： 将张力辊组中 功率最大的张力辊的速度调节器积分量输出送 给其它张力辊使用， 而其它张力辊的速度调节 器积分不能使用， 张力辊的转矩限幅只是起到 保护电机的作用， 而不起调节转矩作用。
Key Words Steel Rolling Strip Tension Roller Unit Calculation Control
1前言
张力辊组又叫张紧辊组， 俗称 S 辊， 在带 材的连续生产线上有着广泛的应用， 如冷带的 酸轧联机、 连退、 镀锌、 重卷、 彩涂等机组。 张力辊组的作用是在带材的连续生产线上实现 张力的分隔和调节。 张力辊工作原理： 带钢包 绕在张力辊上， 在其包绕接触处 （即包角处） 产生摩擦力， 使出口与入口产生张力差， 由此 改变张力辊入口或出口带钢的张力值， 对机组
直接张力控制采用张力闭环控制， 张力控 制精度高， 不需要考虑钢带的弹性力和传动摩 擦， 也不需要考虑传动比和效率， 计算较间接 张力控制法简单得多， 但由于采用了张力计， 设备投资增大， 所以一般用于对张力精度要求 较高的场合。
为进一步提高直接张力的控制精度， 采用
张力自适应控制。 图 4 所示通过张力自适应控 制器输出， 调整张力调节器及速度调节器的控 制参数， 消除机组速度、 钢带参数等对张力控 制的影响。
（2）
M ＝ （T＋T 弹塑－T 离） （eμα－1） D ／ 2
（3）
张力辊处于发电状态 （T> T1） 时：
T－T 弹塑－T 离＝ （T1＋T 弹塑－T 离） ／ eμα
（4）
M ＝ （T1＋T 弹塑－T 离） （eμα－1） D ／ 2
（5）
式中 μ— ——辊子与带钢 的 摩 擦 系 数 ； α— ——
为带钢在辊子上的包角 （rad）； D— ——张力辊直
径； T 弹塑、 T 离的计算详见参考文献 1、 2。
由张力辊转矩可计算出张力辊传动功率，
详见参考文献 1、 2。
式 （2、 3、 4、 5） 主要用于张力辊的设计。
其出发点是满足要求的张力放大倍数， 并确保
钢带在张力辊组上不打滑。 从控制角度考虑，
在钢带不打滑的情况下， 张力辊组中的张力辊 1
和张力辊 2 是一个整体， 且张力辊组入口张力
T1 和出口张力 T2 是已知的， 考虑传 动 摩 擦 力 矩
Mf， 张力辊组总的传动力矩计算式：
张力辊处于电动状态 （T2< T1） 时：
M ＝ （T1－T2－2T 弹塑） D ／ 2＋Mf 1＋Mf 2 （6）
是分隔张力区并产生主令速度， 并不调节张力， 属于主令速度张力辊组； 更多的张力辊组用于 调节张力， 采用张力控制。 在生产线中， 一部 张力辊组工作在电动状态 （入口张力大于出口 张力）， 一部分张力辊组工作在发电状态 （出口 张力大于入口张力）。 在生产线的每一区段有各 自的主令速度， 即每一区段有一主令速度张力 辊组； 相邻两组张力辊组不能均为主令速度张 力辊组， 相邻两组张力辊组可均采用张力控制。
张力辊处于发电状态 （T2> T1） 时：
M ＝ （T2－T1－2T 弹塑） D ／ 2－Mf 1－Mf 2 （7）
3 张力辊组的分类及工作状态
在带材连续生产线中， 根据张力放大倍数 的需要， 张力辊组有两辊、 三辊、 四辊等几种。 同时， 张力辊可全部带传动， 也可部分张力辊 带传动。 在整个生产线中， 一部分张力辊组只
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图 4 张力自适应控制框图 4.3 张力辊组的传动控制
在钢带连续生产线中， 一部分张力辊组工 作在电动状态， 一部分工作在发电状态， 电机 发电状态的能量可直接供给电动状态电机用。 所以， 张力辊组合理搭配， 采用公共直流母线 的集中整流和独立逆变的变频调速方案最为经 济合理， 因减少了从电网获取的能量， 可减少 整流逆变装置、 整理变压器及上级电网设备装 机容量， 同时可减少线损和电缆投资。