开卷机张力控制方法的探讨

开卷机张力控制方法的探讨

摘要：介绍了开卷生产线上开卷机的开卷张力控制方法，比较了电机控制和制动器控制的优缺点，指出电机控制适用于大卷料、高速度开卷。

关键词：机械制造；张力；开卷机；开卷生产线

1 前言

开卷机是开卷生产线中必不可少的一台重要设备，通过本公司多年来生产开卷线的实践， 以及对国内外多台开卷机的调研分析，我们就开卷机设计中最重要的张力控制问题进行了初步探讨。

通常，开卷机应具有的功能有：卷料装在卷筒上，卷筒胀开将卷料内径撑紧；卷筒旋转将卷料料头低速送进；产生恒定的开卷张力，以防止带材运行过程中产生跑偏；开卷线全线紧急停车时，开卷机能迅速制动，防止在开卷机与后续设备之间出现带材堆积而损伤带材。 近年来，开卷线的生产率有了很大的提高，带材运行速度在横剪线上已达120m ／min ，纵剪线上已达200m ／min 。带材运行速度的提高要求严格防止带材的跑偏，因此，要求开卷机不但能够产生一定的开卷张力，而且在整个开卷过程中保持开卷张力的恒定不变。由于卷料的最大重量已超过30t ，最大外径超过2000mm ， 因此，开卷机在启动加速和快速制动时。应避免冲击式的施加张力或改变张力，并将张力维持在一定的限度之内。

2 开卷机负载的机械特性

开卷机在工作过程中，卷料的外径由大变小， 而开卷线在正常

运行过程中应保持带材运行速度稳定不变，因此，开卷机卷筒的转速应随之由低变高，电机转速也由低变高，由于开卷过程中带材的张力要保持恒定不变，随着卷料外径由大变小，电机轴上的张力转矩也由大变小，因此，开卷机的转矩与转速成反比

3 电机与开卷机张力控制

轧钢车间的开卷机多年来都是由直流电动，产生开卷张力，并实现张力的自动恒定控制流电机驱动控制性能好，技术成熟，动态和静态精度高，迄今仍在大量使用。近年来，交流变频拖动发展迅速，应用已日趋广泛，大有逐渐取代调速拖动的趋势。这里仅就直流电机的开卷张力控制作一简介。

这种张力控制方式与卷取机的卷取张力控制方式十分相似， 只是开卷张力形成的张力转矩和直流电机的旋转方向相反。也就是说，产生开卷张力时直流电机处于“发电”状态，电机产生的是阻转矩，而不是驱动转矩。

前面说过，开卷机工作时卷径由大变小，电机转速也由低变高。开卷机的速度控制需要同时考虑以下两个因索：① 为适应卷径变化而调整卷筒转速时，不应引起张力的波动；② 为适应开卷线速度变化而调整开卷速度时，不应影响电机的阻转矩。

理想的速度控制方案是开卷过程中卷径变化时电机采用弱磁调速，从额定转速向上调。而开卷线的运行速度由高到低调整时，电机采用降压调速，从额定转速向下调。

在开卷过程中，电机转速在额定转速以上时，为弱磁调速，使电动势保持恒定，电枢电流与带材运行速度成比例变化，就可得到恒

定的张力。电机转速在额定转速以下时，电枢电流随卷径减小成比例减小，也可保持恒定的张力。而速度和转速很容易测出。张力控制方法称为最大力矩控制法，电机的调速范围不受卷径变化倍数的限制，电机可以得到充分利用。电机在“发电” 状态发出的电流可以反馈回电网，得到利用而不致于浪费。

4 制动器与开卷张力控制

采用制动器产生张力的开卷机一般采用电动机与减速器直联，再经过一级齿轮传动或链传动驱动卷筒轴。电机只用来低速送进卷料的料头，开卷机正常工作时，电机不再工作，由制动器产生的制动力矩产生开卷张力。为此。在减速器与小齿轮(或小链轮) 之间有机械式离合器，在电机工作时结合，在制动器工作时脱开

近年来开卷机上较多采用低速大扭矩液压马达通过一级齿轮驱动卷筒轴，用来低速送进料头。开卷机正常运行时，液压马达的进、回油口都通油箱，液压马达空转。采用液压马达可缩短传动链， 简化结构。

4．1 制动器的种类及性能

开卷机上用来产生开卷张力的制动器常见的有以下3种：

(1)气动闸瓦式制动器

一般都采用标准型号的闸瓦式制动器的制动臂、制动瓦和摩擦片，用一个气缸将其抱紧制动轮进行制动，调节气缸中的压缩空气压力来调节制动力矩。闸瓦式制动器结构简单，价格低廉，使用寿命较长。更换摩擦片方便。缺点是散热条件差，长时间制动容易出现温升过高，甚至影响旁边的卷筒轴轴承的使用寿命。制动力矩对气压的变

化不很灵敏，不能实现成比例的精确调节。

(2)气动卡钳式制动器

叉称点盘式制动器，俗称碟刹。它成对并对称布置在制动盘的边缘上，这样布置使制动盘不受径向力和弯矩。气缸进气后通过杠杆将两个摩擦片把制动盘卡紧进行制动。调节气缸中的压缩空气压力来改变制动转矩，压缩空气压力基本上与制动转矩成正比。卡钳式制动器体积小，质量轻。制动盘面积大，容易散热，价格稍高于闸瓦式制动器。

(3)磁粉制动器

磁粉制动器由转子和定子组成，两者之间的空隙填充磁粉，励磁线圈通直流电后磁路中产生磁通。磁粉在磁场作用下被磁化形成磁粉链。转子旋转时，定子通过磁粉链的抗剪力对转子形成制动转矩。制动转矩的大小与励磁电流成正比， 调节励磁电流即可调节制动转矩。磁粉制动器产生的制动转矩稳定性好，可实现精确控制；磁粉制动器体积小，没有易损零件。磁粉耐磨耐高温，使用寿命长。缺点是散热条件差，制动转矩较大时需要采用水冷散热，或用风扇强迫通风冷却。磁粉制动器还需要配套使用稳流电源和励磁电流调节装置，因此。价格较高。

4．2 开卷张力的恒定控制

由前面得知，为了保持开卷张力的恒定，制动转矩必须随着卷径减小成正比的减小。对于闸瓦式制动器和卡钳式制动器，气缸中压缩空气压力与制动转矩成正比。将测量得到的卷径变化的电讯号(直流电流讯号) ．输入电一气压转换器，将电讯号按比例地转换成压缩空

气压力。电一气压转换器反应快，流量大，输出压力范围较广。卷径变化的电讯号输入磁粉制动器的励磁电流自动调节装置，输出变化的励磁电流。

4．3 制动器的安装位置及散热问题

上述3种制动器中，磁粉制动器由于结构限制只能安装在小齿轮轴上， 闸瓦式制动器和卡钳式制动器可以装在卷筒轴上，也可以装在小齿轮轴上。装在小齿轮轴上的制动转矩可以显著减小，因此，装在小齿轮轴上的制动器体积减小，价格也相应降低。

对于制动器来说散热是个大问题。无论是装在卷筒轴上，或是小齿轮轴上，制动器产生的制动转矩尽管不一样。在开卷机工作过程中作的功是相同的，这个制动功最终都将转化为热量。这个热量无法利用，必须予以迅速散去。安装在小齿轮轴 卜的制动器由于体积小，散热更为困难。所以，闸瓦式制动器与卡钳式制动器还是安装在卷筒轴上为宜。

5 结束语

采用电动机处于“发电”状态产生开卷张力的张力控制方式控制精度高，反应灵敏，而且现在全社会强调节电节能，它发出的电能可以反馈回电网得到回收利用，更是突出的优点。卷料越大。开卷机的运行速度越高，这些优势越明显。因此，这种控制方式适用于大卷料、高速度的开卷机。采用制动器产生开卷张力的张力控制方式由于发热问题，一般用于速度不高的开卷机。磁粉制动器价格较高，如果采用水冷，会给用户增加额外的供水措施和运行费用， 使它在开卷机上的应用受到很大限制。卡钳式制动器由于散热较好，价格适中，

以后有望取代闸瓦式制动器。

【参考文献】

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[21 邹家祥．轧钢机械。北京：冶金工业出版社，2000．

【31 宽带钢热轧机的机械化与自动化．北京：冶金工业出版社，1988．