一种轧机主轴定位方法的研究与应用

王 博

(宝钢湛江钢铁有限公司厚板厂,广东 湛江 524072)

宝钢湛江钢铁厚板厂采用双机架4 200 mm轧机,轧机主要由机架、轧辊、传动轴及主电动机组成,粗、精轧机各有上下辊两台主电动机,主电动机控制系统采用西门子SL150全数字矢量控制大功率交—交变频交流调速系统[1],可以实现对电动机速度的精确控制。由于生产需求,精轧机平均每天换辊一次,粗轧平均每周换辊一次。为了提高换辊效率,轧机每次换辊前需要将轧机的主轴停到指定位置,使扁头套的方向与备辊的轴头方向保持一致,因此,轧机主轴定位功能显得尤为重要。本文结合现场实际应用情况,介绍了一种通过主轴接近开关实现主轴定位的方法,并针对实际应用过程中遇到的问题,提出了相应的改进措施。

1 主轴定位原理

轧机工作辊与主轴通过扁头套连接[2],如图1所示。工作辊扁头与扁头套是插入式连接,在更换工作辊的装辊过程中,工作辊的扁头必须与主轴轴头角度一致,才能将工作辊扁头顺利插入主轴轴套中。一般来说,工作辊在备辊时已经将角度固定好,扁头位置基本在垂直或者水平位置。因此,要实现标准化操作(抽辊、备辊和装辊),每次换辊前,主轴的停机位置都应该是同一位置,便于装入新的工作辊。

图1 工作辊与扁头套示意图Fig.1 Schematic diagram of work roll and flat head cover

轧机主电动机主轴停机位置由特定的程序控制[3],在主轴定位逻辑中,每次换辊前都要进行主轴定位,将主轴停在特定的位置,以满足换辊需求,具体实现方法如下。

主轴定位功能激活时需要满足三个条件:一是主轴定位功能激活命令,该命令一般在换辊前由生产操作人员激活;二是主电动机运行速度不大于换辊时的设定速度,一般设置定位速度为额定速度的5%;三是需要检测到主轴位置的接近开关信号。当三者条件均满足时,主电动机开始执行定位功能,整个定位过程有时间的限制,超过设定时间(15 s)会导致系统定位超时报警。

主轴开始定位时,主电动机在低速爬行过程中检测到主轴的位置接近开关信号后,系统会计算出当前主轴的实际位置,并发出减速停机的命令,由速度控制器控制主电动机以一定的斜坡进行停机,停机过程中主轴旋转一定的角度后停在换辊位置(该角度在程序中可人工修改),原理如图2所示。在此过程中,主电动机控制系统会计算出主轴的实际位置和设定位置的偏差,当偏差小于2°时,系统判断主轴已经停在设定位置,此时主电动机给定速度为零,并发出定位成功信号,定位结束。

图2 主轴定位功能原理图Fig.2 Principle diagram of spindle positioning function

定位过程中主轴转过的角度可以在程序中设定,即从检测到主轴定位接近开关信号到电动机停机时转过的角度,该角度在第一次投入使用时需要人工调试设定,角度的调整有一定的限制,角度过小会导致电动机定位时速度运行不稳,角度过大会定位超时导致定位失败。该角度一旦确定,除非更换主轴或者调整接近开关位置,否则一般不需要调整,即使需要调整,也是仅根据主轴实际停机位置调试出新的定位角度即可。

2 主轴定位常见问题

2.1 自动换辊主轴定位成功信号消失

在轧机自动换辊过程中,主轴定位成功信号是自动换辊的一个条件,在自动换辊过程中要保持该信号一直存在,但是在实际应用中,在完成主轴定位后,程序进入自动换辊模式时,主轴定位成功信号经常丢失,导致不满足自动换辊条件而不能继续自动换辊,需要手动完成换辊,严重影响换辊时间。通过对主轴定位信号和电动机实际位置的监控,发现主轴定位信号丢失均发生在抽辊这一过程,观察此时的电动机速度波形发现,在抽辊过程中电动机实际速度在零位存在抖动现象,而电动机的给定速度和实际电流为零,现场检查编码器也无松动现象,经确认是在抽辊过程中,主轴受外力有轻微晃动的情况,影响转子实际位置与设定位置偏差大于2°,导致定位完成信号消失。

2.2 主轴定位接近开关维护困难

主轴定位接近开关的作用是在换辊时检测主轴的实际位置,根据检测到的实际位置开始计算主轴的旋转角度,接近开关原设计安装在轧机侧的主轴水平平衡支架上,支架的位置较高且水汽大,主轴上的润滑油也会甩到接近开关上,会影响接近开关的使用寿命,并且每次更换主轴时都要重新焊接挡块,维护量较大,曾多次发生在生产过程中主轴接近开关被撞或者被油污遮挡,导致信号不稳定,不能满足主轴定位需求。

2.3 主轴定位后停机速度不稳

轧机主电动机在换辊前进行主轴定位,主电机速度由爬行速度经速度控制器控制,逐渐减小至零,完成主轴定位,但是在实际应用过程中,电动机定位时给定速度为零时,在有运行使能的情况下还会继续在零速位置抖动(图3),如果抖动时间过长超过定位时间限制,会导致主轴定位失败,需要重新定位,曾因此原因导致多次重复定位,影响换辊时间。

图3 优化前定位速度曲线Fig.3 Positioning velocity curve before optimization

3 主轴定位常见问题解决办法

3.1 主轴定位成功信号消失

在抽辊过程中,主轴受外力影响产生的晃动,外围设备很难做出改进,因此,可以在主电动机定位逻辑中新增一个功能,即保持主轴定位精度为小角度,在定位完成后,自动将转子位置偏差放大一定角度,转子轴在抽辊过程中产生的晃动在偏差之内,定位完成信号会一直保持,既保证了定位精度,又解决了换辊信号经常丢失的问题,保证自动换辊顺利进行。

3.2 主轴定位接近开关维护困难

主轴接近开关容易损坏的原因在于其工作环境恶劣,安装位置在主轴垂直平衡支架上(图4),只有检修期间才能进行维护,因此,在不影响正常生产的情况下,在轧机主电动机侧新增备用的光电式接近开关,将其安装在主电动机的接手上方,电动机接手上贴有反光板,并通过备用通道将接近开关信号接到主电动机的控制系统。在程序中新增定位角度调整通道和主轴定位接近开关切换程序,两组主轴定位接近开关可以在程序中进行一键切换,一备一用。

图4 原主轴接近开关Fig.4 Original spindle proximity switch

3.3 主轴定位后停机速度不稳

轧机主电动机在正常运行时,由于冲击性负载的原因,主电机机械特性要求较高,为了满足轧钢时的需求,电动机速度控制器的PI调节器的比例Kp较大,Kp值大的好处是电动机响应速度很快,可以快速调节速度,但弊端是调速稳定性较差,Kp过大容易导致速度环运行不稳定,出现抖动现象。在主轴定位过程中,速度逐渐降低至零时,由于响应速度过快,容易产生抖动现象。

由于轧机主电动机只有在咬钢、抛钢时对速度响应要求较高,在电动机换向时或停机定位过程中速度接近零时对速度响应要求不高,因此,在程序中将主电动机速度接近零时的PI调节器的Kp适当减小,由50%改为30%,增加速度控制器的稳定性,结合现场实际应用效果,调整后电动机速度运行更加稳定,基本解决了停机时的抖动问题。

4 取得效果

(1) 换辊时主轴定位完成信号丢失的问题,在新增加了程序后运行稳定,在换辊时没有再发生过主轴定位信号消失的情况,且在抽辊、装辊时,主轴的实际位置并不影响换辊,新增程序可以有效避免因抽辊时主轴抖动而产生的定位信号消失现象。

(2) 新增主轴接近开关(图5)和相应的程序以后,在1组接近开关发生故障后可以用较短的时间将备用接近开关投入使用,基本不影响正常的换辊时间,且新增加的接近开关位于电动机侧,工作环境较好,便于日常维护。

图5 新增主轴接近开关Fig.5 Added spindle proximity switch

(3) 主轴定位时速度控制器的比例Kp参数优化后,电动机在接近零速时运行更加稳定。从定位时速度曲线可以看出,在换辊时进行主轴定位时,给定速度为零后,电动机抖动问题基本解决(图6),减少了换辊定位失败的发生。

图6 优化后定位速度曲线Fig.6 Positioning velocity curve after optimization

5 结语

电动机主轴定位功能在每个轧钢厂都有所应用,虽然不直接参与主电动机轧钢过程中的控制,但是保证主轴定位功能的稳定运行对提升换辊速度起着很重要的作用,在这个分秒必争的时刻,也是提升生产效率的一个措施。主轴定位功能是一项成熟的技术,但是在实际应用过程中,由于不同的工作环境和不同的负载,对主轴定位功能都会存在一些影响,本文结合厚板厂粗、精轧主电动机主轴定位功能的实际应用,对其原理进行了介绍,同时对应用过程中遇到问题的分析和处理办法介绍,在硬件和软件方面逐步完善了主轴定位功能,希望通过对主轴定位功能和常见问题的介绍,可以增强设备维护人员对主电动机控制系统的了解。