автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Многодвигательный электропривод для стана холодной прокатки труб

На правах рукописи

48481"

Боровик Александр Александрович

МНОГОДВИГАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ДЛЯ СТАНА ХОЛОДНОЙ

ПРОКАТКИ ТРУБ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 МАЙ 2011

Москва-2011

4848122

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированный электропривод» Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Ладыгин Анатолий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Онищенко Георгий Борисович

кандидат технических, наук, доцент Платонова Вера Евгеньевна

Ведущая организация: ООО «РУСЭЛПРОМ-Мехатроника»

Защита диссертации состоится «10» июня 2011 г. в 14 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан «6» мая 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.157.02 кандидат технических наук, доцент

Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

На рынке потребления трубной продукции особое место занимают холоднокатаные трубы специального назначения, являющиеся самой точной и высококачественной продукцией трубного производства. Основным способом производства таких труб является прокатка их на станах ХПТ. Основными потребителями подобных труб являются предприятия авиационно-космической и энергетической отраслей промышленности.

На данный момент только отечественный парк станов ХПТ составляет более 300 единиц. Большинство из них морально и физически устарели и не удовлетворяют предъявляемым требованиям по производительности, качеству получаемых труб и экологическим нормам. В связи с этим актуален вопрос об обновлении трубопрокатного парка российских заводов с увеличением производительности трубных цехов и улучшением качества прокатываемых труб.

В 2007 г. по заданию ФГУП «РФТР» ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ» приступил к разработке опытных образцов 3-х типоразмеров станов ХПТ нового поколения. Станы нового поколения должны отличаться повышенной надежностью и производительностью относительно станов предыдущих поколений. Достижение такого результата предполагается осуществить путем реализации на стане ХПТ нового поколения ряда новых решений:

■Переход от группового привода стана к многодвигательному приводу (Рис.1). Многодвигательный привод включает в себя главный привод 7, два привода поворота оправки 1,2, два привода поворота трубы 3,4 и два привода подачи трубы 5,6.

«Осуществление непрерывного процесса прокатки (подача труб в линию прокатки без остановки процесса прокатки).

■Увеличение количества технологических режимов работы стана.

■Бесступенчатое регулирование величин подачи и углов поворота труб в процессе прокатки.

Реализация этих решений требует разработки новой системы электропривода и автоматики.

Цель диссертационной работы - создание теоретической базы для разработки многодвигательного электропривода стана ХПТ нового поколения.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

1.Анализ требований к электроприводам стана ХПТ нового поколения.

2.Создание методик расчета мощностей двигателей приводов, с учетом особенностей их работы.

3.Синтез регуляторов координат электроприводов, обеспечивающих желаемые показатели качества движений подачи и поворота труб.

4.Синтез эффективной структуры системы управления

электроприводами для многодвигательного привода. 5.Экспериментальная проверка предлагаемых теоретических решений для многодвигательного электропривода станов ХПТ нового поколения.

Методы исследования.

Для решения поставленных в работе задач использовались методы теории электропривода, математического моделирования, теория механизмов машин (ТММ). Исследования проводились в ходе экспериментов на опытно -промышленном оборудовании, имитационное моделирование проводилось на моделях, реализованных в специализированном пакете SigmaWin фирмы Yaskawa и программных моделях, написанных на языке DELPHI.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность полученных результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований на промышленном оборудовании.

Научная новизна работы.

1.Сформулированы требования к многодвигательному приводу станов ХПТ нового поколения.

2.Предложены методики расчета мощности двигателей главного привода и позиционных приводов стана ХПТ нового поколения с учетом особенностей их работы.

3.Предложена структура управления многодвнгательным приводом, обеспечивающая выполнение всего объема технологических функций.

Практическая ценность работы.

1 .Результаты работы использованы при создании пяти станов ХПТ нового поколения, находящихся в эксплуатации, и обеспечивающих в 1,5...2 раза большую производительность относительно станов предыдущих поколений.

2.Предложенные теоретические решения актуальны для разработок новых прототипов станов ХПТ.

Апробация работы.

Основные научные результаты диссертации доложены и обсуждены на XIII и XV Международных научно - технических конференциях студентов и аспирантов (Москва, 2007, 2009г.), на конференции «Будущее машиностроения» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009г.), на 14-й научно - технической конференции по проблемам автоматизированного электропривода (г. Тула, ТГУ, 2010г.).

Публикации.

Основное содержание работы опубликовано в 6 печатных трудах, 3 работы опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получен патент РФ №23 52415 на полезное изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Количество страниц - 94, иллюстраций - 29, число наименований использованной литературы - 43.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, ее научная и практическая значимость. Рассмотрен принцип работы стана холодной прокатки труб, приведены характеристики отдельных механизмов, входящих в состав стана. Проведен обзор существующих аналогов станов различных производителей. Определены недостатки в конструкции стана, препятствующие достижению требуемых результатов. Поставлены цели и задачи исследования.

В первой главе рассматривается главный привод (привод перемещения рабочей клети) стана ХПТ. Проведен анализ кинематической схемы механизма главного привода, выявлены специфические требования к электроприводу. Обоснована целесообразность и возможность применения электропривода переменного тока в главном приводе стана ХПТ нового поколения.

Особенностями кинематической схемы главного привода стана ХПТ являются наличие в ней двух механических звеньев:

а) дезаксиального кривошипно-шатунного механизма (КШМ).

б) клиноременной передачи (КРП).

Звено (а) обладает переменным моментом инерции, а звено (б) -значительным постоянным моментом инерции. Кроме того, спецификой процесса периодической прокатки труб является переменный статический момент прокатки, существенно зависящий от маршрута прокатки (рис.2.). Специфика механизма предопределяет следующие требования к главному приводу стана ХПТ нового поколения:

1 .Преодоление статического и динамического моментов нагрузки без перегрева двигателя.

2.Обеспечение заданного скоростного режима работы (до 140 двойных ходов рабочей клети в минуту).

3 .Возможность плавного регулирования скорости вращения двигателя главного привода (с дискретностью не более 1 дв.ход/мин.) в диапазоне -15:1.

4.Обеспечение рационального использования особенностей кинематической схемы привода, при работе со значительными маховыми массами и звеньями кинематической цепи, имеющими переменный момент инерции.

5.Обеспечение степени неравномерности хода (отклонения ррздм'ой скорости от заданной) рабочей клети не более 3%.

Рис.1. Общий вид стана ХПТ нового поколения

2Т 55' К*' М' W :>2р 1б18"

Рис.2 Кривые статического момента и момента на валу двигателя главного привода стана ХПТ 10-45для

частоты перемещения клети 140дв.ход/мин.

Первым шагом в реализации предъявляемых требований является выбор структуры силового канала электропривода. Сравнительная оценка систем ТП-Д и ПЧ-АД по основным технико-экономическим характеристикам показала, что наиболее целесообразным видится применение системы ПЧ -АД, для управления главным приводом стана ХПТ.

Однако наличие в цикле работы привода значительной доли генераторного режима вызывает проблемы при работе системы ПЧ - АД. Стандартные ПЧ оснащены неуправляемыми выпрямителями, не позволяющими отдавать энергию рекуперации в сеть. Установка тормозных резисторов для гашения энергии генераторного торможения, не решает проблемы, т.к при высокой скорости движения рабочей клети частота перехода двигателя r генераторный пежим очень ВЫСОКА и в этой ситуации неизбежно возникают лишние потери энергии. Применение же специального ПЧ, с возможностью рекуперации энергии является очень дорогим решением.

Для решения этой проблемы рекомендуется использовать одну из особенностей кинематической схемы механизма, а именно наличие в главном приводе значительного момента инерции (от шкивов КРП). Использование кинетической энергии, запасенной в маховых массах, возможно при снижении жесткости механической характеристики (MX) приводного двигателя. В качестве самого доступного способа получения требуемой величины жесткости MX предлагается снижение напряжения, подаваемого на статор двигателя. Увеличение скольжения достигается формированием

необходимого соотношения у, в скалярном режиме управления ПЧ.

Уровень снижения жесткости MX двигателя, требуемая для него величина напряжения и мощность двигателя главного привода определяются в разработанной методике.

Методика расчета мощности двигателя главного привода учитывает характер работы привода с КШМ, характер нагрузки, носящий переменный характер и изменение жесткости MX приводного двигателя, как средство оптимизации работы привода. Методика состоит из следующих этапов:

1. Определение базовых параметров КШМ

2. Расчет момента инерции механизма, приведенного к валу кривошипа.

3. Расчет динамического, полного и среднеквадратичного моментов на валу кривошипа.

4. Выбор двигателя 1-го приближения по значениям максимальной мощности и максимальной скорости двигателя.

5. Расчет потребляемой двигателем мощности при различных значениях жесткости MX двигателя.

6. Выбор двигателя 2-го приближения по критерию минимума потребляемой мощности

7. Проверка выбранного двигателя по нагреву и степени неравномерности хода при различных значениях напряжения, подаваемого на статор двигателя. Определение оптимального значения напряжения статора двигателя.

В методике предлагается осуществить совмещение известных методов расчета в приложении их к дезаксиальному КШМ с переменной статической нагрузкой. Также в методике рассматривается вопрос, связанный с изменением жесткости MX приводного двигателя, и влиянием её на потребную мощность двигателя. Система уравнений (1) описывает зависимости динамического момента Мтщ{ф) и момента инерции JnР(<р) от угла поворота кривошипа при абсолютной жесткости MX приводного

TTDTJr,OT£*rrГТ Pof^tTiaf РТЧТ7ЛЮ^Т/ПГЛ */TOtTTO ТТПЛ\Ъ'О7ТТТ ТТПСТ DO П*ЛГ\Т» Г* П»а*7Т1Т.Т1»*

^UilXU^W.l/1. ЛМ.Ъ-ДЪ'*. iVVlVUlU IUO.UWU1I* HJ/U.VUUU1 М""1 V iiv|yv>4w»iilunu

профилем ручья и периодической подачей заготовки представляет собой сложную инженерную задачу, решение которой рекомендуется проводить по методике, предложенной Шевакиным Ю.Ф. Полученные от технологов данные М„(<р), рассчитанные по этой методике используются в методике расчета мощности двигателя главного привода. Таким образом, определяется зависимость полного момента от угла поворота кривошипа при условии постоянства скорости кривошипа MZrip -Мшир(<р)+Мст11р(д)).

г

А1 1 _2 (Ъ tfxsinp-e Y b' , xm ix Б + m х —xcoso+---x£ + m„,x—xcos ©

" Zi J " [A V L„ )" A2 V

+Jл

xsin <p-

J _ . йк sinffl-e (1)

Л J>=sinp +-—-xcos$) '

V 2 dtp

где: - статический и инерционный моменты привода,

момент инерции механизма, /А- постоянный момент инерции механизма, со -частота вращения кривошипа, М„, 5„, а)0 - номинальные данные двигателя, ют- реальная частота вращения двигателя, Д„, R, е- параметры КШМ, тш,тх - массы шатунов и клети с валками.

Мощность двигателя 1-го приближения определяется как произведение среднеквадратичного полного момента на валу кривошипа и скорости кривошипа No, = Mmncr, х . Предусматривается работа двигателя на максимальной скорости во 2-й зоне.

Уравнение движения с учетом жесткости MX приводного двигателя, с учетом конечной жесткости его MX имеет вид (2):

dm 1 f UlxM,, fa. 1 ,, a1 dj

dip J„pxa> l^ffl,-®, \U2 J 2 dip

S M х(со.-юЛ

мг,=м„—= ——

S. Sxo>„

Решением уравнения являются зависимости Мд,(ф) и й)дв(<р). Расчет производится для нескольких значений скольжения. Эти зависимости позволяют определять среднеквадратичные значения момента и скорости двигателя на цикле перемещения клети, и, затем, определять оптимальные значения скольжения и мощности двигателя по критерию минимума его мощности. Определенное значение мощности используется как 2-е приближение к искомому конечному значению.

Поскольку средством снижения жесткости MX является снижение

напряжения, то далее необходимо определить его оптимальный уровень. Для

этого производится расчет кривых Mds{(p) и б)дв(<р)по формулам (3), с

данными двигателя 2-го приближения при различных значениях напряжения.

С. , , dm 1 dJ„(<?) J API* — + -x——=Wi„„-iL„ ' dt 2 d<p °"T r

и ЪМ' M„ =-"

<

S ,S.'

Z+7 (3)

м, - M

„ ■S, +л/я; +2-5. (Я„-1)-1)

о. ---

V. 1-2-S, '(Л, -1)

По полученным графикам выбирается оптимальный уровень снижения напряжения, при этом критериями выбора являются следующие параметры:

■ Заданная средняя скорость двигателя

■ Заданная степень неравномерности хода двигателя

■ Допустимая величина среднеквадратичного момента на валу

двигателя. Полученная величина сравнивается с длительно допустимым моментом на валу двигателя при рабочей частоте напряжения, подаваемого на статор двигателя.

Таким образом, выбирается мощность двигателя, и уровень снижения напряжения, при котором выбранный двигатель имеет наименьшую установленную мощность и удовлетворительные показатели по вышеприведенным критериям.

Предложенная методика использована при создании программы для расчета мощности двигателя главного привода, используемой во ВНИИМЕТМАШ.

Во второй главе рассмотрены теоретические вопросы разработки позиционных приводов стана ХПТ. Предложена методика расчета

мощностей двигателей позиционных приводов, с учетом особенностей их работы. Обоснована необходимость учета потерь в механических передачах, от динамического момента привода. Приведены результаты моделирования синтезированного привода.

В стане ХПТ нового поколения для осуществления движений подачи трубы и поворота трубы и оправки используется многодвигательный привод с электрической синхронизацией движений отдельных механизмов. Многодвигательный привод состоит из 6 индивидуальных приводов:

■ 2 привода подачи трубы

* 2 привода поворота оправки

■ 2 привода поворота трубы

Исхпття из тпебпвяний технологического ппппесг.я были

л - 1 ^ > -------

сформулированы следующие требования к позиционным электроприводам стана ХПТ нового поколения:

1. Число включений приводов - до17000 вкл./час.

2. Время отработки заданного перемещения - не более 0,1 с.

3. Регулирование заданной величины подачи должно осуществляться в пределах 0...10 мм. с шагом 0,1 мм. Регулирование заданного угла поворота трубы должно осуществляться в пределах 0...900 с шагом 1°.

4. Статическая ошибка регулирования величин подачи и угла поворота -не более 5%.

5. Приводы должны обеспечивать возможность прокатки трубы в 4 - х технологических режимах работы.

6. Для приводов должна быть обеспечена высокая степень повторяемости результатов. Отличия в величинах подачи и угла поворота для каждого двойного хода рабочей клети не должны отличаться более чем на 5%.

7. Работа приводов поворота трубы и оправки должна быть синхронизирована. Статическая ошибка по углу поворота для всех приводов поворота трубы не должна превышать 5%.

Требованиями 1 и 2 определяются высокие требования к динамическим показателям приводов. Сравнительная оценка известных систем электропривода по основным технико-экономическим характеристикам показала, что наиболее целесообразным видится применение системы преобразователь частоты - синхронный двигатель с постоянными магнитами на роторе (ПЧ-СДПМ).

Далее необходимо определится с мощностями используемых двигателей. Выбор мощности двигателей для таких приводов представляет собой непростую задачу, т.к. статический момент варьируется в широких пределах в зависимости от маршрута прокатки, длины трубы, температуры и качества смазки, качества изготовления оправки и т.д.. Кроме того, высокие требуемые динамические показатели (т.е. высокие ускорения и динамический момент) и высокая частота включений приводов также осложняет выбор двигателей.

Для расчета требуемой мощности каждого из двигателей предлагается методика, состоящая из следующих этапов:

1.Приведение к валу двигателя моментов инерции механизма и статического момента.

2.Приведение к валу двигателя заданного перемещения механизма подачи или поворота трубы.

3.Предварительный выбор двигателя

4.Проверка двигателя по динамическим показателям и нагреву.

5.В случае несоответствия двигателя предъявляемым требованиям -повторный выбор двигателя и повторный расчет.

Исходными данными для расчета служат следующие величины:

^ - максимальный момент нагруки на валу механизма [Л■

^ Лжх - суммарный момент инерции механизмов, приведенный к выходному валу редуктора [ кг • мг ].

^ Рим > " максимальное угловое или линейное перемещение, которое необходимо отработать приводу за 1 цикл работы;

> tn3X - максимально допустимое время отработки перемещения (с).

> i - передаточное число от вала двигателя к валу механизма.

> г! - коэффициент полезного действия (КПД) редуктора.

В своей базовой части методика представляет собой комбинацию известных формул из теории электропривода. Отличительной особенностью методики является учет потерь в редукторах от передаваемого динамического момента. Работа привода в повторно-кратковременном режиме предполагает работу двигателя в переходных режимах и отсутствие времени работы в установившемся режиме. Анализ работы станов ХПТ показывает, что статический момент нагрузки не превышает 40%, а динамический момент, необходимый для обеспечения высоких динамических показателей привода, может достигать значений 220...250% от номинального момента выбираемых двигателей. В классической теории электропривода, при расчете необходимого динамического момента учитываются только статический момент сопротивления и моменты инерции механизмов. Однако, если статический момент сопротивления очень мал, и время переходного процесса составляет доли секунды, то без учета потерь в механических передачах от динамического момента можно существенно ошибиться в выборе двигателя. Оценку потерь в механических передачах от динамического момента можно произвести с помощью КПД. Но КПД передачи величина переменная, и зависит от частоты вращения её элементов и нагрузки на них. При учете потерь целесообразнее пользоваться не КПД, а потерями мощности АР в редукторе [2]. В таком случае, уравнения динамического момента для разгона и торможения привода будут иметь вид:

М, АР Л„„ч dm

J, // da Mc № m ч

>U ^ 'P-C Ю

Дальнейший расчет мощности двигателя должен проводиться по классической методике. Проверка двигателя по нагреву осуществляется методом эквивалентного момента. Предложенная методика реализована в программном виде на языке программирования DELPHI.

После определения требуемых величин мощностей двигателей необходимо обеспечить выполнение требований к показателям качества регулирования координат позиционных электроприводов. Для выполнения этих требований рекомендуется классическая трехконтурная структура регулирования координат, имеющая дополнительно каналы предуправления в контурах регулирования скорости и положения (рис.3.).

Получение требуемых показателей качества обеспечивается настройкой коэффициентов усиления регуляторов. Для определения их величин предлагается использовать эмпирический метод с применением динамических моделей, которые несложно реализовать в программных пакетах производителей сервоприводов. В качестве примера приводятся результаты такого синтеза электропривода поворота трубы стана ХПТ 10 -45 в программном пакете SIGMAWin от фирмы Yaskawa. В качестве исходных данных для расчета приняты следующие значения:

> Мощность двигателя - 11 кВт.

> Угол поворота вала двигателя максимальный - 187,5°

> Максимальное допустимое время отработки угла поворота - /„„ =0,08 с.

> Максимальная скорость при работе по симметричной треугольной тахограмме пт = 782 об/мин.

> Перерегулирование - отсутствует

Результирующие осциллограммы заданной и фактической скорости привода, а также момента на валу двигателя, при отработке заданного перемещения приведены на Рис.46. Анализ этих осциллограмм показывает, что рекомендуемый метод определения параметров регуляторов позволяет

обеспечивать предъявленные требования (время отработки заданного перемещения без перерегулирования составляет 0,07с.) В третьей главе рассмотрена структура системы управления многодвигательным приводом стана ХПТ. Обоснована необходимость применения централизованной структуры управления и нескольких промышленных интерфейсов связи.

Система управления стана ХПТ нового поколения должна строиться на принципах, классических для современных системы автоматизации 1-го и 2-го уровней, но с учетом особенностей технологического процесса холодной прокатки ipy6. Ядро системы, должен представлять собой программируемый логический контроллер (ПЛК). Ввод и отображение информации о ходе технологического процесса должны производиться на панелях оператора, в

а) При заводской настройке б) После синтеза

Рис. 4 Расчетные осц1лллограммыработы привода поворота

К системе управления предъявляются требования по реализации следующих основных функций:

1. Общее управление технологическим процессом

2. Управление работой многодвигательного привода с жесткой синхронизацией отдельных движений механизмов стана.

3. Отображение информации о ходе технологического процесса, о состоянии оборудования и сбоях в его работе.

Выполнение 2-го требования возможно только при управлении позиционными приводами в режиме "реального времени". "Реальное время" при выполнении задач передачи данных означает определенное время с постоянными промежутками, в течение которого система реагирует на внешнее событие. При этом важны не только время цикла, но его стабильность. Аппаратная и программная базы высокоскоростного

интерфейса связи на базе распространенного протокола RTE (RealTimeEthernet) позволяют получить скорость передачи команд до 100Mbps и сократить время цикла приема - передачи данных до 1мс.

При выполнении требований 1 и 3 нет необходимости в высокой скорости передачи данных, но требуется значительный их объем. При наличии значительного объема датчиков целесообразно использование распределенной периферии, со связью между центральньш ПЛК и периферией по стандартному полевому протоколу (Profibus, DeviceNet, Modbus и т.д.).

Реализацию всех предъявленных к системе управления требований предлагается осуществить в структуре, приведенной на рис.5, структур.

Центральный ПЛК

УТОВЕНЬ11 ПЛК управления 8 L т

движением

Главный привод tes

' s

Высокоскоростной интерфейс связи i Вспомогательные ' о МШИИШИИМШМШШНЮШШ

приводы

УРОВЕНЬ III

т

HMI

4 4 11 4 1

Позиционные приводы

2 привела поворота яержня оправки

2 привода подачи трубы

Рис.5 Предлагаемая структура системы управления

Предлагаемая к применению в стане ХПТ нового поколения структура представляет собой централизованную 2-х уровневую структуру, с центральным ПЖ автоматизации и ведомым ПЛК управления позиционными электроприводами.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальной проверки теоретических результатов работы в промышленных условиях. Дана оценка полученных практических результатов.

Экспериментальные исследования проводились на опытно промышленных образцах станов ХПТ с проверкой правильности выбора двигателя главного привода и решения о снижении напряжения для выравнивания кривой нагрузки на валу двигателя, а также с целью оценки правильности выбора двигателей позиционных приводов и показателей качества регулирования.

По предложенной в главе 2 методике были проведены расчеты по выбору двигателя главного привода. На рис.6 приведена иллюстрация зависимости требуемой мощности двигателя от жесткости MX привода.

150

Подача, мм

Рис. 6. Зависимость полной мощности прокатки от величины подачи для различных значений жесткости (В) механических характеристик главного привода

На рис.7 приведены зависимости для основных критериев выбора двигателя при различных величинах снижения напряжения. Лп. об/мда

1», оо/мин

с) Момент на валу двигателя Рис. 7 Кривые критериев выбора оптимального уровня напряжения

£

100

20 40 60 SO 100 (t"/UnoM)'lO0«i

а) Степень неравномерности хода двигателя

0 20 40 60 80 100 |Ъ' 'Ском)100»/о

5)Средняя скорость двигателя

(I" 1'иом)-100»о

1730

100 50

В работе рекомендован оптимальный уровень напряжения, принятый равным 50...80% от номинального напряжения. При таком напряжении питания двигателя эффективно используется кинетическая энергия маховых масс, и требуемая мощность двигателя может быть снижена более чем на 30% относительно двигателя с абсолютно жесткой механической характеристикой.

На рис. 8 приведены экспериментальные графики зависимости амплитуд активной мощности на валу двигателя главного привода от частоты перемещения рабочей клети для рекомендованного по результатам расчета уровня снижения напряжения статора до 60% от номинального.

Как можно видеть на графике, генераторный режим работы двигателя не превышает 3% от номинальной мощности, что позволяет говорить об эффективном выравнивании нагрузки на валу двигателя. Максимальное значение потребляемой мощности при прокатке трубы с подачей 30% от максимальной, на максимальной скорости, не превышает 30% от номинальной мощности, что согласуется с расчетными данными (рис.6.). Полученные результаты позволяют сделать заключение о правильности выбора двигателя, и, следовательно, об адекватности предложенной методики.

Рис.8 Активная мощность, потребляемая двигателем главного привода

На рис.9 и рис.10 приведены графики переходных процессов для максимального угла поворота трубы и эквивалентного момента для привода поворота трубы. В качестве параметров регуляторов положения и скорости использованы параметры, полученные при применении метода синтеза, рекомендованного в главе 2.

Динамические показатели привода могут быть признаны удовлетворительными. Время отработки заданного максимального перемещения не превышает 70 мс, при максимально допустимом времени 80 мс. Отработка заданных перемещений происходит без перерегулирования,

статическая ошибка отработки перемещения стремится к 0 (за счет применения сочетания ПИ регулятора скорости и П регулятора положения).

Mm. % rijp об/мин об/мин Пл., о&'мин

10» 1400т

1020.000 1040 ООО 1060000 1060.000 1100000 Timetms]

320.000 960.000 1000.000 1040.000 Time! ins]

Рис.9 Осциллограммы работы привода поворота

Mil®. %

Угол поворота 90'

Угол поворота 71°

Угол поворота 57°

0 30 60 90 120 15(1

Скорость рабочей клети, дь.тод лшн.

Рис.10 Эквивалентный момент на валу двигателя поворота заготовки при повороте заготовки два раза за цикл

Проверка двигателя привода поворота по "нагреву" методом эквивалентного момента показывает правильность выбора мощности двигателя. Однако для обеспечения нормальной работы привода поворота заготовки (с эквивалентным моментом, не превышающим 90% от номинального момента двигателя) было принято решение ограничить

максимально допустимый угол поворота заготовки при повороте заготовки 2 раза за цикл на скоростях 100... 140 дв.ход./мин. величиной 75°. В заключении приведены выводы по работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выработаны требования к много двигательному приводу для стана ХПТ нового поколения.

2. Разработана методика расчета мощности главного привода станов ХПТ нового поколения, учитывающая влияние жесткости механической характеристики привода на требуемую мощность двигателя. Показано, что при снижении жесткости механической характеристики привода требуемая мощность двигателя может быть снижена более чем на 30% относительно привода с абсолютно жесткой механической характеристи кой.

3. Разработана методика расчета мощности позиционных приводов для

станов ХПТ нового поколения с уточненным учетом потерь в динамических режимах, доля которых, в общей установленной мощности привода может достигать 20%.

4. Выработаны рекомендации по синтезу и выбору параметров регуляторов координат электроприводов подачи и поворота труб, которые позволили реализовать весь объем требований к динамике позиционных приводов стана.

5. Предложена структура управления многодвигательным приводом, обеспечивающая выполнение всего объема технологических функций.

6. Проведена экспериментальная проверка теоретических результатов.

7. Результаты работы использованы при создании пяти станов ХПТ нового поколения, находящихся в эксплуатации, и обеспечивающих в 1,5...2 раза большую производительность относительно станов предыдущих поколений.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Боровик А.А. Многодвигательный электропривод стана холодной прокатки труб. Журнал «Электротехника». Москва. Изд. ЗАО «Знак».2010г. №3. - С. 20-25.

2. Козырев С.К., Боровик А.А. Учет потерь в редукторе при переходных процессах. Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010.4.1. - С. 223-228.

3. Боровик А.А. Многодвигательный электропривод стана холодной прокатки труб. Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Тула: Лзд-во ТулГУ, 2010. 4.2. - С. 243-248.

Козырев С.К., Боровик А.А. Многодвигательный электропривод стана холодной прокатки труб, тезисы доклада. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тринадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. 1-2 марта 2007г.: Тезисы докладов: в 3-х томах. - Москва, издательский дом МЭИ, 2007г. ISBN 978-5-903072-98-9. Том 2, стр.118-119

Боровик А.А. Электропривод клети трубопрокатного стана. Электропривод и системы управления //.Труды МЭИ, выпуск 684. -Москва, издательский дом МЭИ, 2009г. ISBN 978-5-383-00358-9. стр.3950.

Козырев С.К., Боровик А.А. Многодвигательный электропривод стана холодной прокатки труб, тезисы доклада. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Пятнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. : Тезисы докладов: в 3-х томах. - Москва, издательский дом МЭИ, 2009г. ISBN 978-5-38300346-6. Том 2, стр. И 8-119

Подписано в печать^/. Зак. Тир. iOO П.л. {Ъ

Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул. ДЛЗ

Введение.

Глава 1 . Синтез главного привод стана ХПТ.

1.1. Анализ кинематической схемы главного привода стана ХПТ и требований к нему.

1.2. Синтез структуры системы управления главным приводом стана ХПТ.

1.3. Методика расчета мощности двигателя главного привода стана ХПТ.

1.4. Выводы.

Глава 2. Синтез позиционных приводов подачи и поворота трубы.

2.1. Анализ кинематических схем и требований к электроприводам подачи и поворота трубы.

2.2. Синтез структуры системы управления приводами подачи и поворота трубы.

2.3. Методика расчета мощностей приводов подачи и поворота трубы.

2.4. Синтез параметров регуляторов координат системы управления приводами подачи и поворота трубы.

2.5. Выводы.

Глава 3. Синтез структуры системы управления стана ХПТ.

Глава 4. Экспериментальные исследования синтезированных приводов.

4.1. Теоретический выбор мощности двигателя главного привода стана ХПТ.

4.2. Экспериментальные исследования главного привода стана ХПТ.

4.3. Экспериментальные исследования позиционных приводов подачи и поворота трубы.

4.4. Выводы.

На рынке потребления трубной продукции особое место занимают трубы специального назначения. К ним относятся трубы из металлов со специальными свойствами, с повышенными требованиями по точности обработки, в большинстве своем тонкостенные. Основными потребителями подобных труб являются предприятия авиационно-космической (трубопроводы гидравлической аппаратуры и топливных систем летательных аппаратов), атомной (тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы), трубы систем водоснабжения 1-го и 2-го контуров), химической (коррозионностойкие трубы химических производств), энергетической (трубы систем охлаждения генераторов, трубы паровых котлов и т.д) и автомобильной (трубки тормозных магистралей и топливопроводы) отраслей промышленности [1]. В связи с интенсивным развитием этих отраслей, являющихся "локомотивами" прогресса, потребность в трубах год от года возрастает. Соответственно прогнозируется и рост производства труб, составной частью которого является производство холоднокатаных труб (Рис.в.1.) [2].

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2015

Год

Рис. в. 1 Объем производства труб в РФ (прогноз)

Одним из основных способов изготовления труб данного класса является прокатка на станах периодической холодной прокатки труб с клетями валкового (станы ХПТ) и роликового (станы ХПТР) типов. Холоднокатаные трубы являются самой высококачественной продукцией трубного производства [3].

Процесс холодной периодической прокатки труб валками (пилигримовая прокатка) был изобретен в 1928 г. в США. В СССР первые отечественные станы ХПТ УЗТМ-40 и УЗТМ-65 были изготовлены в 19361937 гг. Но они имели существенные конструктивные недостатки, поэтому в 1937 г. у фирмы «Тьюб Редьюсинг Ко» (США) было куплено несколько станов «Рокрайт» для Никопольского южнотрубного завода [4].

Из-за высокой потребности отечественной промышленности в холоднокатаных трубах 1948 г. на УЗТМ было создано специализированное конструкторское бюро по проектированию станов ХПТ. В 1950-1953 гг. для трубных заводов СССР и ряда стран Европы была изготовлена серия станов ХПТ первой модели: ХПТ 32-1; ХПТ 55-1; ХПТ 75-1. Эти станы имели ряд преимуществ перед станами «Рокрайт». В частности, они имели усиленные станины рабочих клетей (при незначительном увеличении веса), более высокую степень механизации, увеличенную длину хода рабочей клети, что увеличивало их производительность. Основным недостатком станов ХПТ первой модели стала низкая надежность и долговечность механизмов подачи и поворота труб [5].

В 1957 г. производство станов ХПТ было передано ЭЗТМ. В 1958-1990 гг. ЭЗТМ выпустил несколько серий станов различных моделей: от ХПТ 32 до ХПТ 450. Эти станы отличались от станов первой модели и друг от друга не только более высокой степенью механизации, но и более высокой надежностью наиболее ответственных узлов и существенным расширением диапазона размеров прокатываемых труб (от 32 до 450 мм.).

В 1940-х годах, в СССР, началось усиленное развитие атомной промышленности. «Сердцем» реактора является набор тепловыделяющих сборок (TBC), образуемых тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ - ами). Единичный ТВЭЛ представляет собой тонкостенную трубу, в которую помещены «таблетки» ядерного топлива. К трубам ТВЭЛ - ов предъявляются жесткие требования в части их надежности при работе в условиях высоких температур и давлений. В то же время трубы должны быть точными и тонкостенными, так как от этого зависит КПД реактора.

Существовавшие в то время на заводах технологии и оборудование (валковые станы холодной периодической прокатки и волочильные станы) не могли обеспечить выдвигаемых требований ни по тонкостенности труб, ни по точности размеров и чистоте поверхности. Необходимо было создать новый способ производства холоднодеформированных труб, позволяющий изготавливать трубы высокого качества при отношении диаметра к толщине стенки, равном 100 и выше.

Эта работа была поручена ЦКБММ.В 1949 г. А.И. Целиков и В.В. Носаль предлагают принципиально новый способ холодной прокатки труб, получивший название роликового [6,7].

Рис. в. 2 Станы ХПТР в трубном цехе На основе этого нового способа во ВНИИМЕТМАШ под руководством В.В. Носаля и В.А. Вердеревского был создан ряд роликовых станов холодной прокатки труб диаметром от 8 до 120 мм: ХПТР 8-15. ХПТР 60120 для трубных заводов СССР и зарубежных стран (Рис.в.2) [8]. Затем, по 6 чертежам ВНИИМЕТМАШ, Алма-атинским заводом тяжелого машиностроения было изготовлено более 300 таких станов, в том числе более 120 станов для промышленно-развитых стран.

В настоящее время отечественный парк станов ХПТ и ХПТР составляет около 300 единиц. Большинство из них морально и физически устарели и не удовлетворяют предъявляемым требованиям по производительности, качеству получаемых труб и экологическим нормам. Кроме того, в соответствии с энергетической стратегией развития РФ, планируется строительство новых и завершение строительства ряда энергоблоков АЭС [9]. Стратегия развития Объединенной авиастроительной и Объединенной судостроительной корпораций, также предусматривает реализацию ряда масштабных проектов, что повлечет за собой рост потребности в трубах данного класса [10]. В связи с этим, с 90-х годов XX века актуален вопрос об обновлении трубопрокатного парка российских заводов с увеличением производительности трубных цехов и улучшением качества прокатываемых труб.

Среди зарубежных производителей станов ХПТ и ХПТР выделяется фирма «SMS Mannesmann Meer Gmbh» (Германия), a среди отечественных -ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ» г. Москва и АО «ЭЗТМ» г. Электросталь. При этом в России первенство в создании станов ХПТ малого и среднего типоразмеров (для труб наружным диаметром от 5 до 60 мм) принадлежит ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ» [12].

Фирмой «SMS Mannesmann Meer» созданы станы KPW, отличительными особенностями которых являются высокая скорость движения рабочей клети (до 350 дв. ходов в мин.) и малая величина подачи трубы за двойной ход клети (до 4 мм). Главный привод стана (выполненный на постоянном токе), ввиду его высокой быстроходности, оснащен сложной системой динамического уравновешивания, а для обеспечения высокой скорости и точности срабатывания механизмов подачи-поворота в них использованы системы сервоприводов.

ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ» созданы станы ХПТ, особенностями которых являются средняя скорость движения рабочей клети (до 140 дв. ходов в мин.) и значительная величина подачи трубы за двойной ход клети (до 15 мм). При такой скорости движения рабочей клети в главном приводе стана не возникают весьма значительные динамические нагрузки, I упрощается система уравновешивания.

АО «ЭЗТМ» созданы станы ХПТ со скоростью движения рабочей клети до 220 дв. ходов в мин и величиной подачи трубы за двойной ход клети до 20 мм [13]. Главный привод, оснащенный системой горизонтального уравновешивания, выполнен от двигателя постоянного тока. В механизмах подачи-поворота труб используется привод постоянного тока с эпициклическим преобразователем непрерывного вращения в прерывистое [14].

Станы КР\¥ и ХПТ производства АО «ЭЗТМ» из-за увеличенной быстроходности главного привода имеют повышенную сложность и металлоемкость конструкции, что влечет за собой значительное увеличение цены. Станы ХПТ конструкции ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ» имеют уменьшенную металлоемкость конструкции, а значит и значительно дешевле станов КР\У. Однако ограниченная быстроходность механизмов станов ХПТ приводит к отставанию от станов по производительности. При производстве наиболее востребованных труб из нержавеющих сталей диаметром от 6 до 60 мм производительность станов КР\\^ составляет от 200 до 450 м/час. Станы ХПТ аналогичных типоразмеров конструкции АХК «ВНИИМЕТМАШ» имеют производительность от 100 до 200 м/час [15]. Отставание в производительности значительно снижает конкурентоспособность станов ХПТ 6-15. ХПТ 30-60, выпускавшихся до 2007г.

В 2007 г. между ФГУП « РФТР» и ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ» был заключен договор о разработке опытных образцов 3-х типоразмеров станов ХПТ нового поколения. Станы нового поколения должны были отличаться повышенной надежностью и производительностью относительно станов предыдущих поколений, и должны были обладать высокой степенью автоматизации технологического процесса. Кроме того, требовалось создать стан со сниженными удельными затратами на производство единицы продукции по сравнению с импортными прокатными станами. Создание стана нового поколения требует разработки соответствующей системы электропривода и автоматики.

Эта важная для отечественной промышленности задача не может быть решена повторением решений зарубежных производителей станов ХПТ, т.к. это сопряжено с изготовлением сложных высокоточных механических конструкций, применением большого количества комплектующих изделий иностранного производства и воспроизводством технологических решений, ранее не применявшихся в отечественном машиностроении. Всё это значительно увеличит стоимость станов, и лишит их конкурентных преимуществ перед станами зарубежных производителей.

Сравнительные характеристики станов ХПТ предыдущего и нового поколений одинаковых типоразмеров и аналогичных станов АО «ЭЗТМ» и немецкой фирмы «SMS Mannesmann Meer» приведены в табл.в. 1.

Таблица в. 1

Тип стана ХПТ 6-15 образца 1999г. ХПТ 20 АО «ЭЗТМ» образца 2006г. KPW 25 «SMS Meer» образца 2006г. ХПТ 6-20 образца 2007г. (новое поколение)

Технологические параметры

Размеры заготовки, мм: диаметр наружный толщина стенки длина 10.20 1,0.4,0 3000.6000 1020 1,0.5,0 1500.8000 10.25 1,0.5,0 3000.5000 10.26 1,0.4,0 2500.7000

Размер готовой трубы, мм: диаметр наружный толщина стенки - длина (тах) 6.15 0,8.2,5 20000 5.15 0,3.2 32000 6.20 0,5.2,5 20000 6.20 0,5.2,5 30000

Конструктивные параметры

Число двойных ходов клети в минуту, шах 100 260 320 140

Величина подачи трубы за один двойной ход клети, мм до 5 до 15 до 8 до 10

Величина угла поворота трубы, град. до 90 до 51 до 90 до 90

Максимальная производительность До 150 До 200 До 300 До 250

Общие данные

Мощность электродвигателя главного привода, кВт 30 55 55 <25

Суммарная установленная мощность электродвигателей, кВт 55 100 120 <45

Таким образом, анализируя табл.в.1, можно сделать вывод, что стан ХПТ 6-20 образца 2007г. должен приблизиться по производительности к стану KPW 25. При этом стан ХПТ 3-го поколения имеет в 3 раза меньшее энергопотребление, легче немецкого стана примерно в 2 раза и, следовательно, дешевле. Дополнительным преимуществом станов ХПТ производства АХК «ВНИИМЕТМАШ» является отсутствие заглубления фундамента относительно нулевой отметки. Установка станов на полу цеха позволяет значительно сэкономить на проведении монтажных работ. Всё это позволяет надеяться, что станы ХПТ нового поколения составят успешную конкуренцию продукции ведущих фирм - производителей подобного оборудования.

Для понимания сути основных решений, предлагаемых на станах ХПТ нового поколения, следует подробно рассмотреть технологический процесс холодной прокатки труб.

Процесс холодной прокатки труб характеризуется весьма благоприятной, с точки зрения использования пластичности металла, схемой напряженного состояния - всесторонним сжатием. Это позволяет достигать очень больших деформаций, не опасаясь разрушения металла трубы.

Поэтому холодной прокатке подвергают главным образом трубы из нержавеющих и высоколегированных сталей, обладающих пониженной пластичностью, малопластичных цветных металлов и сплавов, а также трубы ответственного назначения.

1 Направление I Вил поперечного движения I сечения трубы клети

О о О о о

Заднее положение Переднее положение клети клети

Рис. в. 3 Схема прокатки труб на стане ХПТ Прокатку труб на стане ХПТ (Рис.в.З) осуществляют двумя рабочими валками - 2, которые вместе с рабочей клетью совершают возвратно-поступательное движение; при этом валки одновременно совершают и возвратно-вращательное движение, за счет передачи рейка — шестерня, между валками и неподвижной рейкой, закрепленной на станине. Труба 5 деформируется валками в калибрах на неподвижной конической или параболической оправке 3, закрепляемой на стержне 4. Когда валки находятся в крайнем заднем положении I (а), заготовка 5 подается вперед. В крайнем переднем положении валков II (б) происходит поворот трубы вокруг оси на угол 10.90°. Когда валки вместе с клетью займут вновь крайнее переднее положение I (а), снова происходит подача заготовки, и цикл повторяется. За каждый цикл получают определенную длину готовой трубы 6. В этом и состоит периодичность работы стана ХПТ. На стане ХПТ можно получить тонкостенные трубы с соотношением толщины стенки к диаметру примерно Коэффициент вытяжки (увеличения длины готовой трубы по сравнению с трубой-заготовкой) на стане ХПТ может достигать значений 8.10.

Процесс прокатки трубы на стане ХПТР происходит аналогичным образом, за исключением того, что прокатываемая труба обжимается на цилиндрической оправке, и конструкция клети существенно отличается от клети стана ХПТ. В отличие от прокатки на стане ХПТ вытяжка трубы на стане ХПТР происходит в основном за счет уменьшения толщины стенки, а не за счет уменьшения диметра готовой трубы относительно трубы-заготовки. На стане ХПТР получают прецизионные особотонкостенные трубы с отношением толщины стенки к диаметру до у^-.

В дальнейшем будет рассматриваться только стан ХПТ, так как в общем случае, прокатка труб на станах ХПТ и ХПТР осуществляется одинаково. На станах имеется оправка, которую необходимо удерживать в очаге деформации между валками (или роликами) рабочей клети. Для этого, оправка крепится к стержню, который при прокатке зажимается в начале стана патроном зажима стержня. Трубы, предварительно смазанные изнутри, поочередно одеваются через предварительно разжатый патрон зажима стержня на стержень оправки. После того, как задний конец трубы окажется впереди патрона зажима стержня, труба зажимается по наружной поверхности в патроне зажима трубы. Патрон зажима трубы периодически подает заготовку вперед на определенное расстояние, вдоль оси стержня, когда валки рабочей клети находятся в соответствующем положении.

12

Зажатая труба и стержень оправки поворачиваются на определенный угол за каждый двойной ход рабочей клети. После того как патрон подачи дойдет до своего крайнего положения, он отводится в исходное положение и загружается следующая труба. Когда передний конец трубы сходит с оправки, он зажимается передним патроном зажима трубы, находящимся в голове стана. Это необходимо для того, чтобы при прокатке следующей трубы (трубы прокатываются стык в стык), переднюю трубу не бросило бы вперед во время очередной подачи. Таким образом, на стане ХПТ присутствуют 3 основных движения:

Возвратно — поступательное движение рабочей клети с рабочими валками (главное движение стана).

Поступательное прерывистое движение патрона (патронов) подачи заготовки.

Вращательное движение заготовки и оправки.

Приоритетной задачей при создании станов ХПТ нового поколения снижение удельных затрат на единицу продукции по отношению к станам зарубежных производителей. Кроме того, новая система электропривода и автоматики для стана ХПТ должна обеспечить увеличение на —30% часовой производительности новых станов относительно станов предыдущих поколений. Основными направлениями совершенствования станов ХПТ являются повышение производительности, надежности и безотказности в работе а также создание стана с минимальными эксплуатационными затратами на единицу производимой продукции.

Повышение производительности станов может осуществляться путем увеличения величины подачи за один двойной ход, повышением скорости движения рабочей клети и переходом на непрерывную подачу труб (работой стана без остановки на «перезарядку»). Это решение требует создания новой механической конструкции стана ХПТ с двумя патронами подачи трубы и двумя патронами поворота стержня оправки, для обеспечения непрерывной подачи трубы. Наличие нескольких патронов подачи и поворота трубы и оправки приводит к необходимости создания многодвигательного привода подачи и поворота и требует синхронизации работы всех входящих в его состав приводов.

Увеличение величины подачи за один двойной ход рабочей клети осуществляется увеличением величины единичной подачи или осуществлением подачи 2 раза за один двойной ход рабочей клети, т.е подачей в обоих крайних положениях рабочей клети. Это требует внесения существенных изменений в системы электропривода и автоматики.

Увеличение скорости рабочей клети требует внесения значительных изменений в механическую конструкцию главного привода, т.к при работе кривошипно-шатупного механизма на высоких скоростях, для обеспечения надежности работы деталей, требуется динамическое уравновешивание возвратно-поступательно движущихся масс [11].

Повышение надежности и безотказности в работе осуществляется, прежде всего, уменьшением деталей, работающих в динамических режимах, и испытывающих значительные перегрузки [16].

Создание стана с минимальными эксплуатационными затратами на единицу производимой продукции подразумевает снижение установленной мощности электроприводов, снижение затрат на обслуживание оборудования за счет применения малообслуживаемого оборудования и создание системы автоматического управления станом, позволяющей сократить количество обслуживающего персонала, и дающей возможность одному оператору обслуживать несколько станов.

Оптимальным решением для станов нового поколения видится комбинация всех принципов совершенствования станов ХПТ.

Для создания электропривода стана ХПТ нового поколения требуется основательная теоретическая база. Единственным очевидным теоретическим решением, вытекающим из вышеприведенного обзора, является утверждение о том, что разрабатываемый электропривод должен быть многодвигательным, с разделенными приводами перемещения рабочей клети, приводами подачи и поворота труб, синхронизированными между собой. Ряд других теоретических вопросов, таких создание методик расчета мощностей соответствующих приводов, синтез оптимальной структуры системы управления станом ХПТ и т.д. также требуют своего решения.

Таким образом, целью настоящей работы является создание теоретической базы для разработки многодвигательного электропривода стана ХПТ нового поколения.

Достижение этой актуальной для отечественной промышленности цели потребовало решения следующих задач:

1. Анализ требований к электроприводам стана ХПТ нового поколения.

2. Создание методик расчета мощностей двигателей приводов, с учетом особенностей их работы.

3. Синтез регуляторов координат электроприводов, обеспечивающих желаемые показатели качества движений подачи и поворота труб.

4. Синтез эффективной структуры системы управления электроприводами для многодвигательного привода.

5. Экспериментальная проверка предлагаемых теоретических решений для многодвигательиого электропривода станов ХПТ нового поколения.

Решению вопросов 1.4 будут посвящены главы 1.3, а экспериментальные исследования синтезированных приводов будут рассмотрены в главе 4.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты анализа требований к много двигательному электроприводу для стана ХПТ.

2. Методика расчета мощности двигателя главного привода с учетом влияния знакопеременных нагрузок и снижения жесткости механической характеристики двигателя как средства оптимизации параметров привода.

3. Методика расчета мощности двигателей позиционных приводов стана ХПТ с учетом большого числа включений приводов и преобладания динамической нагрузки над статической.

4. Результаты синтеза структуры системы управления стана ХПТ нового поколения.

5. Результаты экспериментальных исследований разработанных приводов для станов ХПТ нового поколения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, ее научная и практическая значимость. Поставлены цели и задачи исследования. Рассмотрен принцип работы стана холодной прокатки труб, приведены характеристики отдельных механизмов, входящих в состав стана. Проведен обзор существующих аналогов станов различных производителей.

Определены - недостатки в конструкциях станов, препятствующие достижению цели работы.

В первой главе приведены теоретические вопросы разработки главного привода стана ХПТ. Проведен анализ требований к приводу, разработана методика расчета мощности двигателя главного привода, с учетом особенностей его работы. Обоснована необходимость и приведены рекомендации по выбору жесткости механической характеристики приводного двигателя, как средства оптимизации параметров привода.

Во второй главе приведены теоретические вопросы разработки позиционных приводов (приводы подачи трубы и приводы поворота трубы и стержня оправки) стана ХПТ. Проведен анализ требований к этим приводам, разработана методика расчета мощностей двигателей позиционных приводов, с учетом уточненных требований к ним. Обоснована необходимость и приведены рекомендации по учету потерь в механических передачах от динамического момента привода. Приведены результаты моделирования синтезированного привода.

В третьей главе приведена структура системы управления многодвигательным приводом стана ХПТ. Обоснована необходимость и предложена к применению архитектура централизованной системы управления с набором промышленных интерфейсов связи.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальной проверки теоретических результатов работы в промышленных условиях. Дана оценка полученных практических результатов. Показано, что достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сопоставлением теоретических и экспериментальных результатов. Практическая ценность:

• Разработанные методики расчета мощности двигателей главного привода и позиционных приводов, а также предложенные структуры систем управления индивидуальными приводами и станом в целом, обеспечивают промышленное их применение на станах ХПТ нового поколения.

• Результаты работы уже внедрены на пяти станах ХПТ, поставленных с 2007г. по 2010г. на трубные заводы РФ, Украины, Японии, Индии.

• В результате внедрения результатов работы максимальная производительность новых станов ХПТ (по производству труб из нержавеющих сталей) выросла, по сравнению со станами предыдущего поколения, в 1,5. .2 раза.

Публикации. Основные научные результаты диссертации доложены и обсуждены на XIII и XV Международных научно - технических конференциях студентов и аспирантов (Москва, 2007, 2009г.), на конференции «Будущее машиностроения» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009г.), на 14-й научно - технической конференции по проблемам автоматизированного электропривода (г. Тула, ТГУ, 2010г.).

Основное содержание работы опубликовано в 6 печатных трудах. Получен патент РФ №2352415 на полезное изобретение.

7. Результаты работы использованы при создании пяти станов ХПТ нового поколения, находящихся в эксплуатации, и обеспечивающих в 1,5. 2 раза большую производительность относительно станов предыдущих поколений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выработаны требования к многодвигательному приводу для стана ХПТ нового поколения.

2. Разработана методика расчета мощности главного привода станов ХПТ нового поколения, учитывающая влияние жесткости механической характеристики привода на требуемую мощность двигателя. Показано, что при снижении жесткости механической характеристики привода требуемая мощность двигателя может быть снижена более чем на 30% относительно привода с абсолютно жесткой механической характеристикой.

3. Разработана методика расчета мощности позиционных приводов для станов ХПТ нового поколения с уточненным учетом потерь в динамических режимах, доля которых, в общей установленной мощности привода может достигать 20%.

4. Выработаны рекомендации по синтезу и выбору параметров регуляторов координат электроприводов подачи и поворота труб, которые позволили реализовать весь объем требований к динамике позиционных приводов стана.

5. Предложена структура управления многодвигательным приводом, обеспечивающая выполнение всего объема технологических функций.

6. Проведена экспериментальная проверка теоретических результатов.

1. Гриншпун М.И., Соколовский В.И. Станы холодной прокатки труб // Москва, «Машиностроение», 1967 г.

2. Стратегия развития металлургической промышленности Российской Федерации на период до 2015 г. (утверждена приказом Минпромэнсрго России от от 29 мая 2007 г. № 177).

3. Розов Н.В. Холодная прокатка стальных труб // Москва, «Металлургия», 1977 г.

4. Целиков А.И., Смирнов В.В. Из истории развития отечественного прокатного машиностроения // Труды института естествознания и техники. 1959 г. Т.21.

5. Семенов O.A., Спиваковский Л.И. Прогресс трубной промышленности СССР за 50 лет (1917-1967 гг.) // Производство труб. Сборник статей по теории и практике трубного производства. ВНИТИ, 1968 г. С. 5-19.

6. Авторское свидетельство 82446 СССР от 8 марта 1949 г.

7. Патент 3.670.549 США, МПК В21 в 21/4. Способ и устройство для холодной прокатки тонкостенных труб. А.И. Целиков, В.В. Посаль, В.А. Вердеревский, 1972 г.

8. Вердеревский В.А. Роликовые станы холодной прокатки // Москва, «Металлургия», 1992 г., 240 с.

9. Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2030 г. (утверждена распоряжением Правительства РФ от 13 ноября 2009 г. № 1715-р).

10. Стратегия развития металлургической промышленности Российской Федерации на период до 2020 г. (утверждена приказом Минпромэнерго РФ от от 18 марта 2009 г. № 150).

11. Вердеревский В.А., Дмитриев Ю.А., Плакс Н.Р. Сборник «Металлургическое оборудование». Агрегаты для холодной прокатки труб. Обзор. // Москва, «Нииинформтяжмаш», 1977 г. 53с.

12. Дрозд В.Г., Майоров А.И., Сивак Б.А., 60 лет научно-конструкторской и производственной деятельности ВНИИМЕТМАШ // Москва, «Наука», 2005г., 509с.

13. Каталог ОАО «ЭЗТМ», сайт www.eztm.ru.14.3аявка на патент 2005109551/02 от 05.04.2005, опубликовано 27.11.2006г. Преобразователь механизма подачи и поворота стана холодной прокатки труб. Мироненко В. А. , Шубин И. А.

14. Целиков Н.А, Зельдович JI.C., Богданов Н.Т., Рысс А.Б., Зеневич A.A., Новый стан холодной прокатки труб ХПТ 6-15// статья, Москва, журнал «Сталь» №10, 2002г., ISSN 0038-920Х, с. 69-72.

15. Гребенник В.М., Цапко В.К., Надежность металлургического оборудования // Москва, «Металлургия», 1989г., 590с.

16. Боровик A.A., Электропривод клети трубопрокатного стана, статья // Москва, издательский дом МЭИ, Электропривод и системы управления // Труды МЭИ, выпуск 684, стр. 39-50, 2009г.

17. Целиков H.A., Станы ХПТР ВНИИметмаша. Модернизация и новые области применения // Москва, «Тяжелое машиностроение», 1998г., с.22-25.

18. Ильинский Н.Ф. Основы электропривода, учебное пособие для вузов // Москва, издательский дом МЭИ, 2000г.

19. Заявка на патент 5011632/02 от 26.05.1992, опубликовано 20.11.1995г. Прокатный стан холодного пильгерования с движущейся возвратно-поступательно прокатной клетью. Клаус Рехаг DE., Йозеф Герретц [DE], патентообладатель Mannesmann AG (DE).

20. Заявка на патент 2003127081/02 от 05.09.2003, опубликовано 10.03.2005г. Система привода для стана холодной пильгерной прокатки. Бенш Михель (DE), патентообладатель SMS Meer Gmbh (DE).

21. Заявка на патент 2003134696/02 от 01.12.2003, опубликовано 10.03.2006г. Привод стана холодной пильгерной прокатки труб. Есаков А.В.,Солдатов М.А., Пеньков Н.С., Мироненко В.А., патентообладатель ОАО ЭЗТМ.

22. Фираго Б.И., Теория электропривода, учебное пособие // 2-е изд., Минск, «Техноперспектива», 2007 г., 585 с.

23. Ключев В.И. Теория электропривода, учебник для вузов // 2-е изд., перераб., Москва, «Энергоатомиздат», 2001 г., 704 с.

24. Дружинин H.H. Электрооборудование прокатных цехов // Москва, «Металлургиздат», 1956г., 456с.

25. Каталог двигателей ВЭМЗ сайт www.vemz.ru

26. Каталог двигателей ЯЭМЗ ф. ELDIN, сайт www.eldin.ru

27. Попов В.К. Основы электропривода, учебник по курсу электропривода // Москва, «Госэнергоиздат», 1945г., 672с.

28. Голован А.Т. Основы электропривода, учебное пособие для вузов // Москва, «Металлургиздат», 1959г., 344с.

29. Андреев В.Г1, Сабинин Ю.А. Основы электропривода, учебное пособие для вузов // Ленинград, Госэнергоиздат, 1963г., 772с.

30. Гейлер Л.Б. Основы электропривода, учебное пособие для втузов // Минск, издательство «Вышейшая школа», 1972 г., 608с.

31. Артоболевский И.И., Теория механизмов и машин, издание четвертое, переработанное и дополненное // Москва, «Наука», 1988г., 322с.

32. Шевакин Ю.Ф., Калибровка и усилия при холодной прокатке труб // Москва, ГНТИ по черной и цветной металлургии, 1963г.

33. Шевакин Ю.Ф., Глейзберг А.З., Производство труб // Москва, «Металлургия», 1968г., 440с.

34. Козырев С.К., Боровик A.A. Учет потерь в редукторе при переходных процессах. Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 4.1. С. 223-228.

35. Боровик A.A. Многодвигательный электропривод стана холодной прокатки труб. Журнал «Электротехника». Москва. Изд. ЗАО «Знак».2010г. №3. С. 20-25.

36. Ганнель Л.В, Особенности специализированных контроллеров для управления прецизионными электроприводами // Промышленные АСУ и контроллеры, «Научтехлитиздат», 2009г. №1 с.35-39.

37. Ганнель Л.В, Сетевые шины управления движением для автоматизации технологических процессов, www.ingener.info/pages-page-44-l.html

38. Масандилов Л.Б., Москаленко В.В., Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей, второе издание, переработанное и дополненное // Москва, «Энергия», 2004г., 96 с.

39. Браславский И .Я., Ишматов З.Ш., Поляков В.Н., Энергосберегающий асинхронный электропривод // Москва, «Academia», 2004г., 202 с.