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Come migliorare l’efficienza del processo di avvolgimento delle bobine di acciaio

bobine acciaio

Un metodo comune per l’avvolgimento e lo svolgimento delle bobine di acciaio processato è l’avvolgimento centrale. I sistemi di avvolgimento sono tipicamente azionati da motori elettrici a velocità variabile.

In queste applicazioni vengono tipicamente selezionati motori elettrici di grandi dimensioni, infatti solo essi sono in grado di assicurare le elevate coppie e le velocità richieste. Questo blog si promette di esplorare una nuova tecnologia per l’avvolgimento /svolgimento delle bobine di acciaio che permetta agli uffici di progettazione di:

  • Ridurre la dimensione del motore
  • Diminuire i costi di installazione
  • Migliorare l’efficienza del processo di avvolgimento
  • Minimizzare le perdite idrauliche
  • Operare a bassi livelli di rumore e basse temperature

 

Richieste di coppie e velocità:

Un fine bilanciamento tra la coppia e la velocità è necessario durante il processo di avvolgimento e svolgimento. La velocità e la coppia del motore dell’avvolgitore sono inversamente proporzionali a causa delle tensioni create dal materiale avvolto. Durante l’avvolgimento infatti il diametro della bobina aumenta consumando più materiale ad ogni rotazione. Per mantenere costante l’accesso del materiale il motore dovrà ridurre la velocità di rotazione. L’aumento del diametro causa anche un’aumento proporzionale del braccio sul quale è applicata la tensione di avvolgimento. Qusto processo richiede quindi al motore una coppia massima ed una velocità di rotazione minima a bobina piena, viceversa una velocità massima ed una coppia minima a bobina vuota.

Per scoprire come ottimizzare il processo di avvolgimento e svolgimento, scarica questo white paper.

Funzionamento del processo di avvolgimento e svolgimento:

Avvolgimento:

L’accumulo della bobina può essere visto come il rapporto tra il diametro massimo del coil e il diametro del mandrino originale:

Ad esempio: considerando una bobina da 2,1 metri con un mandrino da 0,7 si ha un rapporto di avvolgimento o svolgimento di 3:1

avvolgimento bobina

Coppia di avvolgimento:

Per mantenere la tensione di processo costante il motore di avvolgimento deve produrre una coppia sufficiente e controllata .

Per calcolare la coppia necessaria si può moltiplicare la tensione richiesta con il raggio di bobina. Come accennato in precedenza la coppia motore aumenterà proporzionalmente con la dimensione del coil.

coppia di avvolgimento

Velocità di avvolgimento:

Per mantenere costante la velocità di ingresso del foglio di metallo la bobina dovrà adattare costantemente (durante il processo) la sua velocità superficiale. Per calcolare la velocità di rotazione del mandrino bisognerà quindi dividere la velocità di ingresso per il perimetro della circonferenza del coil:

Velocità avvolgimento

Potenza di Avvolgimento:

Durante l’avvolgimento, la tensione del foglio di acciaio e la sua velocità devono rimanere costanti; di conseguenza la potenza richiesta è costante ed uguale alla potenza di avvolgimento.

Il motore dovrà quindi ridurre la velocità inversamente proporzionalmente alla coppia durante il processo di avvolgimento. Considerando un motore elettrico standard si potrebbe essere tentati di scegliere un motore con potenza nominale e velocità massima pari alle richieste del sistema. Purtroppo però questa scelta non sarebbe corretta. Infatti i motori elettrici presentano coppie costanti per regimi di rotazione tra la velocità nulla e quella di base. Questo significa che l’output di potenza varierà nei due differenti regimi di rotazione precedentemente indicati (137 RPM e 46 RPM).

Al regime di rotazione più basso verrà generato 1/3 della potenza sviluppata a 137RPM.

Questo significa che con sistemi tradizionali sarà necessario sovradimensionare il sistema di circa 2 volte (senza variare il numero di poli del motore).

Un’altra soluzione (ormai in disuso) può essere trovata nell’utilizzo di motori elettrici a corrente continua. Questa soluzione è però molto costosa ed inefficiente.

Tecnologie combinate:

I sistemi idraulici sono noti per l’elevata densità di potenza. I motori elettrici e gli inverter sono eccezionali per la loro flessibiltà, controllabilità e rapidità di risposta.  L’idea di combinare queste due tecnologie è stata valutata per anni nei vari uffici tecnici. Oggi, a causa degli elevati costi dell’elettricità e un controllo più rigido e attento delle emissioni di gas serra, si sono potute finalmente combinare queste due tecnologie sfruttando le loro sinergie per arrivare a prodotti tecnicamente superiori.

Pompe controllate da inverter:

Un avanzamento negli algoritmi di controllo dei nuovi Variable Frequency Drive (VFD), un’incremento della velocità di programmazione e pompe idrauliche con maggiore efficienza hanno permesso agli ingegneri idraulici ed elettronici Parker di implementare con successo una nuova tecnologia chiamata drive controlled pumps (DCP).

“Sistemi idraulici equipaggiati con sistemi DCP non solo sono meno complessi e più efficenti degli impianti idraulici tradizionali. Ma uniscono all’efficienza una riduzione del rumore e della temperatura permettendo di avere un’ambiente meno rumoroso e di progettare macchine con minor volume d’olio.”

Avvolgimento controllato tramite DCP:

Al contrario dei metodi tradizionali che usano motori di grande dimensione per soddisfare i requisiti di coppia e velocità, i sistemi DCP usano un rapporto di trasmissione idraulico variabile per permettere il dimensionamento del motore elettrico il più vicino possibile alla richiesta di potenza dell’avvolgitore.

Per utilizzare correttamente un sistema DCP il riduttore meccanico verrà sostituito da una pompa idraulica ed un motore con lo stesso rapporto di cilindrata. Questo per permettere la stessa capacità di riduzione della velocità. Inoltre utilizzando un motore idraulico con cilindrata superiore alla minima richiesta (dal rapporto di cilindrata) si potrà mantenere la potenza costante con tutti i range di velocità.

Quando la bobina si troverà al diametro minimo (di mandrino) il motore idraulico verrà utilizzato in cilindrata minima, permettendo quindi la trasmissione della minima coppia alla massima velocità. Durante i successivi incrementi di diametro il motore aumenterà gradualmente la sua cilindrata disaccoppiando quindi la coppia costante del motre elettrico dalla coppia trasmessa al mandrino.

Conclusione:

La tecnologia DCP combina i vantaggi dell’elettromeccanica ai vantaggi dei sistemi idraulici per ottimizzare il processo di avvolgimento/svolgimento con i seguenti risultati:

  • Motore elettrico con dimensioni più contenute.
  • Riduzione dei costi di installazione di rete.
  • Miglioramento dell’efficienza operativa
  • Minimizzazione delle perdite idrauliche
  • Meno valvole e meno complicate
  • Riduzione del rumore

Questo blog post è stato prodotto grazie al contributo di:

Bertelli

 

 

 

 

Gianmarco Bertelli, Hydraulic Field Application Engineer, Parker Hannifin Italy Srl

 

 

Rashid Aidun Rashid Aidun, application engineer, Parker Hannifin

 

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