Control de tensión del bobinador de tuberías: cuatro métodos explicados

1. Comience con velocidad, par y radio.

El arrastre establece la velocidad de entrada de la tubería, mientras que el carrete gira a una velocidad que cambia a medida que se acumulan las capas. Su relación geométrica es v = ωR: la velocidad de línea v es igual a la velocidad angular ω multiplicada por el radio de bobinado R. Por lo tanto, duplicar el radio reduce a la mitad la velocidad de rotación requerida a la misma velocidad de línea.

El par útil de bobinado es aproximadamente M = TR, donde T es la tensión de la tubería. Esta relación de marcha estable excluye la aceleración y las pérdidas mecánicas. En la práctica, el accionamiento también debe superar la fricción y acelerar el conjunto giratorio; durante la desaceleración, debe eliminar energía de ese conjunto.

Considere un 30 N·m idealizado de torque útil del molinete con radios de 0.15 m y 0.60 m. La tensión cambia de 200 N a 50 N. A una velocidad de línea de 20 m/min, las velocidades de carrete correspondientes son aproximadamente 21.2 y 5.3 rpm. Estos números ilustran las relaciones; no son ajustes de tensión para una tubería en particular.

Esto explica una distinción importante: mantener constante el par no mantiene constante la tensión. Para mantener la misma tensión constante a medida que crece la bobina, el par útil debe aumentar con el radio. El par nominal del motor no es automáticamente el par disponible en el carrete, porque la relación y la eficiencia de la caja de cambios también importan.

2. ¿Por qué la tubería cambia la opción de control?

Los tubos corrugados de pared simple pueden cambiar de forma antes de romperse. Una tracción excesiva puede abrir el paso de la corrugación, alterar el perfil o dejar una sección distorsionada después del desenrollado. Por lo tanto, la inspección debe incluir las corrugaciones y las dimensiones del acabado, en lugar de depender únicamente de si la tubería sobrevive al enrollado.

Una tubería HDPE de pared sólida más rígida responde de manera diferente. Un tramo libre corto puede moverse muy poco y un bailarín de contacto pequeño puede imponer demasiada fuerza local o una curvatura demasiado cerrada. Luces más largas, radios de guía más grandes y una disposición de detección adecuada pueden mejorar el diseño. El diámetro de la tubería por sí solo no establece si un bailarín funcionará.

Para una viga recta simple y simplemente apoyada, la deflexión se escala con F L³ / (48 E I). Esto ayuda a explicar por qué la longitud del tramo, el módulo y la rigidez de la sección afectan el movimiento. Un circuito de tubería curvo con soportes, curvatura residual y temperatura cambiante no se comporta exactamente como ese modelo. Utilice una prueba con la tubería real para establecer el recorrido utilizable y la fuerza de contacto.

Las entradas relevantes son material, OD, espesor de pared o SDR, perfil, temperatura en el bobinado y diámetro de curvatura permitido. Un cálculo genérico de la resistencia a la tracción no puede por sí solo establecer una tensión de devanado permisible para tuberías corrugadas o de pared sólida.

3. Método uno: bobinado del motor torque

Un bobinador con motor de torsión tradicional utiliza las características de funcionamiento del motor y un ajuste de torsión ajustable para tirar del tubo hacia el carrete. Dependiendo de su diseño, el motor puede funcionar en un amplio rango de baja velocidad mientras que el tubo limita la velocidad real del carrete. Confirme las condiciones permitidas de funcionamiento, enfriamiento y parada a partir de los datos específicos del motor.

En la disposición básica no hay realimentación de la tensión de tubería medida. Si el par útil del carrete se mantiene aproximadamente constante, el radio de enrollado más pequeño produce la tensión constante más alta. Para un cambio de radio de cuatro a uno, la tensión inicial es cuatro veces la tensión final con el mismo par. Esa relación compara los dos radios; no es cuatro veces cada configuración seleccionada por el operador.

El atractivo es una máquina sencilla con relativamente poco hardware de control. Puede adaptarse a aplicaciones validadas de tuberías de pared sólida donde es aceptable cambiar la tensión a través del serpentín. La preocupación por un perfil corrugado delicado es que aumentar el torque para apretar las capas externas también aumenta la tracción sobre la primera capa de la siguiente bobina.

Primero establezca y verifique la condición inicial, luego inspeccione el paquete de bobina completa. Cuando la aplicación necesita un control más estricto, la compensación del diámetro y un accionamiento adecuado pueden variar el comando de par a medida que se construye la bobina. Agregar retroalimentación o frenado cambia la capacidad de toda la máquina; el tipo de motor por sí solo no determina si el carrete puede detenerse de manera efectiva.

• Verifique el torque útil del molinete después del engranaje, no solo la placa de identificación del motor.
• Inspeccione las primeras capas para ver si están estiradas y las capas exteriores para ver si están flojas.
• Confirme la respuesta de corte, la distancia de frenado y el comportamiento de reinicio por separado.

4. Método dos: control fotoeléctrico de arranque y parada

Dos niveles de conmutación controlan un circuito de tubería libre entre el transportador y el bobinador. Cuando el bucle se vuelve demasiado corto, el bobinado se detiene o se ralentiza. A medida que la tubería entrante llena el circuito, alcanza el otro nivel y se reanuda el bobinado. El estado exacto del sensor depende de la ubicación del haz y del cableado; el resultado requerido es una reserva estable de tubería.

El sistema básico utiliza un comando de marcha del variador en lugar de una posición de bucle medida continuamente. Puede proporcionar un control económico para una tubería suficientemente flexible y una tasa de producción modesta. El bucle libre amortigua la diferencia de velocidad, pero su peso, geometría y rigidez aún influyen en la tensión.

La aceleración y desaceleración repetidas pueden perturbar una bobina pesada. Una travesía que continúa moviéndose mientras el carrete se detiene también puede colocar incorrectamente las siguientes vueltas. Por lo tanto, los comandos de molinete y recorrido deben coordinarse, con la configuración de aceleración adaptada al buffer disponible.

Para un ciclo ideal de dos estados, sea ΔL la longitud de tubería almacenada utilizable entre niveles de conmutación, v la velocidad entrante y k la relación entre la velocidad de bobinado en funcionamiento y la velocidad entrante. Ignorando las rampas, el intervalo de parada es ΔL/v y el intervalo de funcionamiento es ΔL/((k − 1)v). Con ΔL = 0.30 m, v = 10 m/min y k = 1.2, un ciclo tarda 10.8 s segundos: aproximadamente 333 ciclos por hora. En 20 m/min se convierten en aproximadamente 667 ciclos por hora.

Con una relación de sobrevelocidad y una longitud de buffer fijas, la frecuencia del ciclo aumenta en proporción a la velocidad de la línea. La distancia vertical entre los sensores no es automáticamente igual a ΔL: depende de la geometría del bucle. Las rampas y la histéresis reales también cambian el ciclo, por lo tanto, utilice el cálculo para comprender la tendencia en lugar de prescribir el espaciado de los sensores.

• Una reserva de circuito utilizable mayor puede reducir la frecuencia de conmutación, si el diseño y los límites de curvatura de la tubería lo permiten.
• Verifique toda la secuencia de aceleración y parada tanto en el carrete vacío como en el lleno.
• Confirme la detección estable en la superficie, el color y la ruta de movimiento reales de la tubería.

5. Método tres: control del bailarín con potenciómetro

Un brazo móvil o un rodillo giratorio sigue el bucle de la tubería. Su posición hace girar un potenciómetro, produciendo una señal eléctrica que varía continuamente. El inversor utiliza esta señal directamente, o mediante un controlador, para ajustar la velocidad del devanado. La acción de retroalimentación prevista es simple: si el bobinado consume el bucle demasiado rápido, reduzca la velocidad del carrete; si se acumula exceso de tubería, aumentarla.

En comparación con el control básico de arranque y parada, el carrete puede funcionar con correcciones de velocidad continuas más pequeñas. Esto puede reducir los tirones bruscos y ayudar a mantener un recorrido ordenado. Es una disposición útil para mangueras flexibles y tubos corrugados de pared simple, siempre que el tubo mueva el bailarín libremente y las guías no dañen el perfil.

La señal de posición del bailarín no informa directamente la tensión en Newtons. La tensión resulta de la carga del brazo, el peso del rodillo, la geometría del pivote, la fricción y la trayectoria de la tubería. Los contrapesos, los resortes o las cargas neumáticas influyen en esa fuerza. Una configuración más ligera puede permitir un manejo suave, pero aún necesita suficiente autoridad de control para evitar holguras o oscilaciones.

Un potenciómetro de velocidad manual es diferente de un potenciómetro vinculado a un bailarín. Una perilla proporciona una orden al operador; La corrección automática requiere un mecanismo de retroalimentación en movimiento real u otro sensor. Al revisar una cotización, pregunte qué mueve el potenciómetro y cómo responde el variador.

Durante la puesta en servicio, verifique la dirección de corrección a baja velocidad, establezca una región operativa útil a mitad de recorrido y establezca límites de recorrido. Luego verifique si hay oscilaciones, pivotes desgastados, ruido de señal y respuesta retardada de la transmisión. Es posible que una tubería rígida necesite un diseño mecánico diferente o una detección sin contacto, en lugar de un brazo más pesado en el mismo pequeño bailarín.

Referencia: Siemens Control de tensión y bobinado SIMATIC. El fabricante describe el control de la posición del bailarín y la influencia de la fuerza y ​​la geometría del bailarín. Las configuraciones específicas de las tuberías aún requieren verificaciones de la aplicación.

6. Método cuatro: retroalimentación de bucle ultrasónico

Un sensor ultrasónico mide la distancia al bucle de tubería sin brazo de contacto. Un controlador dedicado PLC o un variador adecuado compara la posición medida con un objetivo y corrige la velocidad del carrete a través del inversor. Una referencia de velocidad de línea y una estimación del radio pueden proporcionar el comando de velocidad básico, dejando que el controlador de bucle corrija la discrepancia restante.

La principal ventaja es la eliminación de la fuerza de contacto y el mecanismo mecánico de desplazamiento de un bailarín. Esto puede ayudar cuando es difícil guiar una tubería rígida a través de una disposición de contacto pequeña, o cuando es útil el monitoreo continuo del bucle. No elimina los requisitos de radio de curvatura de la tubería ni crea un movimiento de bucle medible donde el diseño no lo proporciona.

El sensor mide la distancia, no la tensión directamente. Su señal utilizable depende de la tubería que se mueve dentro del área de detección. Verifique la zona ciega del sensor, el tamaño del objetivo, el ángulo, el alcance, la velocidad de actualización y la respuesta a un eco perdido. Los objetivos redondos pequeños y el movimiento lateral requieren especial atención. Pruebe la tubería real durante todo el recorrido del circuito esperado.

El ajuste del control debe adaptarse a los cambios desde la primera capa hasta el carrete completo. La compensación de diámetro, el ajuste de ganancia o el filtrado pueden resultar útiles, dependiendo del accionamiento y la mecánica. Una corrección excesiva puede hacer que la tubería se levante; un filtrado excesivo puede hacer que el circuito se quede sin recorrido. Los ajustes apropiados provienen de la respuesta completa de la máquina.

La retroalimentación ultrasónica es una opción junto con un bailarín diseñado adecuadamente, un sensor óptico de distancia o un sistema de tensión de celda de carga adecuado. Elíjalo porque su disposición de medición y control se adapta a la aplicación, en lugar de tratar un diámetro de tubería particular como un requisito automático para un tipo de sensor.

Referencia: Tecnología de sensores ultrasónicos de ifm. Explica la medición de distancias, las zonas ciegas y el rango de detección dependiente del objetivo. Verifique los datos del sensor seleccionado para la instalación real.

7. Trate la detección de corte y el frenado por separado

Cuando un cortador aguas arriba o un operador corta la tubería, la cola restante debe ser manejada mientras el carrete desacelera. El sistema necesita una señal confiable de corte o pérdida de tubería, un comando de parada apropiado y un método verificado para controlar la cola. Un sensor de bucle puede contribuir a la detección, pero un cambio de distancia por sí solo no prueba que se detectarán todos los cortes.

El tiempo de detección, el procesamiento del controlador, la respuesta del variador y el tiempo de parada mecánica son cantidades separadas. Un comando eléctrico rápido no significa que un carrete cargado se detenga al mismo tiempo. Verifique la secuencia completa a la velocidad de línea y carga de bobina máximas especificadas, incluida cualquier falla del variador o falta de señal del sensor.

La energía de rotación es E = ½Jω², mientras que el par de frenado inercial aproximado para una desaceleración constante es M = Jω/t. Para una inercia total del lado del carrete supuesta de 140 kg·m², velocidad angular 0.37 rad/s y tiempo de parada 0.5 s, la energía es de aproximadamente 9.6 J y el par de inercia de aproximadamente 104 N·m. La eliminación promedio de energía durante esa parada es de aproximadamente 19 W, pero la potencia de frenado inercial inicial es de aproximadamente 38 W. Por lo tanto, una potencia media baja no establece un régimen de par adecuado.

Una verdadera selección también incluye la inercia del motor y del reductor referida al mismo eje, las pérdidas, las cargas externas, las paradas repetidas, la corriente de accionamiento y la resistencia y energía de impulso permitidas de la resistencia de freno. Un freno de parada debe estar clasificado para parada dinámica si se utiliza de esa manera. Siga el diseño de parada y protección del fabricante del equipo.

Referencia: Manual del variador ABB ACS550: frenado por resistencia. La selección de frenos considera la potencia máxima, el comportamiento térmico y el servicio de frenado. El ejemplo numérico anterior es un cálculo mecánico simplificado, no una especificación de componente.

8. Compara los cuatro arreglos

La tabla compara los arreglos básicos descritos aquí. Una compensación de diámetro adicional, una transmisión diferente, un freno dedicado o un controlador más sofisticado pueden cambiar su rendimiento. El tipo de sensor por sí solo no determina la capacidad del tamaño de la tubería, la velocidad máxima o la capacidad de parada.

9. Una secuencia de selección práctica

Comience con la tubería y los requisitos de producción. Para un perfil corrugado delicado, revise la corrección suave y continua de la velocidad y la fuerza aplicada por cada guía. Para una tubería de pared sólida más rígida, determine si el diseño proporciona suficiente movimiento para la retroalimentación y si los radios de guía son adecuados. El mismo principio de control puede funcionar de manera muy diferente con diferentes mecánicas.

A continuación, defina la geometría de la bobina vacía a llena y el peso esperado. Estos determinan el rango de velocidad requerido y afectan la aceleración y la parada. Un accionamiento simple puede ser adecuado para una combinación e inadecuado para un carrete más pesado con una velocidad de línea más rápida.

Finalmente, acuerde cómo se demostrará el desempeño. Una prueba de aceptación útil cubre el arranque, el funcionamiento constante, los cambios en la velocidad de la línea, las inversiones transversales, la bobina completa, la secuencia de corte y el reinicio. Inspeccione tanto el paquete enrollado como una muestra después de desenrollarlo.

• Proporcione el material de la tubería, OD y el espesor de la pared o SDR, además de una muestra o un dibujo del perfil.
• Especifique la velocidad normal y máxima de la línea, la bobina ID, OD, el ancho, la longitud requerida y el peso esperado de la bobina completa.
• Identifique quién corta la tubería, cómo el bobinador recibe o detecta ese evento y el comportamiento de parada requerido.
• Pregunte por el sensor real, el mecanismo de retroalimentación, la transmisión, la coordinación transversal y el equipo de frenado en la configuración propuesta.

10. Haga coincidir el control de tensión con la geometría de la bobina

El núcleo de la bobina determina la curvatura de la primera capa. Agregar tracción axial innecesaria o presión excesiva en la capa puede hacer que el manejo sea más exigente, mientras que un control insuficiente puede dejar giros sueltos o cruzados. Un método adecuado de control de tensión complementa el diámetro de bobina aprobado; no puede fabricar un núcleo excesivamente pequeño adecuado para la tubería.

Algunas aplicaciones reducen la tensión objetivo a medida que se acumula la bobina, lo que comúnmente se denomina tensión cónica. La cantidad útil depende de la tubería, la construcción del serpentín y los requisitos de manipulación. No existe un porcentaje universal de capa exterior para todas las tuberías de plástico. Confirme que el paquete permanezca estable sin aplastar las capas internas.

Revise juntos el diámetro del núcleo, el contacto de la guía, la fuerza de devanado, el paso transversal y la respuesta de corte. La mejor disposición es aquella que produce una tubería aceptable y un serpentín manejable en todo el rango operativo, con configuraciones que los operadores pueden repetir.