Controle de tensão da bobina de tubo: quatro métodos explicados

1. Comece com velocidade, torque e raio

O transporte define a velocidade do tubo de entrada, enquanto a bobina gira a uma velocidade que muda conforme as camadas se acumulam. Sua relação geométrica é v = ωR: a velocidade da linha v é igual à velocidade angular ω multiplicada pelo raio de enrolamento R. Duplicar o raio, portanto, reduz pela metade a velocidade de rotação necessária na mesma velocidade da linha.

O torque útil do enrolamento é aproximadamente M = TR, onde T é a tensão do tubo. Esta relação de funcionamento constante exclui aceleração e perdas mecânicas. Na prática, o acionamento também deve superar o atrito e acelerar o conjunto rotativo; durante a desaceleração, ele deve retirar energia daquele conjunto.

Considere um 30 N·m idealizado de torque útil do molinete nos raios de 0.15 m e 0.60 m. A tensão muda de 200 N para 50 N. A uma velocidade de linha de 20 m/min, as velocidades correspondentes da bobina são aproximadamente 21.2 e 5.3 rpm. Estes números ilustram as relações; não são configurações de tensão para um tubo específico.

Isto explica uma distinção importante: manter o torque constante não mantém a tensão constante. Para manter a mesma tensão constante à medida que a bobina cresce, o torque útil deve aumentar com o raio. O torque da placa de identificação do motor não é automaticamente o torque disponível no molinete, porque a relação e a eficiência da caixa de câmbio também são importantes.

2. Por que o tubo muda a escolha do controle

O tubo corrugado de parede única pode mudar de forma antes de quebrar. A tração excessiva pode abrir o passo da corrugação, alterar o perfil ou deixar uma seção distorcida após o desenrolamento. A inspeção deve, portanto, incluir as ondulações e as dimensões acabadas, em vez de depender apenas da sobrevivência do tubo ao enrolamento.

Um tubo HDPE de parede sólida mais rígido responde de maneira diferente. Um vão livre curto pode se mover muito pouco, e um dançarino de contato pequeno pode impor muita força local ou uma curva muito apertada. Vãos mais longos, raios guia maiores e um arranjo de detecção adequado podem melhorar o projeto. O diâmetro do tubo por si só não determina se um dançarino funcionará.

Para uma viga simples reta e simplesmente apoiada, a deflexão é escalonada com F L³ / (48 E I). Isso ajuda a explicar por que o comprimento do vão, o módulo e a rigidez da seção afetam o movimento. Um circuito de tubo curvo com suportes, curvatura residual e mudança de temperatura não se comporta exatamente como esse modelo. Faça um teste com o tubo real para estabelecer o deslocamento utilizável e a força de contato.

As entradas relevantes são material, OD, espessura da parede ou SDR, perfil, temperatura no enrolamento e diâmetro de curvatura permitido. Um cálculo genérico da resistência à tração não pode, por si só, estabelecer uma tensão de enrolamento admissível para tubos corrugados ou de parede sólida.

3. Método um: enrolamento do motor de torque

Uma bobinadeira com motor de torque tradicional usa a característica operacional do motor e uma configuração de torque ajustável para puxar o tubo para a bobina. Dependendo do seu projeto, o motor pode operar em uma ampla faixa de baixa velocidade enquanto o tubo restringe a velocidade real da bobina. Confirme as condições permitidas de funcionamento, resfriamento e travamento a partir dos dados específicos do motor.

No arranjo básico, não há feedback medido da tensão do tubo. Se o torque útil do molinete permanecer aproximadamente constante, o menor raio de enrolamento produzirá a maior tensão constante. Para uma mudança de raio de quatro para um, a tensão inicial é quatro vezes a tensão final no mesmo torque. Essa proporção compara os dois raios; não é quatro vezes cada configuração selecionada pelo operador.

O apelo é uma máquina simples com relativamente pouco hardware de controle. Ele pode ser adequado para aplicações validadas de tubos de parede sólida, onde a alteração da tensão na bobina é aceitável. A preocupação com um perfil corrugado delicado é que o aumento do torque para apertar as camadas externas também aumenta a tração na primeira camada da próxima bobina.

Defina e verifique primeiro a condição inicial e, em seguida, inspecione o pacote completo. Onde a aplicação necessita de controle mais próximo, a compensação de diâmetro e um acionamento adequado podem variar o comando de torque à medida que a bobina cresce. Adicionar feedback ou frenagem altera a capacidade de toda a máquina; o tipo de motor por si só não determina se o molinete pode parar de forma eficaz.

• Verifique o torque útil do molinete após o engrenamento e não apenas a placa de identificação do motor.
• Inspecione as primeiras camadas quanto a alongamento e as camadas externas quanto a folga.
• Confirme a resposta de corte, a distância de parada e o comportamento de reinicialização separadamente.

4. Método dois: controle fotoelétrico start-stop

Dois níveis de comutação monitoram um circuito de tubulação livre entre o transporte e a bobinadeira. Quando o loop fica muito curto, o enrolamento para ou diminui. À medida que o tubo de entrada reabastece o circuito, ele atinge o outro nível e o enrolamento é retomado. O estado exato do sensor depende do posicionamento do feixe e da fiação; o resultado necessário é uma reserva estável de tubo.

O sistema básico usa um comando de operação do inversor em vez de uma posição de loop medida continuamente. Pode fornecer controle econômico para um tubo suficientemente flexível e uma taxa de produção modesta. O circuito livre amortece a diferença de velocidade, mas seu peso, geometria e rigidez ainda influenciam a tensão.

Aceleração e desaceleração repetidas podem perturbar uma bobina pesada. Uma travessia que continua se movendo enquanto o molinete faz uma pausa também pode colocar as próximas curvas incorretamente. Os comandos de movimento transversal e de movimento transversal devem, portanto, ser coordenados, com configurações de aceleração correspondentes ao buffer disponível.

Para um ciclo ideal de dois estados, seja ΔL o comprimento utilizável do tubo armazenado entre os níveis de comutação, v a velocidade de entrada e k a relação entre a velocidade do enrolamento de operação e a velocidade de entrada. Ignorando rampas, o intervalo de parada é ΔL/v e o intervalo de operação é ΔL/((k − 1)v). Com ΔL = 0.30 m, v = 10 m/min e k = 1.2, um ciclo leva 10.8 ssegundos: cerca de ciclos 333 por hora. Em 20 m/min, são cerca de ciclos 667 por hora.

Com uma taxa de sobrevelocidade e comprimento de buffer fixos, a frequência do ciclo aumenta proporcionalmente à velocidade da linha. A distância vertical entre os sensores não é automaticamente igual a ΔL: depende da geometria do loop. As rampas reais e a histerese também alteram o ciclo; portanto, use o cálculo para entender a tendência em vez de prescrever o espaçamento dos sensores.

• Uma reserva de loop utilizável maior pode reduzir a frequência de comutação, se o layout e os limites de curvatura do tubo permitirem.
• Verifique toda a sequência de aceleração e parada tanto com o molinete vazio quanto com o molinete cheio.
• Confirme a detecção estável na superfície real do tubo, na cor e no caminho de movimento.

5. Método três: controle do dançarino do potenciômetro

Um braço móvel ou rolo dançarino segue o laço do tubo. Sua posição gira um potenciômetro, produzindo um sinal elétrico continuamente variável. O inversor utiliza este sinal diretamente, ou através de um controlador, para ajustar a velocidade do enrolamento. A ação de feedback pretendida é simples: se o enrolamento consumir o laço muito rapidamente, reduza a velocidade do molinete; se houver acúmulo de excesso de tubo, aumente-o.

Comparado com o controle start-stop básico, o molinete pode funcionar com correções de velocidade contínuas menores. Isso pode reduzir puxões abruptos e ajudar a manter uma travessia ordenada. É um arranjo útil para mangueiras flexíveis e tubos corrugados de parede simples, desde que o tubo mova o dançarino livremente e as guias não danifiquem o perfil.

O sinal de posição do dançarino não informa diretamente a tensão em newtons. A tensão resulta da carga do braço, do peso do rolo, da geometria do pivô, do atrito e do caminho do tubo. Contrapesos, molas ou carregamento pneumático influenciam essa força. Uma configuração mais leve pode suportar um manuseio suave, mas ainda precisa de autoridade de controle suficiente para evitar folga ou oscilação.

Um potenciômetro de velocidade operado manualmente é diferente de um potenciômetro vinculado a um dançarino. Um botão fornece um comando ao operador; a correção automática requer um mecanismo de feedback móvel real ou outro sensor. Ao revisar uma cotação, pergunte o que move o potenciômetro e como o drive responde.

Durante o comissionamento, verifique a direção de correção em baixa velocidade, estabeleça uma região operacional útil no meio do percurso e defina os limites de deslocamento. Em seguida, verifique se há oscilação, pivôs desgastados, ruído de sinal e resposta atrasada do acionamento. O tubo rígido pode precisar de um layout mecânico diferente ou detecção sem contato, em vez de um braço mais pesado no mesmo dançarino pequeno.

Referência: Siemens Enrolador SIMATIC e controle de tensão. O fabricante descreve o controle da posição do dançarino e a influência da força e da geometria do dançarino. As configurações específicas do tubo ainda exigem verificações do aplicativo.

6. Método quatro: feedback de loop ultrassônico

Um sensor ultrassônico mede a distância até o circuito do tubo sem braço de contato. Um PLC, um controlador dedicado ou um drive adequado compara a posição medida com um alvo e corrige a velocidade do molinete através do inversor. Uma referência de velocidade de linha e uma estimativa de raio podem fornecer o comando básico de velocidade, deixando o controlador de loop corrigir a incompatibilidade restante.

A principal vantagem é a remoção da força de contato e do mecanismo mecânico de deslocamento de um dançarino. Isto pode ajudar quando um tubo rígido é difícil de guiar através de um arranjo de contato pequeno ou onde o monitoramento de circuito contínuo é útil. Ele não elimina os requisitos de raio de curvatura do tubo nem cria um movimento de loop mensurável onde o layout não fornece nenhum.

O sensor mede a distância, não a tensão diretamente. Seu sinal utilizável depende do movimento do tubo dentro da área de detecção. Verifique a zona cega do sensor, tamanho do alvo, ângulo, alcance, taxa de atualização e resposta a um eco perdido. Pequenos alvos redondos e movimentos laterais requerem atenção especial. Teste o tubo real durante todo o percurso esperado do loop.

O ajuste de controle deve acomodar as alterações desde a primeira camada até a bobina completa. Compensação de diâmetro, ajuste de ganho ou filtragem podem ser úteis, dependendo do drive e da mecânica. A correção excessiva pode fazer o tubo oscilar; filtragem excessiva pode fazer com que o loop fique sem deslocamento. As configurações apropriadas vêm da resposta completa da máquina.

O feedback ultrassônico é uma opção junto com um dançarino adequadamente projetado, sensor óptico de distância ou um sistema de tensão de célula de carga adequado. Escolha-o porque seu arranjo de medição e controle é adequado à aplicação, em vez de tratar um diâmetro de tubo específico como um requisito automático para um tipo de sensor.

Referência: tecnologia de sensores ultrassônicos ifm. Explica a medição de distância, zonas cegas e alcance de detecção dependente do alvo. Verifique os dados do sensor selecionado para a instalação real.

7. Trate a detecção de corte e a frenagem separadamente

Quando um cortador a montante ou um operador corta o tubo, a cauda restante deve ser gerenciada enquanto a bobina desacelera. O sistema precisa de um sinal confiável de corte ou perda de tubulação, um comando de parada apropriado e um método verificado de controle da cauda. Um sensor de loop pode contribuir para a detecção, mas a mudança na distância por si só não prova que todos os cortes serão detectados.

O tempo de detecção, o processamento do controlador, a resposta do inversor e o tempo de parada mecânica são quantidades separadas. Um comando elétrico rápido não significa que uma bobina carregada pare ao mesmo tempo. Verifique a sequência completa na velocidade de linha máxima especificada e na carga da bobina, incluindo qualquer falha do inversor ou falta de sinal do sensor.

A energia rotativa é E = ½Jω², enquanto o torque de frenagem inercial aproximado para desaceleração constante é M = Jω/t. Para uma inércia total do lado da bobina assumida de 140 kg·m², velocidade angular 0.37 rad/s e tempo de parada 0.5 s, a energia é de cerca de 9.6 J e o torque inercial de cerca de 104 N·m. A remoção média de energia nessa parada é de cerca de 19 W, mas a potência de frenagem inercial inicial é de cerca de 38 W. A potência média baixa, portanto, não estabelece uma classificação de torque adequada.

Uma seleção real também inclui a inércia do motor e da caixa de engrenagens referente ao mesmo eixo, perdas, cargas externas, serviço de parada repetida, corrente de acionamento e resistência permitida e energia de pulso do resistor de freio. Um freio de retenção deve ser classificado para parada dinâmica se for usado dessa forma. Siga o projeto de parada e proteção do fabricante do equipamento.

Referência: Manual do inversor ABB ACS550 - frenagem por resistor. A seleção do freio considera a potência de pico, o comportamento térmico e a função de frenagem. O exemplo numérico acima é um cálculo mecânico simplificado, não uma especificação de componente.

8. Compare os quatro arranjos

A tabela compara os arranjos básicos descritos aqui. Compensação adicional de diâmetro, um acionamento diferente, um freio dedicado ou um controlador mais sofisticado podem alterar seu desempenho. O tipo de sensor por si só não determina a capacidade do tamanho do tubo, a velocidade máxima ou a capacidade de parada.

9. Uma sequência de seleção prática

Comece com o tubo e os requisitos de produção. Para obter um perfil ondulado delicado, revise a correção suave e contínua da velocidade e a força aplicada por cada guia. Para um tubo de parede sólida mais rígido, estabeleça se o layout fornece movimento suficiente para feedback e se os raios guia são adequados. O mesmo princípio de controle pode funcionar de maneira muito diferente com mecânicas diferentes.

A seguir, defina a geometria da bobina vazia a cheia e o peso esperado. Eles determinam a faixa de velocidade necessária e afetam a aceleração e a parada. Um acionamento simples pode ser adequado para uma combinação e inadequado para um molinete mais pesado com velocidade de linha mais rápida.

Finalmente, chegue a um acordo sobre como o desempenho será demonstrado. Um teste de aceitação útil abrange partida, funcionamento constante, mudanças na velocidade da linha, inversões de deslocamento, bobina completa, sequência de corte e reinício. Inspecione a embalagem enrolada e uma amostra após desenrolar.

• Forneça o material do tubo, OD e espessura da parede ou SDR, além de uma amostra ou desenho de perfil.
• Especifique a velocidade normal e máxima da linha, bobina ID, OD, largura, comprimento necessário e peso total esperado da bobina.
• Identifique quem corta o tubo, como a bobinadeira recebe ou detecta esse evento e o comportamento de parada necessário.
• Solicite o sensor real, mecanismo de feedback, acionamento, coordenação transversal e equipamento de frenagem na configuração proposta.

10. Combine o controle de tensão com a geometria da bobina

O núcleo da bobina determina a curvatura da primeira camada. Adicionar tração axial desnecessária ou pressão excessiva na camada pode tornar o manuseio mais exigente, enquanto o controle insuficiente pode deixar curvas soltas ou cruzadas. Um método adequado de controle de tensão complementa um diâmetro de bobina aprovado; não pode tornar um núcleo excessivamente pequeno adequado para o tubo.

Algumas aplicações reduzem o alvo de tensão à medida que a bobina aumenta, comumente chamada de tensão cônica. A quantidade útil depende do tubo, da construção da bobina e dos requisitos de manuseio. Não existe uma porcentagem universal de camada externa para todos os tubos de plástico. Confirme se a embalagem permanece estável sem esmagar as camadas internas.

Revise o diâmetro do núcleo, o contato da guia, a tração do enrolamento, o passo transversal e a resposta de corte em conjunto. O melhor arranjo é aquele que produz um tubo aceitável e uma serpentina gerenciável em toda a faixa operacional, com configurações que os operadores podem repetir.