直流可逆轧机（共7篇）
直流可逆轧机 篇1
1 概述
冷轧机是轧钢行业中的核心设备[1],可逆扎钢机主要用于各种薄钢板(带)的冷压扎制,通过一对压辊,把各种厚度不同的钢板(带)压制到所需的规格。可逆,顾名思义即钢板(带)可以双向通过压辊,经过多次的压制,不用换卷,一次使钢板(带)压制成型。与单向压机相比,大大提高了工作效率,降低了劳动强度,提高了自动化程度。正因为如此,可逆压机对控制系统也提出了比较高的技术要求[1]。
2 控制要求
可逆冷轧机的两边都有卷轴,一边为收卷,另一边为放卷,当扎制方向改变时,转换收放卷的运行方向,收卷改成放卷,放卷改成收卷,因收放卷过程中卷径会发生变化,所以收放卷一般都用力矩控制方式。其次,根据扎制要求,为了使压制后的钢板(带)保持平直,收放卷都需要保持一定的张力,使钢板在进出扎辊时都保持平直。一般根据实际的张力大小,需要实时调整张力,使钢板(带)既保持一定的张力,又不致被拉断。第三,为了调整钢板(带)的厚度,在开始阶段,系统的工作速度通常会很慢,但这时候压制力不会因为速度慢而减少,反而会因为速度慢而增加静态摩擦力,所以,低速时候所需要的力矩会比高速时更大。这给传动和控制提出了很高的要求,特别是传动系统的低速力矩要足够大,保证低速时运行的平稳,张力的稳定。当然,控制系统还应有钢板(带)厚度测量装置以及调整厚度系统,直观的显示并能方便地调整进出压辊的钢板厚度,如图1所示。
可逆冷轧机的传动大多数是传统型直流传动系统,由直流传动系统的特性可知,在额定转速以下,直流系统是恒力矩输出,通过双闭环控制,可以很好的保证低速输出力矩。但是,直流电机的结构,决定了直流电机的维护工作量比较大,检修难度大。所以,在最新的控制系统中,已开始逐步使用直流调速器[2];通过直流调速器及PLC作一些辅助控制和运算[1],实现恒张力的工作要求。下面介绍本单位四棍可逆轧机中应用欧陆590+系列直流调速器的最基本的控制方法。
3 系统概述
从电机学知道直流电动机的转速为[3]:
n———电机转速;———磁通量;CE———电势常数;CM———力矩系数;Mde———电磁力矩;RS———电枢内阻。
均匀地、连续不断的改变施加在电动机两端的供电电压可以改变直流电动机的转速[3]。在这套系统中通过内部或外部电位器给定0~10V的电压信号到PLC中,再由PLC进行数据处理后给定到直流调速装置来调节电机的输出转速,系统具体控制原理图如图2所示,虚线部分为直流调速器系统。为了保证系统有较高的动态性,采用了双闭环的结构通过测速发电机反馈电机实际转速信号-Un和给定的电压信号Un共同给定速度调节器,经速度调节器PI整定后输出Ui和电流的反馈信号—Ui共同给定电流调节器,经Pi整定后在输入给控制晶闸管整流器的触发装置来控制加在电机两端的电压。这种控制方式使转速n跟随给定电压Un变化,对负载起抗干扰的作用,而且对电网电压波动起及时抗干扰的作用,还保证获得允许的最大电流[5];在转速调节过程中,还使电流跟随其给定电压Un变化,并且当电机过载甚至堵转时,限制电枢电流的最大值,从而起到快速的安全保护作用[4]。
4 功能实现
(1)电机的选用
主机选用Z4-315-32 355kW直流电机,左右卷取选用Z4-315-32 200kW直流电机,电机如何选用为合适这里就不详细说了,这里主要介绍的是电气控制部分。
(2)直流调速器的选用
在冷轧机的系统中,控制要求要有相当好的精确度,系统的稳定性当然是越稳定越好,所以正确的选择好直流调速器是很关键的,这里选用欧陆590C。
欧陆590C的性能如下[1]。
1)友好的用户界面。控制面板人机界面用于参数设置,编程和传动控制。液晶显示器32个字符,带背景光,可以按字母顺序菜单显示,不需要记忆的多种言语显示菜单以便快速查阅所有功能模块。
2)快速设置。简单应用时可以略过高级功能模块设置。
3)电流自整定。满转矩自定义调整,无需转换电机负载。
4)自定义参数显示。可显示自定义的特定应用的参数组。
5)自定义编程。各功能模块可以按应用要求任意连接。
6)联网方便。通讯接口模块可以直接安插在传动装置上,支持Profibus通讯,使用户能够通过各种标准现场总线网监控传动系统。
7)功能强大、完善。使用内置的软件功能模块几乎可以无限制地满足任何传动要求。所有的功能模块都可以内部连接用来实现某种特定的功能。
(3)其它用选型
电扩器选用SLK系列三相电扩器,主机用8.8V-800A,左右卷取用8.8V-600A。反馈用通用的110V2000r/min的模拟直流测速电机。
(4)分析控制方案
轧机的工作过程:通常由主机牵引带从工件中穿过,通过下压电机或液压系统对棍第产生巨大压力,从而使带钢产生变形,在左右收卷产生的足够延伸应力作用下,使出口的带钢变薄。
轧机的速度稳定性要求较高,由主机来带动左右卷取的运行,主机运行在精确的速度控制方式下,左右卷取则工作在恒转矩下。
主机的速度控制主要做到精确的速度闭环控制就可以,本例中用110V 2000r/min的测速电机基本上能达到要求的控制精度。左右卷取主要要求的是稳定的张力控制,张力的控制本例不使用张力仪,用间接运算。张力的控制实质就是电机的转矩控制,即电流控制。在间接的张力控制中,为保证张力控制的准确性,要充分考虑卷取机的在加减速过程中转动惯量以及机械本身固有的摩擦力对转矩的影响。所以,要有加减速和摩擦转矩补偿环节,590在这方面的性能相当好。要达到精确的张力控制,就要有两个重要的变量:线速度及卷径。在590功能块中有一个完善的卷径运算器及张力动态补偿运算器[2]。
(5)主机控制原理图
如图3所示,主机使用了按钮两地控制加减速,使用测速电机人为反馈源,有电机过热保护功能,有机械润润滑保护功能,有断带系统急停功能,有590故障指示。
B8作为系统急停,B9为机械润滑油保护。
A7为主机速度反馈输出,在本例中,卷取机的线速度给定由主机的速度反馈代替,线速度一般是由安装在导向棍上测速仪获得,一般情况下张力控制要求的精度不高可以直接使用主机速度反馈来代替;C3为590合闸,也为主电源吸合。
C4、C5为加减速度。正转时,C4为正转加速,C5为正转减速;反转时,C5为反转加速,C4为反转减速;C6为正转,C7为反转。
C8为输入复位,在每一次的正反转转换中,以安全起见都要对输入复位为零,在系统进行急停操作时,也要对输入复位为零。
(6)速度设定值(或说成主速度设定值)指的是在电机在闭环控制电路中,对电机的转速作一个指定输入值,使电机转速运转在某一指定值。辅助速度设定值指的是对速度设定值进行修整的值,它与速度设定叠加起来(负号或正或负)成为总的速度设定值。在590的五个模拟输入中,模拟输入2(A3)是不可组态的,其它四个模拟输入是可以组态成各种不同的功能,说明书所介绍的是系统默认的功能,比如可以把模拟输入1(A2)组态成斜坡速度设定值,或将模拟输入3(A4)组态成速度设定值,又或将模拟输入1(A2)组态成张力设定值等功能。
模拟输入2(A3)的功用是辅助速度设定值或电流,指的是同一输入端的输入值通过系统的不同设置可作为速度设定值输入,又可作为电流设定值输入,系统默认是通过C8数字输入端来转换其功能,也可以通过内部组态来改变为其它的数字输入口,比如C6、C7等。
5 系统调试
完整的机电系统调试方案,包括组织机构图及岗位职责,调试纪律,交接班制度,通风空调系统,空调水系统,给排水系统,热水系统,电气照明及动力系统调试过程。这里只叙述直流调速器基本的、常规的调试过程。
(1)励磁调试:合上控制电源,先把系统励磁的控制方式定在电压控制上(默认是电压控制),把电压比率从较小开始,一般可以从20%开始;在确认励磁线与电枢线接正确,控制端子线接线正确,速度给定电位器降为零后,合闸启动590,这时励磁电压会以380V×20%=76V的电压加到电机励磁线圈上,此时,把电压比率慢慢的加大,一直加到电机的励磁额定电压的90%,例如,额定励磁电压为180V就加到40%左右,从万能表上可以看到电压很平稳的慢慢加大380V×40%=152V,电压显示很平稳不会中跳动,表明一切正常。正常之后,分闸停止590,把是电压比率调为额定励磁电压对应的比率,把励磁控制方式改为电流控制,把电流调为励磁的额定电流。再次合闸启动590,能看到励磁电流慢慢的加到额定电流,从诊断中,励磁电流给定与励磁电流反馈相差不到0.1%,励磁触发角在1~2角度内变动,表明励磁电流控制正常。完成励磁调试,分闸停止590。保存参数。
(2)电枢调试:上590控制电源,先把励磁调置为禁止,把590的输出电流调为电机电枢额定电流的30%,把电流极限参数设置为20%,电流限幅设置为0%,速度环的反馈方式选为电压反馈;在确认励磁线与电枢线接正确,控制端子线接线正确,速度给定电位器降为零后,合闸启动590。此时,先从诊断中看速度反馈是否有数值,正常数值应为0%,如有一不停变化的值在里面,表明反馈有零飘,这种原因多数是地线没有接好,检查地接是否接好,对地电阻是否达到要求(不大于8Ω);然后,再加10%的速度给定,但电机不会转动,因为没有给出励磁,电流限幅为0,从诊断中应看到有100%的电流给定,电流反馈为0,这时表明590启动正常;此时,再回到电流环里的电流限幅里,从0%慢慢的加上来,一直加到20%,对应电流极限中的20%,这时从电流表中能看到电流慢慢的加大,从电抗器传出电流流过的声音,在诊断中对比电流给定与电流反馈,相差不能超过5%(在没有做电流自整定之前这个值会大点)。一切正常之后,分闸停止590,把电流极限改为100%~150%之间,电流限幅设置为100%,励磁设置为启动,把590的输出电流设置为电机电枢额定电流。保存参数。
(3)电流环自动调谐:电流环自整定很简单,在确认励磁线与电枢线接正确,控制端子线接线正确,速度给定电位器降为零,590输出电流设置为电机电枢的额定电流后,上590的控制电源,在电流环中把自动调谐设置为ON,合闸启动590,开始进行自动调谐,一般会在10~30秒内完成自动调谐,没有出现报警,自动调谐参数自动恢复为OFF,表明自动调谐成功。然后保存参数就可了。
(4)方向的确认:完成上面3步之后,在确认励磁线与电枢线接正确,控制端子线接线正确,速度给定电位器降为零后,把速度反馈选为电压反馈,合闸启动590,加速度给定+10%,检查方向是否与工作方向一致,如果是反方向把励磁线反过来接,确认与工作方向一致之后,在诊断中,检查模拟测速电机数值(测速编码器数值)是否与速度反馈是同极性,如果不是同极性,用的是模拟测速电机反馈把两条接线反过来就可以了,用的是测速编码器在参数中把编码器符号改过来,改完之后,把速度反馈选为所需要的方式就可以了。然后保存参数。
6 故障解决
该调速器具有丰富的报警点可以随时监控电机的运行情况,可以减小电机及调速器受到大的伤害,调速器曾经出现过的和可能出现的原因如下:
(1)三相故障:检查调速器内高速晶闸管组件保护熔断器;检查调速器下面电源底盘编码熔断器;检查调速器的主电压。
(2)超速:速度反馈信号超过校准值的125%。
(3)励磁过流:电机的励磁电流超过校准值的120%。
(4)散热器过流跳闸:调速器的散热温度太高。检查风机是否正常,如不正常检查电源板上的熔断器和旋转方向;检查通风槽、过热器是否堵塞;检查电枢电流是否合乎调节器的校准值。
(5)速度反馈和电机电枢电压反馈之间的差值大于“速度反馈报警”电平的参数值。检查模拟测速发电机极性是否正常;测速发电机是否正常工作;测速发电机到调速器间的信号电缆是否完好。
(6)编码器故障:无速度反馈。检查参数是否设置到编码器反馈;检查参数发电机到调速器间的信号电缆是否完好。
7 结束语
直流调节控制器有许多优点,在许多行业都有直流调速控制系统的应用。而欧陆590+系列直流调速器,它过载能力强,保护性能完善,运行速度稳定,精度高,特别是用在扎制行业是非常理想的选择。
参考文献
[1]欧陆590调速器[M].电子科学出版社,1998.
[2]欧陆公司.590+全数字直流调速器中文操作手册[Z].2002.
[3]沈银宾.电机拖动基础[M].北京:冶金工业出版社,1993.
[4]陈伯时.电力拖动控制系统[M].北京:机械工业出版社,1991.
[5]黄俊,王兆安.电力电子变流技术[M].北京:机械工业出版社,1999.
可逆轧机底板、牌坊安装技术 篇2
冷轧是生产薄板的精品基地, 可逆轧机是冷轧机的一种, 该轧机投资少、见效快, 逐渐成为我国投建冷轧厂的优选。该轧机设备件数多、精度要求高、布局集中, 其安装质量要求特别高。
该轧机的主要部件为底板、牌坊, 该文针对底板和牌坊的水平度、标高、中心线、垂直度等技术指标进行控制、调整, 从基准点设置、垫板布置及安装、底板和牌坊安装调整等方面进行论述。
2 可逆轧机安装程序
施工准备→基础验收→基准点设置→垫板设置与安装→底板安装→牌坊安装→测速辊等附件安装→机上配管安装→主传动安装→轧辊系统安装→万向轴安装→试车
3 基础验收
底板安装前对土建施工完交工的基础, 要按照图纸及施工验收规范进行基础中心线、标高、几何尺寸的验收。底板基础的尺寸极限偏差和水平度、铅垂度公差应符合施工验收规范的规定。
预留螺栓孔验收时要检查预留孔中心位置、孔不垂直度和孔的深度, 对活动式地脚螺栓的予埋套筒及带槽锚板的基础, 除检查套筒中心位置、不垂直度以外, 还应检查锚板方向和几何尺寸 (也可以采用地脚螺栓模拟检查的方法进行检查) 。
4 基准点设置
可逆轧机的基准点主要包括:标高点、轧制中心线、轧机机列中心线以及辅助中心线。
根据设计、安装和将来对设备进行检修的需要并结合设备布置图, 绘制永久中心标板和永久基准点布置图, 在图中标明永久中心标板和永久基准点的编号、设置位置, 埋设永久性中心标板和永久基准点, 以供底板安装调整使用。在底板未安装之前, 可以根据安装需要以永久基准线和基准点为准, 增设辅助中心标板。
5 垫板设置及安装
5.1 可逆轧机底板的垫板按照垫板布置图进行设置。
5.2 垫板安装采用灌浆方法进行施工。
灌浆材料选用GGM高强无收缩灌浆料及洁净水。将灌浆材料倒入干净桶内加水均匀搅拌, 搅拌好的在15分钟内用完。灌浆法垫板施工方法要求:
5.2.1 在设置垫铁的混凝土基础部位凿出浆坑;浆坑的长度和宽度应比垫铁的长度和宽度大60~80mm;浆坑凿入基础表面的深度不应小于30mm。
5.2.2 在每个灌浆坑内栽入三个φ12~φ16的调整螺柱 (该调整螺柱的底部要与基础钢筋焊在一起) , 然后将平垫板放在调整螺母上, 并用调整螺母调整平垫板, 同时用测量仪配合测量平垫板上平面的标高, 并且用水平仪检查上平面的水平度, 达到安装精度, 然后放好灌浆模子。
5.2.3 将灌浆料按产品说明书搅拌均匀。灌浆前用压缩空气吹掉坑内的杂物, 并用水充分侵润混凝土坑, 约30分钟后除尽坑内积水及杂物。灌浆料应尽可能从一侧浇入, 以利排出底板与混凝土之间空气, 使灌浆充实;灌浆开始后, 必须连续浇注, 不能间断, 尽可能缩短灌浆时间;浇注的同时用竹片、铁片等工具进行适当插捣和引流, 以免产生离析;为减少表面裂纹, 灌浆层边缘尺寸宜控制在100mm内;灌浆厚度宜控制在100mm内。
5.2.4 必须在初凝后即对暴露在空气中的灌浆层表面进行收浆 (压光) , 之后须进行养护。
5.2.5 收浆 (压光) 后应立即喷洒养护剂, 加盖湿润的草袋或布头。终凝后对灌浆层进行浇水养护, 养护温度宜>5℃, 养护期>7天。
5.3 垫板标高确定前要量好底板的实际尺寸, 斜垫板按3/4H重叠厚度计算 (H为垫板厚度) 。
5.4 底板找正、找平后, 每一垫板应符合相关要求:
6 可逆轧机底板安装及调整。
垫板施工完后, 将轧机底板进行安装, 底板分为入口侧和出口侧, 安装时应以出口侧为基准。
为了保证底板在基础上准确就位, 底板吊装就位后应根据已设置的中心标板, 挂设基准线。基准线的挂设应根据设备安装精度要求和挂设跨距选用直径为0.3~0.75mm的整根钢琴线, 其拉紧力一般为钢线破断拉力的40%~80%, 水平或倾斜挂设的跨距不宜超过40m。
基准线应挂设在便于调整的线架上, 用线锤对正中心点, 当对正中心后用调整螺母锁定钢琴线。使其钢线在使用时不发生位移。但使用期间应定期进行复检。
利用千斤顶、斜垫板等驱动底板, 进行中心线、标高、水平度、垂直度、平行度的调整。底板中心线找正, 利用螺旋千斤顶驱动底板, 使底板基准中心点对准基准钢线下垂的线坠。
底板标高找正, 利用千斤顶和斜垫板调整, 采用精密水准仪对标高基准点和底板上表面的读数来测量, 如图5所示, 调整底板下表面所设置斜垫板组, 来保证底板上表面标高。
底板标高H=A+a-b
(注:H轧机上表面标高A基准点标高a基准点上铟钢尺读数b轧机底板上铟钢尺读数)
底板上表面水平度找正, 利用千斤顶和斜垫板调整底板, 用框式水平仪 (精度:0.02mm/m) 在其上直接进行读数, 其次将平尺横担于两底板之上再测水平度。
底板立面与轧制线的垂直度采用打摆法进行测量, 用此方法, 可以保证与轧制中心线的垂直度。两底板间平行度和距离的调整是利用内径千分尺来检测。两底板全部找正完成后, 将固定螺栓进行紧固, 之后再进行牌坊的安装。
7 轧机牌坊的安装及调整
利用厂房内天车将牌坊进行吊装就位。为保证牌坊顺利就位, 就位前首先将入口侧底板固定螺栓松开, 然后用千斤顶使其外移2~3mm, 底板在外移过程中用6块百分表分别支于底板外侧面 (两端各1块) 、两端面 (1端1块) 、上表面 (两端各1块) , 跟踪各百分表读数, 使底板平行外移且标高不变, 待牌坊就位后再将入口侧底板恢复初始找正后位置。
牌坊的吊装程序:卸车→翻转、调整→吊起、立直→水平运输→回落就位
利用千斤顶等方式驱动牌坊, 进行中心线、垂直度、平行度、接触面的调整。
牌坊中心线调整, 架设线架并挂钢琴线, 用线坠对准基准中心点, 用内径千分尺并配合耳机测量牌坊立表面与钢琴线之间的距离, 以确定牌坊的位置。
牌坊窗口、立面铅垂度调整, 可以利用垂钢琴线, 再用内径千分尺并配合耳机测量, 也可以用框式水平仪 (精度:0.02mm/m) 在立表面直接测量。
牌坊立面与轧制中心线间垂直度的调整, 采用打摆法进行测量, 如图6所示, 用千斤顶将钢平尺水平固定于两牌坊立面, 再将打摆工具用螺栓固定于钢平尺上, 利用打摆工具来测量垂直度。
两牌坊平行度及两牌坊间距离, 可以利用内径千分尺直接进行测量。
牌坊与底板间的接触面利用塞尺进行测量。
牌坊和底板全部找正完成后, 将固定螺栓用液压拉伸器按照按照指导书中规定的紧固力进行紧固, 之后再进行横梁等附件的安装。
8 小结
天津轧一已投产的两台可逆冷轧机组, 都是采用该种安装技术, 均获得了成功, 缩短了工期, 并得到了甲方和外方专家的一致认可。通过这两台可逆轧机的安装, 证明该可逆轧机底板、牌坊安装技术的先进性、简单性、可行性。
摘要：本文结合天津轧一冷轧薄板工程可逆式冷轧机组的安装, 阐述了可逆轧机底板、牌坊的安装技术。采用了灌浆法施工垫板, 底板和牌坊采用斜垫板、千斤顶调整, 钢线、打摆工具、千分尺配合测量, 进行可逆轧机底板、牌坊的找正。
关键词：基准,垫板,底板,牌坊,千斤顶,钢线,千分尺,测量,打摆,调整
参考文献
[1]《机械设备安装工程施工及验收通用规范》, GB50231-2009.
可逆冷带轧机厚度控制系统改造 篇3
关键词：可逆冷轧机,厚度控制,AGC,伺服阀
上世纪70年代单机架四辊可逆冷带轧机 (以下简称“可逆冷轧机”) 的压下普遍采用电动机带动蜗轮蜗杆丝杠传动来实现自动压下;采用模拟电路实现厚度自动控制。存在控制精度低、产品表面质量差、成材率低、可靠性差、效率低等问题。为此, 提出可逆冷带轧机厚度控制系统改造方案, 以满足市场对窄带钢的质量要求。
一、改造方案
首先, 改原来的电动压下为液压压下。拆除原轧机压下电动机、蜗轮、蜗杆、丝杠, 在机架内安装液压缸, 配备电液伺服阀、液压站。其次, 用上位计算机、PLC、现场数字检测器、执行器等装置组成集散式计算机厚度控制系统代替原有的模拟厚度控制系统。最后, 利用数字系统的优势, 采用多种先进的厚度控制方式实现高精度、全液压厚度自动控制。
二、全数字液压AGC控制系统的组成及功能
可逆冷轧机液压压下厚度控制系统是全数字控制系统, 系统采用了两级式计算机控制结构, 如图1所示, 上、下位机之间通过基于TCP/IP协议的以太网进行通信。
1.上位计算机系统
上位计算机系统主要承担最优轧制规程的计算和系统的人机联系。轧制规程的计算是上位机系统中最重要的内容之一, 系统将根据来料的厚度、宽度、钢种、成品的目标厚度等数据, 计算可逆轧机的轧制道次及各道次出口厚度目标值、相应的轧制力初始值及缸位置初始值等参数, 并由基于TCP/IP协议的以太网自动送给下位计算机。上位机从下位机读取轧机当前的工作状况等参数, 例如:轧制压力、油缸位置、速度、所轧带钢入口和出口厚度等数据。作为人机接口, 上位机实时显示生产过程状态和控制信息, 根据现场实测值对设定模型进行适当修正、完成生产记录及质量报表的打印等。
2.下位计算机系统
下位计算机系统是厚控系统的核心部分, 其系统的组成主要包括:S7-400主机, 内装高精度的模拟量输入输出模块、高速计数器模块、数字量及脉冲量输入输出模块、开关量输入输出模块等硬件。位置信号的检测采用高精度Sony磁尺, 厚度信号的检测采用镅同位素射线测厚仪, 速度信号的检测采用高精度光电编码器。在控制柜里装有插有现场信号调理板、功率放大板等模拟电路板的机笼。操作台上有工作方式选择键、道次选择键、预控加或不加选择键、压下增、减等按钮开关供操作工操作。下位计算机的主要功能和任务如下。
(1) 与上位机通信。下位机根据上位机命令, 通过基于TCP/IP协议的以太网, 网络电缆远距离采用光缆, 近距离采用双绞线, 使用交换机技术, 通信频率为10/100Mb/s。S7-400采用以太网通信模板CP 443-1, 接收上位机送来的轧制规程表。
(2) 在轧制过程中对轧机进行实时在线控制, 即时采集、发送各种模拟量信号、数字量信号及脉冲量信号 (包括轧机两侧轧制压力、入口和出口厚度、两侧缸位移、入口和出口速度等) 。
(3) 根据操作台上的操作命令, 完成轧机的预压靠、辊缝摆零。
(4) 进行厚度闭环监控、厚度预控和压下位置或压力闭环控制, 并通过伺服阀控制液压缸驱动轧辊实现对带钢厚度的实时控制。
(5) 定时向上位机、操作台及机旁操作箱发送轧机当前的状态或数据信号。
三、全数字液压AGC控制策略
图2为液压AGC系统的功能框图。由于采用了全数字计算机控制, 可以方便地使用目前成熟先进的AGC控制策略。这些控制算法均由下位计算机软件编程实现。
V1—入口侧速度;V2—出口侧速度;H1—入口侧厚度;H2—出口侧厚度;S—侧量辊缝;P—测量压力
厚度自动控制最基本的原理是基于轧制时的弹塑性曲线。轧制时带钢的实际轧出厚度h、实际辊缝S和实际轧制力p之间的关系如弹跳方程所示。
式中:p0—预压靠轧制力;
K—轧机刚度系数。
为消除各种原因造成的厚度偏差, 根据轧制时的弹塑性曲线, 可采用压力AGC、监控AGC、预控AGC、流量AGC、张力AGC等各种不同的厚度控制策略。
AGC系统的主要功能有:压力AGC、监控AGC、预控AGC、流量AGC、张力AGC、轧制规范管理等。这几种AGC是组合在一起使用的, 保持各自的控制效果, 但监控AGC与张力AGC不能共用, 只能选择其一工作。一般是选用监控AGC, 只有在轧制极薄带材时才选用张力AGC。
四、应用效果
直流可逆轧机 篇4
关键词：PLC,程序设计,梯形图
0 引言
系统选用一块CPU315-2DP模块作为处理器, 完成整个机组的信息采集与逻辑控制。S7-300 PLC通过Profibus-Dp总线与调速系统 (6RA70) 以及远程I/O设备 (ET200M) 连接形成分布式控制结构, 使得整个系统配置简单、可靠、实用, 便于调试和维护。自动化系统由三部分组成, 分别为PLC控制、机架控制、HMI。重点介绍PLC控制, 其主要完成的功能有设备机组的逻辑控制、张力控制、机组速度主令控制等。程序通过STEP7编程软件以梯形图形式编写。
1 冷轧机组PLC程序设计
控制系统软件是Siemens公司的STEP7, 通过它可以对PLC系统的硬件和网络进行组态, 编辑、上传、下载用户程序, 在线监测、调试、修改程序, 并可对程序运行调试过程中出现的警告信息和故障进行在线诊断。控制系统为分布式控制系统, PLC作为主站, 调速系统与远程I/O为从站, 信息通过PROFIBUS-DP网传输。
1.1 PLC硬件组态
硬件组态通过STEP7的子模块完成, 主要步骤:
(1) 组态PLC机架。从硬件目录中选取和实际硬件相符合的CPU以及数字量与模拟量模块放入主机架相应的槽位中, 设置CPU的相应属性, 如循环扫描监视时间、启动特性、定时中断时间等, 设置各信号模块 (AI, AO, DI, DO) 以及通信模块的I/O通道基地址。
(2) 组态Profibus-DP网络。设置现场总线的网络类别为DP以及总线的传输速率1.5Mbps, 将各DP从站 (调速器分布式I/O) 挂接到总线上, 为每个从站分配唯一的站地址, 确定每个DP从站的PPO类型以及I/O通道所占用的字节数以及基地址。
(3) 编译并下载硬件组态。当所有硬件组态完毕, 编译检查无误下载到PLC的CPU模块中后, 硬件组态完成。
1.2 总体程序结构
PLC主流程主要包括机组部分和压下部分。机组部分所涉及的范围较广, 要同时考虑液压泵、润滑泵等。在机组单动的时候, 主传动电机与辊道电机相互独立, 均由PLC控制。在机组连动时, 正常启动其他外部设备后, PLC向主电机控制单元发送运行信号, 接收到该信号后, 主控单元开始检测内部装置, 在检测完电枢、内部风机、水泵等各状态正常后向PLC发出主电机正常信号, PLC接收到主电机发出的正常信号, 同时检测到辊道、液压泵、润滑泵等设备正常后便向主传动电机、辊道电机发出允许运行信号。压下部分主要指压下电机调整压下辊的辊缝, 辊缝的大小直接影响加工的精度, 它与机组部分相互独立。
2 PLC控制方法
板带材轧制的主要环节集中在左卷取机、主轧机、右卷取机, 轧制过程控制颇为复杂, 包括机组速度主令控制、张力控制、液压辊缝控制、串辊和弯辊控制等。
2.1 轧机速度控制
速度设定是在上位机进行, 通过以太网传递给PLC, PLC再分别传送到各个传动系统。速度设定是以主机架为线速度基准, 通过设定工作辊的直径与减速箱的减速比, 分别给出上下辊的转速给定值。根据控制功能, 速度设定有正反向点动设定, 用于故障处理;穿带速度设定, 用于生产前轧机穿带;重卷速度设定, 用于轧制后分卷;轧线速度设定, 用于正常轧制情况。
2.2 轧机张力控制
在生产过程中, 如果带钢张力不稳定, 将影响带钢厚度控制的精度, 同时还容易造成断带、折叠、跑偏等故障。系统采用间接张力控制, 通过对卷取机电流的检测来间接计算带钢张力。PLC根据设定的张力值和机械设备的参数换算为电动机转矩值, 并将此转矩设定值下达给全数字直流调速装置, 由传动装置自动完成电动机转矩的循环控制。
3 程序设计
(1) 主轧机线速度求取, 其梯形图程序如图1所示, 用来计算主轧机的线速度。
(2) 左卷取机速度求取, 其梯形图如图2所示。根据轧制过程中主轧机与卷取机线速度相等的原理, 可求出左卷取机的速度;右卷取机的转速求取与之类似。
(3) 主轧机的速度给定。主轧机的速度给定是根据轧制表确定的, 预设定的速度通过上位机传给PLC, 再由PLC通过总线传递给调速装置。此处调用了西门子库中的模拟量输出转换功能块FC106, 进行主机速度的给定。
(4) 左卷取机速度给定。在机组联动情况下, 卷取机的速度以主轧机的速度为基准进行调整。在板带材的轧制过程中, 在左卷取机和右卷取机之间要保持一定的张力并且保持稳定, 所以张力的控制是一个动态的过程。采用FC105模块, 其输入为张力的反馈值, 输出为0~100之间的一个标定值, 用作动态张力控制模块的参数。FB41模块为西门子的PID调节模块, 用来实现张力的调节。
(5) 报警时系统检测。传感器为电流2线传感器, 程卡设置为4~20m A, FC105模块将模拟量输入模块传送来的一个整数转化为4~20之间的一个数, 通过减法和乘法运算转化为实际的工程值温度, 根据比较指令, 当温度大于设定值时, 输出为1, 通过一个数字量输出口驱动报警灯使之点亮。
4 结语
基于西门子PLC的可逆冷轧机电气控制系统具有可靠性高、安装简单, 便于维修的特点, 对轧钢企业提升带钢产品质量具有重要意义。
参考文献
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[2]刘芳.冷轧机智能故障诊断系统研究[D].沈阳:东北大学, 2013
[3]王娜伟.1370冷轧机厚控系统辨识与自校正控制研究[D].秦皇岛:燕山大学, 2005
直流可逆轧机 篇5
单机架可逆轧机主要分为两大类型CVC轧机和HC轧机。在HC轧机基础上又发展了一系列变种轧机例如HCW、HC-MW、UC、UCM、UCMW等。通钢冷轧厂的单机架轧机是由中冶南方设计院自主设UCMW六辊可逆轧机。
1 厚度控制系统AGC
1.1 厚度制方式及应用
冷轧板的厚度是衡量冷轧带钢质量最为重要的一个指标, 带钢板厚的控制精度取决于冷轧机自动厚度控制系统AGC的控制能力和相关硬件设备精度如测厚仪、激光测速仪、磁尺、伺服法等设备的精度。目前常用于单机架可逆轧机的厚控方式有下列三种基本控制方式:
1) 前馈AGC控制。前馈AGC控制是以带钢轧制方向入口侧测厚仪的厚度测量值与设定值偏差为前馈AGC PI调节器目标控制值, 其主要作用是消除原料的厚差波动。
前馈方程:ΔS=M/Km·ΔHKm:轧机刚度;ΔH:原料厚差;M:轧件塑性系数
2) 反馈AGC控制。反馈AGC控制以带钢轧制方向出口侧测厚仪的厚度测量值与出口设定值偏差为反馈AGC PI调节器目标控制值, 其主要作用是消除出口带钢厚差波动。
反馈方程:ΔS= (1+M/Km) ·Δh Km:轧机刚度;Δh:出口厚差;M:轧件塑性系数
3) 秒流量控制 (MFC) 。秒流量控制是以单位时间内流过辊缝两侧金属体积相等原理为基础实现带钢厚度控制高精度厚控系统。
h1:入口带钢厚度;v1:入口带钢速度;h2:出口带钢厚度;v2:出口带钢速度。
在带钢轧制期间三种厚控方式由于各个厂家系统设计的不同而有不同的组合应用, 无论哪种组合反馈AGC都是控制的基础。
一般而言, 三种组合方式:前馈AGC控制—反馈AGC控制、反馈AGC控制 (MFC) 、前馈AGC控制—反馈AGC控制—秒流量控制 (MFC) 。
下面以前馈AGC控制—反馈AGC—秒流量控制控制组合为例描述厚控系统, 在穿带结束建立工作张力轧机开始升速时, 当轧制速度达到厚控系统要求 (一般为0.4~0.6 m/s) , 系统可自动或根据操作人员的选择投运相应的厚控组合。此时前馈AGC根据轧机入口X-射线测厚仪检测到的来料厚度值与预先设定的来料厚度值进行比较, 取得偏差值后作为位置调节器的设定值的修正值。前馈AGC的主要作用就是克服来料厚度波动对厚控系统的影响消除由此引起的带厚偏差。经过前馈AGC的调节修正后带厚的主要偏差会被消除, 反馈AGC主要来消除出口带钢残存的微小的厚度偏差, 出口X-射线测厚仪会测得轧机出口带钢厚度值并与设定值比较, 得到的偏差值也作为位置调节器的输入值, 前馈AGC和反馈AGC得到的偏差值同时输入位置调节器则它们会在位置调节器中进行叠加计算。因此, 不会产生调节上的冲突。系统根据秒流量控制的公式依据前后激光测速仪测得的带钢速度进行厚度控制。秒流量投入的同时系统还会有一个反馈控制称为监控控制来修正其偏差值, 这里的反馈控制和前面提到的反馈控制是相同的是依据测厚仪的测量值来对位置控制器设定值进行修正。在工厂实际生产中一般按照下列原则选择厚度控制组合的使用:
规格较厚 (3 mm以上) , 轧制速度较低或轧制的第一、二道次采用前馈-反馈控制方式, 而薄规格高速轧制或轧制的后两个道次采用秒流量控制方式。
秒流量控制在薄规格高速稳定轧制条件下厚差较好可以达到2μm左右
1.2 厚控系统相关硬件精度要求
X-射线测厚仪精度:0.1%以上;位移传感器 (SONY磁尺) 精度:1μm;激光测速仪精度:0.1%以上;伺服阀高频率MOOD伺服阀;转向辊光电编码器2048脉冲以上。
2 工厂应用层面提高厚控系统稳定性与精度的方法
厚度控制系统的控制精度主要取决于测厚仪与测速仪对带钢厚度和轧制速度的测量精度。在实际应用过程中发现对测厚仪和测速仪测量精度带来干扰的主要有几个因素:蒸汽对测厚仪和激光测速仪测量精度的干扰;带钢表面残留乳化液对测厚仪和激光测速仪的测量精度的干扰;飞溅乳化液对测厚仪和激光测速仪的测量精度的干扰;转向辊与带钢相对滑动 (即打滑) 引起的编码器测速误差;工艺规程不合理引起带钢震颤对测厚仪和激光测速仪测量精度的干扰;原料硬度不均及厚度偏差波动过大对厚控系统精度的干扰;轧辊偏心、钢卷偏心对厚控系统精度的干扰。
针对以上干扰我们采取相应措施:配备良好通风排烟系统将蒸汽排走, 提高冬季轧机现场环境温度减少乳化液蒸汽的产生;确保空气吹扫系统压力稳定一般应保持在6 kg以上, 调整好乳化液吹扫梁喷嘴角度在35°~45°间;对机架进行封堵确保乳化液不飞溅到测厚仪区域;合理设置轧制规程, 合理设置入出口张力确保可高速稳定轧制;使用合格的原料;采取有效的轧辊偏心及钢卷偏心补偿措施。
3 结语
从厚度控制系统理论来讲提高厚度控制系统性能的方法很多, 如采用智能控制器、模糊控制等, 但目前轧机实际使用的还是传统的PI调节器, 新型控制方式还处于理论研究阶段。厚度控制系统发展的今天已经较为完善, 应用较为成熟, 因此, 工厂应用层面的技术人员主要从如何改善厚度控制系统外部工作环境, 减少外部环境对厚控系统干扰的角度出发, 提高厚控系统的稳定性和控制精度。
摘要：文章介绍了单机架六辊可逆轧机厚度控制系统和保证厚控系统稳定运行的手段。
直流可逆轧机 篇6
ZR23WF-19是20辊可逆式森吉米尔冷轧机,具有适合大压下量的整体框架,在轧制薄带和超薄带具有独特的优势,能够达到一个更好的公差范围。在不锈钢、有色金属、合金领域受到越来越多的关注,并得到广泛应用。某材料公司为了完善自身产业结构满足生产的需要引进20辊森吉米尔可逆冷轧机,主要生产尺寸及平直精度较高的合金。该轧机传动系统采用西门子S120变频器控制。
2 森吉米尔轧机简介
森吉米尔轧机不同于4辊轧机和其他形式的多辊轧机,它们最根本的区别就是辊系的不同设计导致轧制力的分配方式不同。具有以下特点。
1)森吉米尔20辊轧机工作辊轧制力通过中间辊传递到多点支撑背衬辊最终传递到轧机刚体机座。
2)森吉米尔20辊轧机是整体结构,中间辊系空间是由整体轧机中掏空高精度加工出来的,所以这种辊系设计保证了工作辊在长度方向和垂直方向具有很高的强度,挠度降低到最小,带材轧制过程中在长度和宽度上达到很小的厚度公差范围。
3)森吉米尔20辊轧机由于特殊的支撑结构,能够使用直径极其小的工作辊。结果是这种轧机和经典轧机比起来,轧制力更小、轧制和轧机偏差更小。相应地,中间辊的退火次减少,并且使快速更换工作辊成为可能。
4)通过旋转背衬辊偏心轴,背衬轴承相对于牌坊的位置能够得到改变,从而精确控制工作辊之间的距离。这是基础的控制动作,能够实现辊的快速、平行和非常精确的定位。
3 交流传动控制系统
3.1 传动设备
3.1.1 整流电源模块
SLM新一代回馈整流单元整流通过二极管完成,再生反馈时,通过IGBT实现网侧换流并提供100%连续再生能量反馈。当传动系统处于再生工作状态时,直流回路电压增加,IGBT导通,将能量回馈至电网。
在计算电源模块的容量时,考虑到20辊主电机、前后张力卷取机与上卷段、下卷段的开卷机、收卷机不会同时工作,还考虑到前后张力卷取机的工作状态(一个处在电动状态,另一个处在发电状态)。计算电机用电总容量∑PMC为
选择西门子800 kW,1 700 A智能整流模块6SL-3330-6TE41-7AA0。
3.1.2 变频调速模块
SINAMICS S120 DC/AC多机传动变频调速模块具有以下特点:1)控制单元CU320与电机模块分开,它们之间通过drive-cliq电缆连接。1台控制单元可以连接多台电机模块。所有的电机模块的控制和调节都在控制单元中实现,方便调试;2)外部的开关量输入输出或者模拟量输入输出都可以通过扩展的模块连接到控制单元中,方便在PC中查看各个量的状态;3)整个控制回路从输入给定到变频器输出,都图形化在控制单元中,各个环节一目了然,直观地对控制状态进行了解;4)根据电机优化流程,很方便对电机进行辨识和矢量控制优化,节约时间提高调试效率;5)S120中的DCC使用图形化编程,可以和装置内部参数连接,扩展了控制功能,方便实现工艺的控制。
3.1.3 传动系统配置
传动系统电机配置如表1所示。在可逆冷轧系统中,主机与前后卷取机张力控制的稳定性和精度对整个生产线产品的质量、板型、厚度等产品参数的影响是至关重要的。尤其是在小张力段,此时带材的厚度已经很薄,张力的波动对产品精度的影响更为明显,结合生产工艺数据,经严格论证得出以下配置。
1)主轧机电机功率为315 kW。主机前后配备2辊擦拭器,当带材从轧机穿出时将表面的工艺润滑油刮去,将工艺润滑油留在轧机内。
2)前、后张力卷取电机功率为315 kW(张力控制范围为9～100 kN,大张力段)以及55 kW(张力控制范围为2～12 kN,小张力段)。
3)2台电机交替工作完全满足2～100 kN的张力范围。如果卷取机选择电机为单电机315kW,在2 kN张力段,张力电流与电机额定电流的比值为2.2%,几乎接近电机的空载电流,如此小的电流,控制系统本身已经无法保证控制精度,更不能保证其稳定性。所以在小张力段用1台大的电机(315 kW)时,保证带材的张力控制精度,是完全没有保障的。如果在小张力段将张力电机切换为55 kW,张力电流/额定电流的比值为12.5%,这样保证张力控制精度没有问题,且其他电气参数也较为合理。所以,采用前、后张力卷取电机选择一大(315 kW)一小(55 kW),加双进单出减速机配置。
4)主机入口和出口侧装有测速偏导辊和非接触式激光测速,两种测速方式可以选择使用,方便维修。前后配备非接触式X射线测厚仪,将带材实际厚度反馈给AGC控制系统。ABB张力计测量实际张力,测量范围2～100 kN,用于直接张力控制,保证张力的稳定,安装在主机前后。
5)上卷段电机功率为45 kW。配备对中装置一套,测量开卷机带材边缘部分,并反馈到开卷机上做轴向调节,确保带材始终在中心位置。激光测径安装在开卷机前,保证卷径正确,便于张力控制。
6)下卷段电机功率为37 kW。配备激光测径,装于开卷侧。
3.1.4 网络配置
SIMOTION-D435主要负责传动系统与PLC之间的数据的统一处理,比如控制字、状态字、速度给定、张力设定值以及一些返回状态等,由D435统一发送和接收,而后分配给各个CU320控制单元。卷径计算和直接张力控制以及控制逻辑和连锁都在装置中通过S120中的DCC实现。DCC是专为SINAMICS变频器提供的一种可编程环境,用图形化的语言通过编程来完成特定的工艺。在此项目中,DCC输入输出量比如张力给定、卷径实际值等都使用相对量,所以在使用之前首先要标定。
3.2 控制系统
3.2.1 卷径计算
卷径计算的准确与否直接影响着张力控制的稳定性和精度。
对于卷取机有:
式中:v2为计算带钢线速度,m/s;Dact为实际卷径,m;n为电机实际转速,r/min;i为机械减速比。
偏导辊线速度:
式中:v1为带钢实际线速度,m/s;D0为偏导辊辊径,m;n为偏导辊实际转速,r/min。
卷取过程中在任何时刻2个线速度应该是相等的,即v1=v2。假设计算得到线速度v1和实际线速度v2有差值,那么卷径就在不断的增加或减少,所以整个卷取的过程是一个在初始卷径基础上卷径积分的过程,2个速度差值的积分就是实际的卷径。只要有合适的积分器就可以完成卷径的计算。卷径计算器结构如图1所示。
“卷径设定”为高电平时,可以把初始卷径值设定到卷径实际值,卷径实际值在此基础上增加或者减小;“最大卷径”和“最小卷径”限制计算器的卷径输出值在合理的范围之内;当电机速度或者实际线速度小于最小值时,卷径保持,不计算。计算出的卷径值会进行合理性校验,如果验证不合理之处,则对其进行校正。每个扫描周期内卷径的变化不会超过其最大变化量ΔDmax,可以以此进行卷径变化的校验。ΔDmax公式如下:
式中:ΔDmax为每个扫描周期内卷径最大变化量,m;TOL为调节因子;n为电机转速值,r/min;i为减速比;WTH为材料厚度,m;TA为采样时间,s。
3.2.2 张力控制
张力控制分为直接张力控制系统和间接张力控制系统。直接张力控制系统需要张力传感器,通过张力闭环来控制转矩或转速。间接张力控制系统不需要张力传感器,而是根据张力设定值计算转矩给定,通过转矩限幅来控制张力。间接张力控制虽然稳定,但是由于各种摩擦和电机本身效率很难保证精度。直接张力精度比间接张力要高,但是易出现稳定问题,实际应用中应以间接张力为基础,做好摩擦补偿,加减速补偿等,张力闭环只用来微调转矩或者转速。张力控制流程见图2所示。
考虑影响张力的主要因素有:
式中:TM为卷取电机电动转矩;TF为卷取电机张力力矩;Th为摩擦力矩;TI为惯量力矩。
摩擦力矩补偿和惯量力矩补偿在后续环节中说明,在实际应用的过程中,先投入间接张力给定观察直接张力的反馈值,如果两值相差超过间接张力给定值5%,可以用系数调整间接张力给定值,使差值缩小,而后投入直接张力PI调节器。DCC中有专门的PI调节器,可以用来做张力调节。直接张力PI调节器要保证调节的快速性,但是又不能造成张力波动震荡,据此调整P,I系数的值。PI调节器的输出调节量要做限幅,一般在5%～10%之间。如果调节量太大,调节器深度饱和,一旦张力波动很容易断带。
3.2.3 摩擦补偿
DCC中有20断点的PLI20多段线,可以用来做摩擦曲线的设计。摩擦补偿在间接张力控制时是必要的,直接张力控制时,为了保证张力控制的调节量尽可能在一个小的范围内,也是需要做的。摩擦补偿与电机轴速度和减速机温度有密切关系,在测量摩擦补偿时,可以先使电机工作一段时间,减速机温度上升后,测量出的补偿值会更准确。摩擦补偿的测量如下:通过S120中控制面板加速电机,曲线记录速度调节器的输出稳态值,作为摩擦补偿值。分别记录从速度0 r/min到最高转速共10个点的值,绘制PLI20摩擦补偿曲线。图3为某速度值时摩擦补偿记录。
图3中,速度调节器输出值的稳态值即为此速度下摩擦补偿值。
3.2.4 加减速转动惯量补偿
当电机加减速的时候,需要补偿一个加速或者减速转矩,这个补偿称为加减速转动惯量补偿,以保证加减速时实际张力维持在一稳定值。加减速转动惯量补偿是由dv/dt与电机转动惯量的乘积组成的。dv/dt值可以从系统的斜坡函数发生器中取得,重要的是电机转动惯量的获取。电机转动惯量分为固定转动惯量和动态转动惯量。固定转动惯量即电机带空卷筒时的飞轮力矩,动态转动惯量为随钢卷直径变化的飞轮力矩。
GD2变化及惯量力矩补偿计算公式如下:
式中:GD2为全部飞轮转矩,N·m2;GD02为固定部分飞轮转矩,N·m2;ρ为带钢密度,kg·m3;W为带钢宽带,m;v为轧制线速度,m/s;D为钢卷直径,m;D0为钢卷空卷筒直径,m;T1为加减速转矩转动惯量补偿。
加减速补偿曲线如图4所示。
3.2.5 断带保护
在生产过程中如果发生断带,张力突然消失,由于此时速度环不工作,转矩限幅维持电机转矩不变,张力转矩变成加减速转矩,造成电机突然加速,非常危险,此时系统要判断出已断带,发急停命令,使电机以最大转矩限幅制动停车。在间接张力控制系统中,可以用张力给定值与转矩实际值进行比较做出断带判断。此项目中,可以用张力实际值取代转矩实际值,这样判断更准确,在DCC中可以实现此控制功能。控制结构如图5所示。
在建张和张力已到达限幅条件下,当张力设定值与张力实际值差值超过25%最大张力值时,断带条件满足,延时500 ms发出断带信号。
4 结论
该轧机在试生产过程中,张力稳定,加减速张力波动在±2%之内,已成功轧制出0.05 mm×300 mm超薄合金,带材厚度偏差±0.001 mm,且板型良好,可以满足高端客户的需求,交流控制系统运行稳定,达到客户的要求。
参考文献
[1]马小亮.高性能变频调速及其典型控制系统[M].北京:机械工业出版社,2010.
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直流可逆轧机 篇7
在当今社会中, 随着科技的发展, 冷轧带钢正在逐渐得到广泛的应用, 例如电器、电子、食品罐头、精密仪器、汽车制造等领域, 都需要应用带钢, 同时对带钢的性能也提出了更高的要求。对此, 钢铁企业应当致力于对生产技术水平的提升, 通过对新设备的积极研发, 更好的满足用户的使用需求。在这样的背景下, 冷轧板带轧机设备得到了极大的发展, 出现了六辊可逆冷轧机, 使得生产效率和钢材质量都得到了有效的提升。
1 辊系的理论设计
1.1 辊系理论设计依据
冷轧滚的形态一般为圆柱形结构, 包括了传动辊头、辊颈、辊身等部分, 如图1所示。其中, 辊头也叫做轴头, 其与驱动装置利用联轴器连接, 辊头的作用主要是对减速机输出力矩进行传递, 常见的包括带键槽辊头、万向辊头、梅花辊头等形状。辊颈在外部安装了轴承, 对轧制力进行承载, 轧制力通过轴承向轴承座传递, 经过支承辊轴承座及压下装置, 到达牌坊。常见的辊颈是圆柱形辊颈, 对四列圆锥滚子轴承进行安装, 在外侧设有开口环, 能够加快换辊速度。此外, 还有圆锥形的辊颈, 主要与油膜轴承配合使用。辊身是具有最大直径的部分, 其与带钢直接接触, 需要承受冲击、高压、高温条件。
1.2 轧辊间接触应力
在两个轧辊之间, 辊间轮廓接触的位置, 受到压力接触后, 两会发生形变, 发生区域弹性压变。在接触面上, 具有二次抛物线状分布的应力, 其中, 产生压应力最大的方向为Z轴的方向。按照轧辊表面硬度, 能够对许用应力进行查询, 如表1所示, 根据得出结果判断接触应力是否满足要求。在辊面接触区, 材料上各点具有三向应力的情况, 对于较大接触应力也能进行克服。在与接触面逐渐远离的过程中, 接触应力也会发生衰减, 因而对于轧辊并不会产生太大的不良影响。在轧辊相向转动时, 会有周期性交变切应力发生在接触区, 同时力的方向会正反交替改变, 因而可能导致辊面剥落的情况发生。
1.3 六辊轧机辊系变形
在轧机设计当中, 轧辊的弹性变形是一个十分重要的参数, 在轧机总变形当中, 占据着很大的比例。在辊系变形当中, 主要受到温差、外力等因素的影响, 具体包括轧制带钢时的反作用力, 中间辊窜辊造成的变形, 轧制带钢是辊面的接触变形, 辊间接触造成的变形, 以及轧辊温差造成的热变形等[1]。对轧辊弹性变形的研究, 可以采用有限元法、弹性基础梁法、影响函数法、解析法等进行研究。和切应力相比, 弯矩造成的弹性变形要更大。在轧制过程中, 轧辊之间的接触应力较大, 接触区在受到挤压之后, 或发生变形, 从而造成柱状轧辊轮廓的变形。
2 辊系有限元接触与模型
2.1 有限元方法及原理
有限元法主要是将研究对象进行切分, 得到体单元、面单元、梁单元、杆单元等多个连续小单元, 利用公共节点连接各个单元。通过这种方式, 能够简化复杂问题得出近似结果。在实际应用中, 首先将实体模型转换为离散模型, 进行网格划分, 然后对位移函数进行选择, 对单元刚度矩阵及方程进行推导, 对等效节点力进行计算, 对单元方程进行组装, 最后对未知节点位移进行求解, 并对单元应力进行计算。
2.2 ANSYS接触
在日常工作及生活中, 接触现象十分常见, 例如轴承接触、齿轮啮合、以及辊间接触等[2]。接触问题是一类非线性问题, 在模型接触的位置发生非线性现象。接触区域未必是永远接触, 根据研究模型状态的改变, 接触受到外部原因、约束原因、荷载原因的影响, 也会发生变化。在对两个直接接触物体进行分析时, 应当确保接触面之间未发生相互穿透现象。在接触问题的类型当中, 主要包括了刚体-柔体接触、柔体-柔体接触等。在ANSYS当中, 对于不同类型的接触, 有相应的方法进行解决, 同时能够解决点和面的接触问题。
2.3 六辊轧机辊系有限元模型
在辊系模型面-面接触的分析当中, 首先对辊系有限元模型进行创建和划分, 然后对接触类型进行识别, 对相应的实常数和未知数、关键选项等进行设置。对必要的边界条件进行施加, 对求解选项进行定义, 对接触问题进行求解。在有限元模型创建中, 首先利用ANSYS软件, 对实体模型进行建立, 然后对辊系材料属性进行设定, 进而对网格进行划分。在辊间接触问题的研究中, 两个工作中的辊面会发生接触, 并将这两个辊面作为一个“接触对”, 并通过实常数号进行识别。在辊系当中, 施加的主要边界条件包括弯辊力荷载、轧制力荷载等, 同时对轧辊两端位移进行约束。
3 辊系强度和刚度的影响因素
3.1 辊系强度
在生产轧制过程中, 轧辊会受到多种应力的综合作用, 与带钢之间, 长期存在温差变化、挤压接触等情况, 因而会发生较大程度的磨损, 造成辊面表层剥落或发生断裂等情况, 可能造成严重的安全事故。在生产当中, 这种破坏及磨损情况通常是难以彻底消除的, 不过, 可以通过相应的方式, 对破坏及磨损的诱因进行减少, 从而延长轧辊的使用寿命。在实际应用中, 轧辊的破坏来源主要包括了最初设计阶段, 制造阶段、使用阶段等。基于此, 可在设计初期对安全系数进行增加, 对以上问题进行克服。
3.2 弯辊及窜辊的影响
在当前的社会中, 对于冷轧带钢产品的要求越来越高, 要求其必须具有满足要求的外观形状, 而通过对辊缝的调节, 能够对板型厚度均匀程度进行控制。在实际生产中, 轧制受力变形、生产使用情况、工艺冷却效果等, 都会对辊缝形状产生影响[3]。轧辊具有不固定的温度, 在初始和稳定的轧制阶段, 会具有不同的温度, 在辊芯、辊面之间会发生温度传递, 因而会对轧辊凸度产生影响。在工作当中, 轧辊和工件之间, 以及轧辊和轧辊之间, 由于受到轧制循环应力的影响, 因而会发生磨损, 造成辊形的变化。
3.3 有限元模型的验证应用
在轧机辊系当中, 主要的参数包括支承辊的辊身直径、辊身长度、辊颈直径、辊径长度、总长度、过渡圆弧半径, 中间辊的辊身直径、辊身长度、辊颈直径、辊径长度、总长度等, 工作辊的辊身直径、辊身长度、辊颈直径、辊径长度、总长度等。在六辊可逆冷轧机的实际应用当中, 通过对轧制带钢后的辊间接触应力, 以及带钢宽度方向厚度差的测量, 能够对有限元模型进行验证。在一定的范围内, 平均辊间接触应力会随着单位轧制力的增加而变化, 不过整体的接触应力趋势并不会发生根本性的变化。通过有限元计算结果与现场取样计算结果的对比, 得出较为相似的结果, 因而证明了有限元模型的正确性。
4 结论
在当前的钢铁生产当中, 六辊可逆冷轧机是一个十分重要的设备, 对于生产带钢产品的效率和质量都有着重要的影响, 其中, 辊系是冷轧机当中的重要部分, 对冷轧机的工作性能会产生直接的影响。基于此, 本文主要对六辊可逆冷轧机辊系结构的参数影响进行了分析, 同时建立和验证了相应的有限元模型, 以期为辊系结构的进一步优化提供借鉴。
参考文献
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