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东北大学硕士学位论文 摘要 基于p l c 的金属带轧机控制系统开发 摘要 金属带式无级变速器( c v t ) 是近十多年来在国外兴起的一种新型的无级变 速传动。它采用v 型金属带代替v 型胶带，从而使得无级变速器的机械性能得到 了明显的改善。在国外，它已经成为汽车工业的核心技术之一。欧洲、日本等国 家先后开发了以金属带式无级变速器为核心的自动变速汽车。然而，由于这项技 术的商业化时间较短，目前国内尚无采用金属带式无级变速器的汽车生产。随着 我国把汽车工业列为支柱产业，以及业界人士对这一新技术的普遍关注，金属带 式无级变速器技术被列为国家重点攻关项目。其中，东北大学主要负责金属带的 加工工艺及设备的研究。 从c v t 的发展历程可知，由于金属带大量生产过程的复杂性，c v t 商品化 经过了一个极为漫长的过程。金属带是c v t 的核心部件，由摩擦片和闭式金属 环带组成，金属带轧机是加工金属环带的专用机床，本课题所做的工作是金属带 轧机的控制系统的开发。所作的具体工作如下： ( 1 ) 在分析金属带轧机控制功能要求的基础上，提出了基于p l c 的控制系统 的解决方案。既保证金属带轧机工作的可靠性，又便于今后功能的扩充和改进。 ( 2 ) 从金属带的使用和轧制工艺的过程特点出发，分析金属带几何尺寸控制的 方法，提出了以控制带长为核心，综合控制带厚的控制模型。因为金属带带长与 带厚是互相关联的两个参数，无法实现独立的控制。而其中带长的控制较严格， 控制要求也比较明确。采用光栅尺作为检测元件，通过对p l c 的高速中断口编程 实现位移检测。即可实现对带长的控制。 ( 3 ) 本文还给出了轧机其它工艺参数、运动和动作的调整、控制方法。如金属 带的张紧力，轧机主运动的转速等。为了便于实现复杂的控制要求，选择触摸屏 作为控制系统的人机界面。 ( 4 ) 完成控制系统的硬件设计和软件设计，以及控制系统的软件、硬件的现场 试验和调试。 关键词金属带式无级变速器金属带轧机可编程控制器触摸屏人机界面 一 东北犬学硕士学位论文 a b s l r a c t d e v e l o p m e n t o fp l cc o n t r o l s y s t e m f o rb a n d r o l l i n g m i l l a b s t r a c t t h em e t a lv b e l tc o n t i n u o u sv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ( c v t ) i san e w l yd e v e l o p e d t e c h n o l o g yi np a s tt e ny e a r so v e r s e a s i ta d o p tm e t a lv t y p e db e l tt os u b s t i t u t er u b b e r b e l t w h i c hg r e a t l ye n h a n c e si t sm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e t h em e t a lv - b e l tc h a s b e e nak e r n e lt e c h n o l o g yi na u t oi n d u s t r y i nj a p a na n de u r o p e t h ea u t o m a t i c t r a n s m i s s i o nv e h i c l e sh a v eb e e n d e v e l o p e ds u c c e s s i v e l y h o w e v e r ，p a r t l yb e c a u s eo f t h e s h o r ts p a no ft h ec o m m e r c i a l i z a t i o n t h ec v t t e c h n o l o g yi sn o tf o u n di nc h i a n sa l l t o i n d u s t r y w i t hc h i n a sr e c o g n i t i o no f a u t oi n d u s t r ya st h es u p p o r t i n gi n d u s t r ya n d m o r e p e o p l e sc o n s i d e r a t i o no f t h et e c h n o l o g y , t h ec v t h a sb e e ne n l i s t e da st h ek e y p r o j e c t o ft h ec o u n t r y i nw h i c hn e u m a i n l yf o c u s e so n t h ep r o c e s sa n dt h ee q u i p m e n to ft h e c v tr e s e a r c h k n o w nf r o mt h ed e v e l o p m e n t a lh i s t o r yo fc v t ，w ef o u n dt h a tt h ec o m p l e x i t yo f m a s sp r o d u c t i o nf o rm e t a iv - t y p e db e l tc o n t r i b u t e ss om u c ht ot h el o n gi o u r n e yo f c v t c o m m e r c i a l i z a t i o n t h em e t a lv - t y p e db e l ti st h ek e y p a r ti nt h ec v t w h i c hi sm a d eu p o fm e t a lb l o c k sa n db a n d s n 地m e t a lb a n dr o l l i n gm i l li sas p e c i a l i z e dr i n gr o l l i n g e q u i p m e n tf o rc v t - m e t a lb a n d m yt a s ki nt h et h e s i si s l ed e v e l o p m e n to fc o n t r o l s y s t e m f o rc v t - m e t a lb a n dr o l l i n gm i l l t h ed e t a i l e dw o r k sa r ea sf o l l o w s ( 1 ) i nt h i st h e s i s ，l ef u n o t i o n a lr e q i r m e n tt h ee o n t r o ls y s t e mf o rc v t m e t a lb a n d r o l l i n gr a i l l i st h o r o u g h l ya n a l y z e d a n do ns u c h ab a s i s ip u tf o r w a r dar e s o l u t i o np l a n f o rt h ec o n t r o ls y s t e mt ow h i c hp l ci sa p p l i e d t h i sn o to n l ye n s u r e st h er e l i a b i l i t yo f t h e s y s t e m b u ta l s om a k ei t e a s y f o rf u t u r e s y s t e m f u n c t i o n a le x t e n s i o na n d i m p r o v e m e n t ( 2 ) s t a r t i n g 丘d mt h eu s a g eo f t h em e t a lb a n da n dt h ep a r t i c u l a r i t yo fi t sr o l l i n g p r o c e s st e c h n i q u e s , ia n a l y z e st h ec o n t r o lm e t h o do f g e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n da d v a n c e s am o d a lw h i c hf o c u s e so nt h ep e r i m e t e ra n dc o v e rt h et h i c k n e s si na ni n t e g r a t i v e a p p r o a c h t h a ti sb e c a u s et h ep a r a m e t e r so f p e r i m e t e ra n dt h i c k n e s sa r ec o h e s i v ew h i c h c a nn o tb ec o n t r o l l e ds e p a r a t e l y , w h e r et h ep e r i m e t e ri sm u c hs t r i c t e ra n dt h ec o n t r ) l r e q u i r e m e n ti sm o r eo b v i o u sa n dd e f i n i t e t h el i n e a rg r a t i n ge n c o d e ri st l l es e n s o r , a n d t h ei n p u ts i g n a li s p r o c e s s e db yp l c i nt h ei n t e r r u p tm o d e t h r o u g hh i g h s p e e di n p u t p o i n t t h e r e f o r et h ed i s p l a c e m e n ti sm e a s u r e da n dt h ep e r i m e t e rp a r a m e t e rc o n t r o lc a n b er e a l i z e d ( 3 ) t h e t h e s i sa l s oc o v e r st h e a d j u s t m e n ta n dc o n 仃o lo f o t h e rt e c h n i c a lp a r a m e t e r s m o v e m e n ta n df u n e t i o n ，s u c ha st h et e n s i o n a lf o r o eo fm e t a lb a n d t h es p e e d so ft h e m a i nm o v e m e n tf o rt h e r o l l i n g m i l le t c i no r d e l t om e e tt h e c o m p l e xc o n t r 0 1 h i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e q u i r e m e n t ，t o u c h s g r e e ni s a p p l i e d a st h e i n p u t a n dv i s u a l o u t p u td e v i c e o ft h e s y s t e m sh u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e ( 4 ) ih a v ea c c o m p l i s h e dt h eh a r d w a r ea n dt h es o , w a r ed e s i g no f t h er o l l i n gm i l l s c o n t r o ls y s t e ma n da l s oh a v ec o m p l e t e dt h ee x p e r i m e n ta n d a d j u s t m e n ta tt h es c e n e k e y w o r d s t h em e t a lv - t y p e dc v t ，m e t a lb a n dr o l l i n g m i l l ，p l c ，t o u c hs c r e e n ， h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e - i v - 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究 成果除加以标注和致谢外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名：猴e l i 日期：。2 畔一 o h 矿7 产 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 传动系是发动机动力与车轮负载之间的传动装置。它的任务在于通过变换其 传动比，以调节或变换发动机特性，将转速和动力有效而可靠地传递到驱动车轮 上，以适应使用上对汽车性能的要求。汽车传动系无级自动变速是指它在完成上 述任务中，其传动比变换是自动而连续的。无级自动变速传动可以实现理想的传 动，自汽车诞生以来一直是人们追求的目标。将无级自动变速传动在汽车中实用 化是每一代汽车设计者和制造者的梦想。 无级变速传动英文为c o n t i n u o u s l yv a r i a b l ot r a n s m i s s i o n ，简称为c v r 。当 前，装备汽车的无级自动变速器多种多样，装车数量逐年增加，并有不断扩大的 趋势，世界上几乎所有的整车生产厂都对c v t 的开发和研制投入了大量的人力 物力。 为了发展我国汽车工业，跟踪世界汽车技术的发展和开发适合中国国情的汽 车，目前我国正在考虑发展轿车自动变速器的问题。“九五”期间“汽车电子控 制技术”被列入国家重大科技攻关计划，轿车金属带式无级自动变速器的开发和 研制是这一计划的重要组成部分。其中吉林工业大学主要在金属带的传动机理、 传动系的匹配规律、金属带式无级变速器的特性分析及综合控制等方面研究，华 南理工大学对c v t 的控制进行了理论研究，东北大学致力于金属带的研制与开 发。经过多年的研究和实验，我校在金属带轧机的结构设计及金属带加工工艺方 面积累了一定的经验，并在实验室条件下实现了金属带的轧制。为进一步实现金 属带的大量生产，以及在实践中进一步总结经验。于2 0 0 2 年开始进行金属带轧 机样机的研制。本课题为该轧机的电气控制部分的设计。 金属带轧机是金属带加工的关键设备，是金属带式无级变速传动技术在国内 实用化所必须跨越的技术门槛。对我国的汽车工业具有重大的现实意义。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 金属带式无级变速器的发展 实现无级变速传动的方式各种各样，从车用传动器要求的速比范围、功率重 量比、使用寿命、可靠性及成本等方面综合考虑，在现代轿车上，最佳的选择首 推变节圆无级变速传动方案。 汽车无级自动变速传动首先获得成功地应用是v 型橡胶带式无级自动变速传 动。它最早出现在1 8 8 6 年由德国d a i m l a r - b e r m 公司生产的汽油机汽车上。而 后，荷兰达夫( d a f ) 公司hv a n d o o r n e 博士于1 9 5 8 年研制成功双v 型橡胶带 式无级自动变速器，并装备于d a f 公司的小型轿车( 发动机排量为0 5 9 l ) 上。 此后经过多种改进，于1 9 7 5 年起装备于v o l v o3 4 0 系列轿车上，在使用上取得了 成功，发动机排量达l4 l 。据统计约有1 2 0 万辆微型轿车装备了此种类型的无级 自动变速器。 由于橡胶带式无级自动变速传动传递功率容量有限，效率低，h v a nd o o m e 博士自6 0 年代开始研究能传递功率容量大，效率高，结构紧凑的无级自动变速 传动，提出了以v 型金属传动带来代替v 型橡胶带。这种传动改变了传统带传动 的原理，把传递转矩由拉式变为推式。这样，一种新型的金属带式无级自动变速 器诞生了，即“t r a n s m a t i e ”变速器。为专门进行金属带式无级自动变速器的研 究与开发，h v a nd o o m e 博士于1 9 7 2 年在荷兰正式成立v a nd o o r n e s t r a n s m i s s i eb v 公司，简称v d t 公司。开始推出单钢环组推块式金属带，后改型 为目前流行的由更薄的金属片、有两副钢环组构成的金属带。由于金属带大量生 产过程的复杂性，c 商品化直到1 9 8 7 年左右才得以实现f ”。 日本s u b a r u 汽车厂是首先开始大量生产c v t 的汽车厂。1 9 8 7 年他们将电子 控制的c v t ( 称为p 8 2 1 型) 装备于j u g t y 汽车( 发动机排量为卜1 2 l ) 上，成功 地占领了日本市场。继s u b 8 u 后，欧洲的f o r d 和f i a t 把c v t ( 机械式，称为 p s l1 型) 装备于发动机排量为1 卜1 6 l 的轿车投入市场，也受到用户欢迎。 9 0 年代，u d t 公司在总结第一代产品生产和使用的基础上，开发第二代产 品。第二代产品主要设计技术指标较多地超过目前最先进的液力机械自动变速 器，具有更好的经济性和操纵平顺性。并在结构上作了较多改进。p 8 8 4 型和 p 9 0 1 型是两种新型的c v t 。前者适用于发动机前置前驱动轿车。后者适用于发 动机前置后驱动轿车。 1 9 9 1 年，德国z f 公司应用v d t 技术开发了适用于发动机排量为1 5 2 5 l 前 置前驱动轿车的c v t 系列产品。其中z f c f t 2 0 e 型c v t ，传递的转矩可达 2 1 0 n m 。 。2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 9 9 6 年，h o n d a 公司应用v d t 技术开发适用于发动机排量为1 6 l 经济型轿 车c w i c 。装备的c v t 传动装置称为h o n d am u i l tm a t 妣 从用于商品化的产品看，c v t 从8 0 年代到9 0 年代经历了两代产品。第一代 用于排量为1 1 1 8 l 的轿车上，传递扭矩最高可达1 6 0 n m ；第二代产品发动 机排量可达3 3 l ，传递扭矩最高可达3 0 0 n m 。 近年，随着c v t 技术的发展，它可满足更大排量汽车动力传递的要求。如 c v t 传动装置成功地装备于c a n o n w i l l i a m sg e n a u rf 1 赛车上，该车发动机为 v 1 0 缸，功率达( 5 9 1 0 2 ) k w 。可见，目前c v t 系统，从发动机排量方面看，它 可以满足各种不同规格轿车的使用要求。目前，世界上已有三个c v t 专业生产厂 ( v c s t ，f o r d ，f h i ) ，装备c v t 传动器的汽车保有量已达1 0 0 多万辆。欧洲f o r d 公 司c v t 的年产量可达到1 5 多万套。日本富士重工( f h l ) c v t 年产量已达2 0 多万 套。美国的汽车公司也在积极开发无级变速的汽车。 在国内，到目前还没有一家汽车厂用c v t 装备汽车，这与金属带式c v t 的商 业化过程较短有关。虽然目前各地的轿车仍是自动变速器( a t ，主要是液力机械 式) 和手动变速( m r ) 占主导地位，但金属带式c v t 以它那无比的优越性，已经 引起了从政府到业内人士的广泛关注。具有的巨大的潜在市场和良好的发展前 景，己被国家列入了重点攻关项目【2 】。 1 3 金属带式无级变速传动( c v t ) 的技术特点 1 3 1 基本结构与工作原理 图1 1 为金属传动带式无级变速器结构原理图。发动机( 1 ) 输出的动力经离 合器( 2 ) 传递到无级变速传动装置的主动工作带轮( 4 ，4 a ) ，通过v 型金属传 动带( 1 0 ) 将动力传递到从动工作带轮( 7 ，7 a ) ，最后动力经中间减速器 ( 8 ) ，主减速器与差速器( 9 ) 传递到车轮。在变速器中，带传动装景是其核心 部分。形式上与v 型橡胶带式无级变速传动相类似。传动器的主、从动工作轮由 固定和可动的两部分组成，形成v 型槽，与v 型金属传动带啮合。传动器两工作 轮的中心距是固定的，当主、从动工作轮可动部分作轴向移动时，改变了传动带 的工作半径，从而可改变传动比，实现无级变速传动。可动轮的轴向移动量是根 据汽车使用要求，通过液压控制系统分别调整主、从动轮油缸( 3 ，6 ) 的油压力 而实现的【3 】。 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 在这种无级变速传动中，两轴工作带轮间动力传递不是依靠金属传动带的拉 力，而是靠推力来实现的。 图1 1 金属带式无级变速器结构原理图 f i g 1 it h e p r i n c i p l e p l o t o f t h e m e t a l v - b e l t c v ts t r u c t u r e 1 3 。2 关键部件 ( 1 ) 金属传动带。金属传动带由多个金属片l 和两组金属环2 组成，如图1 2 所示。每个金属片的厚度为1 4 m m 。在两侧工作轮挤压力作用下传递动力。每组 d 东北大学硕士学位论文第一章绪论 金属环由数条厚度为o 2 m m 左右的薄环带叠合而成，在动力传递过程中，主要被 用来把金属片约束在一起，并正确地引导金属片的运动。 图1 2v 型金属带的组成 f i g 1 2t h e c o n s t k u t i o n o f c v t m e t a l v - b e l t ( 2 ) 工作轮。主、被动工作轮由可动半锥轮和固定的半锥轮两部分组成，其工 作面大多为直线锥面体。在液压控制系统的作用下，依靠钢球一滑道结构作轴向 移动，可连续地改变传动带工作半径，实现无级变速传动。 ( 3 ) 液压油泵。为c v t 传动系提供控制、冷却和润滑的液压油源。常用的液 压油泵有两种形式，即齿轮泵和叶片泵。为了提高液压油泵的工作效率，在最近 开发的c v t 传动器中采用了滚子式叶片泵。 ( 4 ) 起步离合器。目前，用作汽车起步有下列三种：湿式多片离合器；电磁离 合器；液力变矩器。液力变矩器与c v t 系统合理匹配，可使汽车以足够大的牵 引力平顺地起步，提高驾驶舒适性。当发动机转速高时，闭锁离合器将泵轮与涡 轮锁住，成为整机传动，提高了传动效率。所以，在第二代c v t 中常被采用， 但成本较高。为降低汽车传动器的生产成本，研究人员一直在致力于应用电控技 术，在电磁离合器或多片湿式离合器上实现液力变矩器的传递特性。1 9 9 6 年， h o n d a 公司采用模拟液力变矩器传递特性的控制技术，用多片湿式离合器实现了 液力变矩器的起步特性。 ( 5 ) 控制系统。控制系统用来实现c v t 系统传动比无级自动变化。在c v t 系 统中，初期产品多采用机一液控制系统。近期开发的产品一般采用电一液控制系 统。 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 3 主要技术参数 目前，c v t 主要几种产品的主要技术特性参数如表i i 所示。为了满足汽车 的使用要求，通常还配有中间齿轮传动副，其速比范围为f 。= 1 3 1 4 ；与其相匹 配的主传动器速比范围为= 3 8 5 4 3 5 ；加上c v t 的传动比o = 0 4 4 5 2 6 ； 最后得c v t 传动器的总动比为f = 2 2 2 7 1 5 8 3 4 “1 。 表1 ic v t 主要技术参数 t a b l e1 i t h e m a i l t c c l m i c a l p a r a m e t e r s o f c v t 发动机速比驱动传动器中心距传动器 工作 最高最低变化 型式总长( ) 两工作轮 输入输出 总重 容积 速比速比范围( ) 轴 ( l )( m ) ( k g ) 0 4 4 o 6 3 32 65 6f f 和f r3 5 0 3 9 61 4 0 1 7 81 6 4 2 0 04 9 5 8 5 1 3 4 性能指标 为考查c 系统在汽车中应用的实际效果，各国汽车厂都对其进行了对比试 验。即同类汽车分别装备c v t 、手动机械变速器和液力机械自动变速器，在同等 条件下进行性能比较，结果综合如下【5 】： ( 1 ) 经济性。日本富士重工、德国z f 、美国c h r y s l e r 、德国大众汽车及法国 r e n a u l t 等几家汽车公司的汽车在装用c v t 前后的经济性试验结果为：装用c v t 汽车的经济性比自动变速( a t ) 汽车提高约8 1 2 ，与机械变速 仃) 汽车相当。 ( 2 ) 动力性。几种不同车型以汽车加速性能作为评价指标，在同样条件下的试 验结果为：装用c v t 的汽车加速性能( 0 - 1 0 0 k i n h ) 比装用a t 变速器的汽车的 加速性能提高7 5 l1 5 ，在速度较高时还略优于m t 汽车。 ( 3 ) 传动效率。变速装置本身的传动效率将影响汽车的经济性和动力性。与机 械变速器相比，c v t 传动装置除机械传动外，额外的液压控制系统要消耗相应的 能量，金属传动带的摩擦损失也要消耗部分能量，所以无论金属带式c 传动 装置如何完善，它本身的传动效率一定低于机械变速器效率，最多只能接近机械 变速器效率。近年采用滚子叶片泵和全电子控制技术，其传动效率已接近到机械 变速器效率。v d t 公司近期报导，其传动效率已在9 2 9 6 ，比机械变速器 效率( 9 7 9 8 ) 略低。 6 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 排放。由于c v t 系统具有较宽的速比变化范围，并能根据汽车行驶阻 力，按驾驶员选定的工作模式，连续地改变速比使发动机输出功率和汽车行驶阻 力达到最佳匹配，保证发动机始终平稳地处在最佳工况：下工作。这样不仅可改善 汽车燃料经济性，而且极大地改善了发动机排放。据z f 公司资料，汽车装备 c v t 系统后，其有害排放物比装备4 挡自动变速器将减少1 0 左右。 综上所述，由于c v t 具有很多优越性。在当前技术条件下，装备c v t 的汽 车可以达到：比手动机械变速器具有更好的动力性和经济性；比液力机械自动变 速器具有更便宜的价格；比有级变速器具有更低的排放；具有最佳的驾驶舒适 性；具有更多的功能，既可以采用自动模式，又可采用模仿机械变速器的手动换 挡模式，使驾驶员可以感受驾车的乐趣1 6 】。 1 4 金属带组件的技术要求 从金属带式无级变速器的结构和传动原理可看出，金属带一锥盘系统是无级 变速器的核心部分，它的工作情况直接影响整个c v t 的性能。金属带是一条组 合带。它由几百个v 型金属片( 摩擦片) 和两组钢环组成。两组钢环嵌在v 型金 属片的带槽( 称为鞍座面) 内。每组钢环由若干片厚度为0 2 r a m 左右的薄带环叠合 而成，根据传递扭矩的不同相应增减钢环层数。金属带中钢环组的功能，一是引 导v 型摩擦片，二是承担带中的全部张紧力；v 型摩擦片的功能是传递转矩。其 传动的一个重要特征就是摩擦片的推压式作用原理，即通过v 型摩擦片的压力来 传递转矩。 金属带是一非常精密的组件，金属片和每一层钢环的加工制造都有严格的精 度和性能要求。钢环组由一种高强度的马氏体时效钢制成，相邻两圈配合要求很 高，否则将产生大的载荷不均，影响带的寿命。因此，金属带组件的制造有很高 的技术含量。 金属带是核心部分，而钢环组又是金属带的关键组成件之一，金属带的张力 全部由钢环组来承担。因此，对钢环组的性能要求是很高的，即钢环组必须具有 较高的韧性和非常高的强度，同时各层钢环的制作工艺以及它们之间的配合精度 都有很严格的要求，其目的是尽可能实现均载，所谓均载荷就是指每层钢环尽可 能受到大小相同的载荷作用，这样才能在要求的寿命范围内，共同抗住上亿次弯 曲循环次数，否则，钢环受力有较大差异时，有一层受到疲劳破坏，其它各层也 将很快破坏，使金属带失效。分析影响钢环承载的因索，其最终目的就是消除或 减弱这些影响，尽可能提高钢环的疲劳强度，满足使用寿命要求。 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 影响钢环的承载有多方面的因素，下面就钢环厚度、层数和钢环配合关系的 影响简要介绍如下： ( 1 ) 钢环厚度f 和层数拧的影响川 钢环厚度是钢环设计中很关键的一个参数，为减少弯曲应力，应尽可能减薄 钢环厚度。理论上的最佳厚度受到制造技术的限制，如果单层钢环厚度太薄，则 制造成本必然升高，一般t 应取为0 2 m m 左右。 钢环的层数同厚度是一组相配合的参数，取多少层主要由钢环所要承担的载 荷确定。当变速器传递扭矩能力提高时，必然要增加钢环的层数，但不宜太多， 因为层数越多，钢环之间的装配精度越不好保证，增加了钢环选配的复杂度，一 般取6 1 0 层。 下表12 给出了荷兰v d t 公司不同类型金属带的设计参数与承载能力对照关 系。 表1 2 带的设计参数与金属带c v t 承载能力的对照关系 t a b l e1 , 21 1 ”c o m p a r i s o n r e l a t i o n s h i po f t h e b e l td e s i s np a r a m e t e r c v t 的酲计 参数 c v t 的承载级别 带的设 功率2 0 9 0 k w功率8 0 - 1 5 0 k w 计参数 最大转速6 5 0 0 r p m最大转速6 5 0 0 r p m 带的宽度( w ) ( 摩擦片的宽度) 2 4 m3 0 n 每组钢环的层数带型最大转矩最大转矩 ( 1 1 )( w n )( n m ) 带型 ( n m ) 62 4 68 0 9 2 4 91 2 53 0 92 1 0 1 02 4 i o1 4 0 3 0 1 02 5 0 1 22 4 ，1 21 6 5 3 0 1 23 0 0 ( 2 ) 钢环组间的配合对承载能力的影响 钢环间的配合可能出现三种情况：一是钢环组装配后存在正间隙，二种是钢 环组装配后为零间隙，三是钢环组装配为过盈配合吼 对于第一种情况，假设只在钢环组的第f 层和第f + 1 层之间出现了间隙，那 么当加有初张力后，只有前i 层钢环承受此力，而第升l 层及其后的钢环张力为 零。这种情形下，不管间隙量有多小，起始时，张力全部作用于无间隙的各层钢 一8 东北大学硕士学位论文第一章绪论 环上，当这几层钢环变形后所有钢环开始共同承担张力时，前i 层钢环己发生了 一定的变形，这对钢环的承载极为不利，是不允许的。 对于第二种情况，虽然各层钢环均处于零间隙配合状态。由于带轮弧段处各 层钢环所对应的径向尺寸的差异，当层数疗较多时，钢环组最内层的张应力与最 外层的张应力相差较大，各层钢环的张应力分布不均，从外到内逐渐增大，最内 层的张应力达到最大。此应力差对钢环的承载也有较大影响。 以上两种情况说明，如果钢环组组配后出现了间隙，则钢环受力肯定不均； 而按无偏差组配后各层钢环的张应力仍然分配不均，钢环从外层到内层应力逐渐 加大。为此钢环间的配合为过盈配合，即第三种情况，通过过盈配合在钢环组中 产生预应力，使钢环中的张力分布均匀。过盈量与传递转矩之间的关系如图1 3 所示。 l 、 皇 捌 省 o5 01 0 0i 钟2 2 5 03 0 03 5 0 转艇，( n - m ) 图1 3 传递转矩与过盈量的关系图 f i g 1 3 t h e p l o to f r e l a t i o nb e t w e e nt o r q u et r a n s a i t t e da n d i n t e r f e r e n c e 1 5 本文所做的主要工作 ( 1 ) 在分析金属带轧机的工艺要求的基础上，选择基于p l c 的系统控制方案。 实现了轧机的工艺动作和调熬，实现了对金属带带长、带厚的控制。 ( 2 ) 完成了金属带轧机的交流变频调速环节、位移测控环节、张紧力控制环节 等的硬件选型与设计。 ( 3 ) 根据轧机的工艺要求，完成了轧机的p l c 控制系统软件设计和工业触摸屏 人机界面监控程序设计。 ( 4 ) 完成了金属带轧机控制系统的安装、现场实验和调试。 9 一 鲫呲阱嘣|詈哪眦眦啪 o o o a o 0 0 0 o o o 东北大学硕士学位论文第二章金属带轧机的结构和控制要求 第二章金属带轧机的结构和控制要求 2 1 金属带轧机的结构 2 1 1 金属带轧机的组成 金属带轧机是一种异径五辊轧机，与通常的四辊轧机相比，它的上支撑采用 两辊支撑。两工作辊直径不等，其中驱动辊的直径较大。轧机由机架、轧辊系 统、压下机构、张紧机构组成。如图 2 1 所示。 机架是整个轧机的基础件、支承 件，轧制金属带时的轧制力经轧辊、轴 承，最终传递到机架。同时，机架又为 各部件提供定位、安装面，保证它们之 间的位置关系和相对运动关系。 轧辊系统是轧机的核心部分，轧辊 的数目和不同布局形式决定了轧机的不 同类型和工艺能力。本轧机的轧辊系统 由五轧辊组成。分别为两个上支撑辊， 上轧辊，中轧辊，下支撑辊。( 见图 2 2 ) 图2 1 金属带轧机的结构 压下机构是压下量的调节机构，为 f i 9 2 1t h e p i c t u r e o f t h ec v t m e t a l 电动压下。通过调整压下量，保证两工 b “dr o n 诹m i l l 作辊辊缝的间隙量。从而轧制出一定厚度的金属带。 张紧机构用来维持金属带轧制过程中有足够的张紧力。这是金属带轧制的一 个必要条件。金属带只有张紧后，才会随着驱动辊的旋转，从辊缝的一侧进入， 另- n 移出，形成轧制速度。此外，金属带只有在张紧状态下，对其带长的在线 的测量才有实际意义。 1 0 东北大学硕士学位论文第二章金属带轧机的结构和控制要求 2 1 2 金属带轧机的辊系布局 金属带轧机的辊系布局如图2 2 所示，最下面的轧辊为下支撑辊，最上面的 两个为上支撑辊，中间直径较大的为中轧辊，直径较小的为上轧辊。各辊所起的 作用如下： 图2 2 轧机的辊系布局 f i g 2 2t h el a y o u t o f t h er o l l e rs y s t e mo f t h ec v tb a n d r o l l i n gm i l l 上、下支撑辊主要承受弯矩，起支撑的作用。可近似认为是承受全部的轧制 力引起的径向载荷。 中轧辊是驱动辊，其轴端通过万向联轴器与主电机轴相联。实现中轧辊的旋 转运动。它主要承受扭矩。轧制金属带时，环形金属带一端套在中轧辊上，另一 端套在张力辊上，张力辊固定在液压滑台的一端，在滑台的作用下，张力棍对金 属带加以一定的张紧力。金属带在中轧辊的带动下，不断向前移动，形成金属带 的位移和速度。 上轧辊是靠它与金属带之间的摩擦力传动的，而且轧制力引起的弯矩主要由 两上支撑辊承担，因此上轧辊可视为一既不受扭、又不受弯的轴，载荷可以忽 略。因此上轧辊壹径可以比中轧辊小。 轧机上轧辊与中轧辊两辊直径不等，为异径轧制，与等径轧制相比，有以下 优点： 东北大学硕士学位论文第二章金属带轧机的结构和控制要求 首先是小工作辊由于直径小而接触面积小，在轧制力不变的情况下单位压力 增大，作用于轧件上能够发生较大的塑性变形。提高了轧机的轧薄能力。同时， 减d t - 车l 辊直径，可以适当加大中轧辊直径。该轧机采用单辊驱动，加大中轧辊 直径有利于提高轧辊的抗扭能力。从而可以选择较高的轧制速度、较大的压下 量，减小轧制道次，提高轧机轧制效率。 2 2 金属带轧机的传动系统 2 2 i 金属带轧机的运动 金属带轧机的主运动为中轧辊的转动，小轧辊靠轧制时的摩擦传动，正常情 况下，两者的线速度相同。轧机主运动的转速是重要的轧制工艺参数，它不仅决 定轧机的功率、轧制生产效率，还直接影响金属带的加工质量。 压下运动是金属带轧机的进给运动，通过不同压下量实现金属带轧机两工作 轧辊辊缝间隙量的变化，从而轧制出不同厚度的金属带。 张紧运动是张力辊随同滑台的移动。张力辊安装在滑台上，由液压缸驱动。 金属带环在轧制时套在中轧辊和张力辊上，随着轧制的进行，金属带变薄、变 长，同时张力辊随同滑台移动，以保证有足够的张紧力。这是正常轧制的一个必 要条件。此外对金属带带长的控制要求可以转化为对中轧辊与张力辊的中心距 的控制。因此，金属带带长的控制问题转化为滑台的位置控制。 2 2 2 金属带轧机的传动原理 ( 1 ) 主传动 金属带轧机的主传动采用三相异步电机，经一级齿轮减速器输出。由于中轧 辊的轴线位置要求能够在竖直方向上调整，减速器输出轴与中轧辊轴通过万向联 轴器连接。为实现主传动的无级变速。采用变频器为三相异步电机提供电源。 ( 2 ) 压下进给传动 压下电机( 1 1 k w 1 4 0 0 r p m ) 的运动，经蜗轮蜗杆减速器( 传动比1 8 0 ) ，丝 杠螺母副( 导程3 m m ) 和斜面机构( 斜角9 。) 组成的降速传动链，实现轧机两 工作辊间隙微小调整量。 、电机每转的压下位移量为： 一1 2 东北大学硕士学位论文第二章金属带轧机的结构和控制要求 1 1 3 t a n 9 。：0 0 0 5 9 3 9 4 2 m i l l 8 0 压下速度为： 1 4 0 0 0 0 0 5 9 3 9 4 2 = 0 1 3 8 5 8 6m n l s 6 0 一 ( 3 ) 张紧传动 液压缸带动张力辊实现对金属带的张紧，滑台的位移和速度受金属带长度和 金属带长度变化率的约束。因此，工作行程，滑台的速度是受约束的。对于工作 行程，张紧力参数是需要控制的参数。返回行程由于负载为零，需要对滑台的运 动速度加以限制。 2 3 金属带轧机的控制要求 2 3 1 金属带轧制的工艺分析 金属带的控制参数是带厚和带周长( 简称带长) ，要求带厚均匀，在一定的 尺寸公差范围内。周长不仅要求尺寸公差，而且要求同一台机床上能轧制周长成 等差数列的一个尺寸系列的金属带。因为作为c v t 的传动带，要把数条金属带 叠在一起，要求内圈金属带环的外周长等于( 或略大于) 与之相邻的外圈金属带 的内周长， f s = s 。 ( 2 1 ) s 表示金属带环的内周长；s 表示金属带环的外周长，序号行为金属带环有 内而外的叠合次序。 由此可见，带长和带厚是金属带的控制尺寸。也是金属带轧机控制系统要解 决的中心问题。 2 3 2 金属带轧机工艺参数的控制 为轧制出尺寸合格的金属带，要求轧机能够对以下工艺参数进行控制和调 整： ( 1 ) 轧制速度 从轧机诸运动的功用来看，中轧辊的旋转运动是主运动，它占轧机消耗功率 的绝大部分。金属带在中轧辊的作用下，以一定的轧制速度通过辊缝，在轧制力 1 3 东北大学硕士学位论文第二章金属带轧机的结构和控制要求 的作用下发生塑性变形。金属带的轧制速度等于中轧辊外圆的线速度，是轧制工 艺的重要参数。轧制速度的控制可通过控制中轧辊的转速实现。为能够灵活的选 择轧机的轧制速度和节能降耗，要求主传动无级变速。 ( 2 ) 压下量 轧机的压下系统采用的是电动压下，压下进给是一个大降速比，微量迸给的 传动链。进给速度为0 1 3 8 5 8 6m m s 。在金属薄带的冷轧实践中，人们发现按 定压下量将金属带轧完一圈后，其轧小的厚度并不等于压下量，而是小于真实压 下量。因此，对于薄金属带的轧制，压下量的控制并不完全等同于带厚控制，考 虑到轧制时轧辊在接触区的弹性变形，辊缝在静态时往往要调整至接近零间隙， 才能轧制出需要的薄金属带。为此，压下量的调整需要通过试轧来确定，需要一 个摸索的过程。从某种程度上讲，目前压下量的调整只是为轧制金属带提供合适 的轧制力。而金属带的厚度尺寸是通过间接控锖8 带长实现的。 ( 3 ) 张紧力 t 金属带的张紧力是金属带正常轧制的必要条件，张紧力不能过大，也不能过 小。如果张紧力不足，金属带在轧制过程中就会发生打滑，因此金属带周长上各 点的轧制次数不等，某些部位会被反复轧制，造成金属带厚度不均。此外，由于 冷轧制时的加工硬化，各点的轧制次数的不均匀，还会造成金属带各处机械性能 的不一致性，在整条金属带形成力学性能的薄弱环节。如果张紧力过大，随着轧 制时金属带的逐渐交薄，金属带在张紧力弓 起的拉应力作用下发生塑性变形，也 可能造成带厚不均，金属带机械性能下降。为此要求张紧力在保证可靠张紧的条 件下，逐渐减小。 ( 4 ) 张力辊( 或滑台) 位移检测 金属带轧制时，张力辊与中轧辊的中心距随着金属带的轧薄，逐渐增大。该 中心距的变化与金属带周长的变化相对应。当金属带周长轧到给定长度时，张力 辊相应的移动到某一确定的位置。要求轧机主运动在张力辊到位后即停止。从而 轧制出带长尺寸合格的金属带。 2 3 3 金属带轧机的动作控制 金属带为环形闭式钢带，上带时要将金属带的一端套在中轧辊上，另一端套 在张力辊上。采用手工装卸的方式。为此，轧机的工作方式为半自动方式。 动作顺序为： 1 4 东北大学硕士学位论文第二章金属带轧机的结构和控制要求 1 ：金属带张紧，2 ：轧辊压下，3 ：轧制( 中轧辊运转) ，4 ：停止( 中轧辊 停转) ，5 ：轧辊抬升，6 ：松