（机械工程专业论文）冷轧薄板拉矫机延伸率控制策略与模型研究.pdf

at h e s i si nm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s t u d yo nt h em o d e l i n ga n ds t r a t e g yo fe l o n g a t i o n c o n t r o ls y s t e mf o rat e n s i o nl e v e l e ro fc o l dr o l l i n g b yz h a n gj i n g m a n s u p e r v i s o r ：v i c ep r o f e s s o r z h a oc h u n y u n o r t e a s t e r nu n i v e r s i t y m a y 2 0 0 7 独创性声明 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的地方外，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诚挚的谢意。 学位论文作者签名：多谢蛋 签字e t 期：矽c ；j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：动搬 导师签名： 签字 日 期：砂多歹签字e l 期： 东北大学硕士学位论文摘要 冷轧薄板拉矫机延伸率控制策略与模型研究 摘要 冷轧板材在连续生产过程中，普遍使用拉矫机。带材在拉伸、弯曲的联合作用下， 发生弹塑性变形，由此实现工艺目的。在冷轧带钢的酸洗轧制工艺中，为了提高热轧带 钢表面酸洗质量和获得好的轧前带钢的板形，在酸洗轧机联合机组的入口段布置了拉矫 机用于破鳞，以疏松表面氧化层及其他杂质同时改良板形。在连续热镀锌工艺中，为了 获得良好的板形，消除板面的浪边、浪形、瓢曲以及轻度的镰刀弯，改善材料的各向同 性，消除屈服平台，阻止滑移线的形成，同样也设置了拉矫机以实现上述工艺要求。 本文的研究对象是马钢股份有限公司某冷轧板厂连续酸洗轧机联合机组( p i c k l i n g a n dt a n d e mc o l dm i l l i n gl i n e ，简称p l t c m ) 和连续热镀锌机组( c o n t i n u o u s h o t d e e p g a l v a n i z i n gl i n e ，简称c g l ) 中装备的2 套带钢拉矫机( t e n s i o nl e v e l e r ，简称t l ) 。针 对上述两套带钢拉矫机在实际生产中出现的各种问题，通过理论分析与现场试验相结合， 找出了导致问题产生的原因，即拉矫机张紧辊传动控制方案的不合理，提出了有效的解 决措施。 热镀锌机组中拉矫机致使带钢产生“振动纹 的根源是带钢的张力波动，表现为带 钢与张力辊之间的摩擦打滑。通过理论和试验分析，提出影响带钢张力波动的原因有三 个主要因素，即拉矫机的入口出口张力波动，拉矫机张紧辊的辊面状态与辊径，以及电 机的力矩的设定。而在酸洗轧机联合机组中，拉矫机工作辊寿命短、张紧辊辊面磨损严 重，其主要原因则是辊系的力矩分配不合理与负荷不均所致。 为了解决上述两系统在生产中存在的问题，本文重点研究- 拉矫机的张紧辊传动系 统的动力学特性。这两套拉矫机均属于集中驱动加二自由度的差动轮系的结构，其传动系 统是由两个和六个混合驱动的行星差动齿轮结构的组合。而这种传动系统存在着力矩匹 配、补偿问题。论文从机械运动学和动力学的角度，选择广义坐标，应用拉格朗日方程 建立运动微分方程，对传动链中的差动齿轮的力矩传递规律及功率与力矩的分配关系进 行了较详细的理论分析，得出了差动齿轮副稳定工作的条件。 在生产过程中，两套带钢拉矫机的传动系统为采用开环控制方式。带材生产线上设 东北大学硕士学位论文 摘要 置拉矫机的目的是获得精确的延伸率，而开环控制方式有一个不可克服的缺点是拉矫机 的运行容易受到机组元部件的不同状态的影响，导致控制系统的稳定性、精确性出现异 常。因此，开环控制方式无法满足生产过程的要求。本文在分析了上述两套拉矫机的结 构和系统组成的基础上，根据二自由度的混合传动机构的速度及力矩分配公式，提出了 延伸率的直接控制和张紧辊扭矩负荷的闭环控制。后者对于获得精确的延伸率控制也是 必须的。通过将该构想建立在酸轧联合机组的拉矫机机电控制系统上，设计了一套方案， 对方案作了较详尽的分析，对于扭矩负荷的闭环控制，通过对变频器的数学模型，借助 于计算机仿真，证明了上述控制构想是可行的。为可能的现场改造以及新拉矫机的引进、 设计提供了理论依据。 关键词：拉矫机，延伸率闭环控制，转矩闭环控制，策略，模型 东北大学硕士学位论文a b st r a c t s t u d yo nt h em o d e l i n ga n ds t r a t e o f e l o n g a t i o nc o n t r o l s y s t e mf o rat e n s i o nl e v e l e r o fc o l d r o l l i n g a bs t r a c t t e n s i o nl e v e l e r s ( s h o r t l y , t l ) a r ew i d e l ya n dp o p u l a r l ye m p l o y e di nt h ec o n t i n u o u s t r e a t i n go fc o l ds t r i pl i n e s u n d e rt h ec o m b i n a t i o no ft e n s i o na n db e n d i n g ，t h eb a n dm e t a l l i c m a t e r i a lt a k e sp l a c ed e f o r m a t i o nf o rt h ep u r p o s et h et r e a t m e n t t li sn e c e s s a r yt oi m p r o v et h e s u r f a c ep i c k l i n gq u a l i t ya n dt og e tt h ep e r f e c tp r o d u c tw a v i n e s si nt h ep i c k l i n gl i n e ，t h a ti st l a r ea r r a n g e di nt h ee n t r ys e c t i o no fp i c k l i n gl i n et ol o o s et h es u r f a c el a y e ra n dt or e m o v et h e o x i d es c r a pa n do t h e rp a r t i c l e sa n dt oi m p r o v et h ew a v i n e s so ft h et r e a t e ds t r i pb e f o r er o l l i n g w h i l ei nc g l ，t li sa l s ot h ek e ye q u i p m e n tt oo b t a i nt h ep e r f e c tw a v i n e s s ，e l i m i n a t et h ee d g e f a u l t s ，i m p r o v et h em e t a li s o t r o p y , b a n i s ht h el o n gy i e l dl i n e ，a n ds t o pt h ef o r mo fm e t a l l i c s l i d e t h eo b j e c to ft h i sp a p e rm a i n l yc o n c e r n st & bl e v e l e r s ，e q u i p p e da tr e s p e c t i v e l yt h e p i c k l i n ga n dt a n d e mc o l dm i l lu n i t el i n e ( s h o r t l y , p l t c m ) a n dc o n t i n u o u sh o t - d e e p g a l v a n i z i n gl i n e ( a l s os h o r t l y , c o l ) o ft h ec o l dm i l l i n gp l a n ti no n ea n h u ii r o n & s t e e l c o m p a n y f i r s t l y , t h ee q u i p m e n tc o n s t i t u t e s ，f u n c t i o na n de m p l o y i n gp r o p e r t i e so ft la r es e t f o r t h ，f r o mt h ev i e wo ft h e o r e t i ca n a l y s i sa n dj o b s i t ee x p e r i e n c e s ，t h ed e t a i l e dc h e c ka n d a n a l y s i so ft h ea c t u a lp r o b l e m so c c u r r e di nt h ea b o v et w ol e v e l e r sa r eg i v e n a n dm e a n w h i l e ， v i at h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h ea c t u a lp r o b l e m s ，t h el e v e l i n gp r i n c i p l e sa n dt h er e a lr e a s o n st h a t c a u s et h ep r o b l e m sa r ey i e l d e d s e c o n d l y , v i at h ec o m b i n e da n a l y s i so ft h em e c h a n i c a la n d e l e c t r i c a ls y s t e m ，a n dt h em a t c hr e l a t i o n so ft o r q u eo u t p u to fd i f f e r e n t i a lg e a ra n dv e l o c i t ya r e f o u n d f i n a l l y , s o m ev e l o c i t y f o r m u l aa n dt o r q u ec o n t r o lo fc g u st la r ei n f e r r e da n d v a l i d a t i n gt h ea c t u a la d j u s t m e n t t h er o o tr e a s o no ft h ea p p e a r a n c eo fs e r i o u s “v i b r a t i n gg r a i n i nt h ec g lp r o d u c ti st h e t e n s i o nf l u c t u a t i o no ft h es t r i pa n dm a n i f e s t st h ef r i c t i o ns l i d eb e t w e e nt h es t r i pa n dr o l l t h r e e k e yf a c t o r sa r ec l e a rv i at h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n da c t u a le x p e r i m e n t s ：t h et e n s i o nf l u c t u a t i o n o ft h ee n t r ya n de x i ts t r i po ft l ，t h ed i a m e t e ra n ds u r f a c ec o n d i t i o no ft h et e n s i o nr o i l sa n dt h e s e t - p o i n t so ft h et o r q u em o t o r s a n dt h em a i nr e a s o n st h a tc a u s et h es h o r ts e r v i c el i f eo f w o r k i n gr o l l s a n ds e r i o u sw e a r o ft e n s i o nr o l l si n t h ep l t c ma r e t h eu n r e a s o n a b l e d i s t r i b u t i o no f t o r q u e so f r o l l sa n dt h eu n b a l a n c eo fl o a d s i v t h ed i f f e r e n t i a lg e a ro ft h ed r i v i n gc h a i ni n s i d et l b e l o n g st ot h eg r o u po ft w of r e e d o m o r g a n i z a t i o n v i e wf r o mt h ed r i v i n gm o d e s ，t o r q u em a t c ha n dc o m p e n s a t i o na r ev e r ye s s e n t i a l t ot h ec o n c e n t r a t i n gd r i v e s t h a ts a y st h et o r q u e ss h o u l db ed i s t r i b u t e da n dc o m p e n s a t e di nt h e d r i v i n gs y s t e mo ft e n s i o nl e v e l e rw h i c he m p l o y st h ef o r mo ft h ec o n c e n t r a t i n gd r i v e s s o t h e p a p e r , f r o mt h eo p i n i o no fd y n a m i c s ，e s t a b l i s h e st h em o t i v ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n “as e l e c t i n g t h ea v a i l a b l ec o o r d i n a t e sa n da d a p t i n gt h el a g r a n g ee q u a t i o n ，a n df t l r t h e ra n a l y s e st h e t o r q u e t r a n s m i t t i n gr e g u l a t i o no fd i f f e r e n t i a lw h e e l si nt h ed r i v i n gs y s t e m s o ，t h eb a s i cp r e c o n d i t i o n s 1 f o rt h es t e a d yo p e r a t i o no ft e n s i o nl e v e l e ra r ec l e a r a n da l s o ，s o m ea c t u a le x p l a n a t i o n sa r e g i v e nu n d e rt h ed i f f e r e n to p e r a t i n gm o d e so fd i f f e r e n t i a lm a t c h t h ed r i v i n gs y s t e mo ft h et w ot l si sa n o p e nc o n t r o ll o o pi nt h ep r o d u c t i o n t h eg o a l w h i c hs e tt l l et li nt h el i n ei sg a i nt h ee x a c te l o n g a t i o n ，t 1 1 et w ot l so b v i o u s l yf a l ls h o r ti s t h a ti ti se f f e c t e db yt h et l p a r t se a s i l ya n di tc a u s et h ec o n t r o ls y s t e mi n s t a b i l i t ya n d i m p r e c i s e s ot 1 1 eo p e n i n gl o o pc o n t r o ls y s t e mc a n tc o n t e n tt h ep r o c e s s r e q u i r e m e n t b a s e do nm ea b o v e t h ea n a l y s i sa n dt h ev e l o c i t ya n dt o r q u ed i s t r i b u t i o nf o r m u l ao ft w of r e e d o mm i ) 【e dd r i v i i l 2 m a c h i n e r y , n e wc o n t r o lc o n c e i v ea l ep r e s e n t e d ，t h a ti s ，t h ed i r e c tc l o s e dl o o po fe l o n g a t i o n c o n t r o la n dc l o s e dl o o po ft o r q u ed i s t r i b u t i o no fa l lt e n s i o nr o l l s a n db yt h eh e l po ft h e 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i v 目录 符号说明i x 第1 章绪论l 1 1 选题和工程背景l 1 2 冷轧薄板拉矫技术国内外研究现状2 1 2 1 拉矫机的适用范围2 1 2 2 国内研究现状2 1 2 3 国外研究现状3 1 3 本文所作的主要工作3 第2 章带钢拉矫机矫直原理及设备组成6 2 1 概述6 2 2 拉矫机的工作原理7 2 3 拉矫机的设备组成9 2 3 1 酸洗机组拉矫机的设备组成1 0 2 3 2 热镀锌机组拉矫机的设备组成1 1 2 4 拉矫机的控制系统1 2 第3 章拉矫机在生产中出现的问题及原因分析1 4 3 1 拉矫机在实际使用中出现的问题1 4 3 1 1 酸洗机组拉矫机在实际使用中出现的问题1 4 3 1 2 热镀锌机组拉矫机在实际使用中出现的问题1 5 3 2 解决问题的对策1 6 3 3 问题原因分析1 9 3 3 1 控制系统设计的缺陷1 9 v 1 东北大学硕士学位论文 目录 3 3 2 振动纹的力学分析2 0 3 4 小结2 0 第4 章拉矫机传动系统力学分析2 2 4 。1 概述2 2 4 2 拉矫机传动系统的运动学分析2 2 4 3 拉矫机传动系统的动力学分析2 3 4 4 拉矫机传动系统稳定性分析2 5 4 5 差动轮系机构的功率分析。2 6 4 6 酸洗拉矫机差动轮系机构的计算分析2 8 4 7 小结31 第5 章拉矫机延伸率控制策略和模型研究3 2 5 1 概述3 2 5 2 拉矫机延伸率控制策略3 3 5 2 1 热镀锌机组拉矫机延伸率控制设计3 3 5 2 2 酸洗机组拉矫机延伸率控制设计3 3 5 3 拉矫机延伸率控制模型3 4 5 4 控制理论3 6 5 4 1 延伸率闭环伺服控制工作原理3 6 5 4 2 张紧辊扭矩负荷闭环控制原理3 8 5 5 控制系统的实现4 5 5 6 控制系统仿真分析4 6 5 7 小结4 8 第6 章总结4 9 6 1 结论4 9 6 2 展望4 9 参考文献51 附录一5 4 致谢5 5 攻读学位期间发表的学术论文5 6 v t t 东北大学硕士学位论文 符号说明 符号说明 t l ：t e n s i o nl e v e l e r 拉矫机 p l t c m ：p i c k l i n ga n dt a n d e mc o l dm i l l i n gu n i t e dl i n e 酸洗轧机联合机组 c g l ：c o n t i n u o u s h o t - d e e pg a l v a n i z i n gl i n e 热镀锌机组 r ：r o l l 辊子代码，辊子半径( r a m ) d ：辊子直径( 衄) a s h o r e ：邵氏硬度a m 转矩( n m ) ，电机代码 e ：延伸率( 小写) ，动能( 大写) n x x x x 的转速，r m i n 尺a 辊面粗糙度，l a i n k ：x x 的张力，n f ( 小写) ：带钢与辊面之间的摩擦系数，n m j x ：x 的转动惯量 。 魄，q x ：x 的角速度，r a d s ；旋转角度，r a d 乙：齿轮代码，以及x x 的齿数 丁：采样周期，s c n t ：c o u n t e r 计数器 乃：调速电机的转矩，n m c o m ：调速电机的转速，r a d s 厶施：调速电机b 、c 相电流，a v a b ；调速电机a 、b 相电压，v v a b f u n d ：调速电机a 、b 相电压幅值，v 1 a f u n d ：调速电机a 相电流幅值，a 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题和工程背景 冷轧带钢在连续生产过程中，普遍使用拉伸弯曲矫直机( 以下均简称拉矫机) 来实 现其工艺目的。马钢股份有限公司冷轧板厂的连续酸洗轧机联合机组及1 # 、2 。连续热镀 锌机组均装备了拉矫机。前者用于热轧板的破磷和板形矫直为随后的酸洗、轧制作准备， 后者作为冷轧工序的成品机组，用于进一步提高板形质量。马钢冷轧各机组自2 0 0 3 年年 底先后投入使用，在三年多的时间里，上述两条机组的拉矫机均存在一定的问题。 从酸洗机组的整体设计来说，拉矫机的功能对保证整体生产的质量起着关键作用， 拉矫机用于对热轧来料( 厚度通常1 5 5 5 m m ，宽度9 2 0 1 6 0 0 m m ) 板形的矫直和表面氧 化层的疏松( 即“破鳞”) ，以利于随后的酸洗效果以及冷连轧轧制。该拉矫机设计为两 弯一矫形式，由于该拉矫机承担着表面氧化层疏松的任务，所以每卷带钢均要求拉矫机 投入使用。 1 4 连续热镀锌机组用于在冷轧退火带钢表面采用热镀的方式在带钢表面镀上一层 锌，以延长钢板的使用寿命。该机组的成品主要用于建材、家电工业，如建材板、冰箱， 洗衣机和部分汽车工业，如奇瑞、江淮等品牌汽车的内板等。经过酸洗冷连轧轧制的带 钢( 厚度通常0 3 2 5 m m ，宽度9 0 0 15 7 5 m m 的超低碳钢) 开卷后，再进行碱洗除油， 退火和热镀处理。镀锌板主要应用于汽车工业和家电业，特别是汽车的外板以及家电的 面板，因此对镀锌板的表面形态要求非常严格。因此为确保成品镀锌带钢的板形良好， 在热镀锌后该机组装备了拉矫机。该机组装备拉矫机的主要目的即为消除冷轧带钢表面 的三维缺陷，获得良好的板形。总而言之，若来料带钢的板形质量较差，则必须要求拉 矫机能良好地投入工作，以确保成品质量。目前我厂的拉矫机一直要求投入使用。 布置拉矫机的目的为使带材在拉伸、弯曲的联合作用下发生弹塑性变形，由此实现 工艺目的。具体地讲，延伸率的获得精度是最关键的。延伸率的实现有很多前提，如产 生张应力的张紧辊组，以及产生弯应力的小辊径的工作辊组。延伸率稳定的另一个前提 是带钢在通过整个拉矫机本体时，希望速度是均匀的，张力也是稳定的，没有突变、波 动大等现象。速度和张力的此种要求通常应该由系统的机电设计来保证。而现有使用的 拉矫机往往由于系统设计上的缺陷、不足，导致速度、张力不能稳定，容易受到干扰。 因此采取必要的、有效的措施来防止带钢速度、张力的异常波动，获得允许的精度范围 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 内的带钢实际延伸率大小在现场有现实意义。同时，由于系统的先天设计的局限性，对 控制系统进行彻底解决改造，难度很大，一方面生产节奏不允许，另一方面，改造也要 建立在充分研究、反复论证的基础上。因此，根据现有拉矫机在实际使用中发生的问题， 以及对问题的分析和采取的对策措施，提出了理想的拉矫机的机电设计，从系统设计阶 段防止使用中产生的问题。这是本论文选题的工程背景，也是现场生产工作的迫切需要。 因而，本论文是来源于现场实践，论文的成果和结论又有利于现场，对现场的工作具有 明确的指导意义。 1 2 冷轧薄板拉矫技术国内外研究现状 1 2 1 拉矫机的适用范围 拉矫机主要应用于带、板材工业，在钢铁行业和有色金属的深加工领域均有广泛应 用。带材在拉应力和弯应力的叠加作用下发生弹塑性变形，塑性变形的参与是不可恢复 的，部分即表现为带材所获得的延伸率。如有色工业中的铝板，铜板的板形矫正，以及 钢铁行业的钢板的板形矫正和表面破鳞。相比钢板的矫正，有色工业中用的拉矫机由于 板材的屈服点低，延伸率可以很大，如可达3 0 。因而控制操作难度相对来要小。钢板 的矫正却要复杂的多，通常延伸率仅为0 ，- - - 4 。而且通常钢板的生产往往伴随着高速生 产的特点。另外钢铁材料的自身的物理特性决定了矫直，变形对钢板基体机械性能产生 较大影响。因而控制难度较有色工业的应用要复杂的多。 在钢铁业，拉矫机主要应用于带材的冷轧领域。以马钢冷轧项目为例，该冷轧项目 中配备有拉矫机的有酸轧联合机组，1 # 热镀锌机组，2 # 热镀锌机组，纵切机组。其中， 酸洗机组的入口段布置了采用了日本三菱公司设计，制作的拉矫机，该拉矫机除矫正板 形外，还用于破除去热轧板上的“鳞片 ，方便随后的酸洗，冷连轧轧制。1 # 热镀锌机 组布置采用了新日铁公司设计，制作的拉矫机，2 # 热镀锌机组布置采用了德国西马克公 司设计制作的拉矫机，均用于进一步矫正平整后的板形，改善机械性能同时获得用户期 望的表面粗糙度；纵切机组也装备了采用意大利费米公司的拉矫机，主要用于板形的改 善，材料屈服平台的改善。本论文的对象为采用日本三菱公司设计，制作的酸轧联合机 组上装备的拉矫机以及采用日本新日铁技术的1 # 热镀锌机组装备的拉矫机。 1 2 2 国内研究现状 国内研究随着改革开放初期大型项目的引进，逐渐对该领域的研究也多了起来。但 目前研究的主要内容是对拉矫工艺的消化吸收。限于国内制造业的整体水平与国外仍有 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 明显差距，已建的以及预计将来引进的仍以国外进口为主。国内由于目前尚不具备独立 提供成套大型拉矫机的能力，仅能够制作部分工作辊，支撑辊、辊盒等零部件设备。而 且相应的设备方面的研究也是很少。主要在小型钢铁企业以及有色工业领域内限于成本 投入有少量的仿制设备应用。 拉矫机在国内的使用与我国的冶金工业的发展密切相关，具体的讲，与我国冷轧项 目的上马直接相关，7 0 年代，武汉钢铁公司上马了1 7 0 0 m m 冷轧项目，该项目中即采用 了拉矫机。7 0 年代末8 0 年代初，宝钢上马，在其2 0 3 0 冷轧中布置了5 台拉矫机。近年 来随着国内大量的新冷轧项目建成或在建，作为冷轧工程的必备装置之一，拉矫机在国 内有越来越多的应用。限于国内加工设计的水平，大规模的冷轧项目中无一例外的采用 国外设计、制造的拉矫机。 从现有的文献看，国内各科研单位，如有色金属设计院，北京钢铁设计总院，北京 科技大学等单位，对拉矫机均有论述不时问世。9 0 年中期之前，论述主要还集中在拉矫 机工艺的介绍，矫直工艺的研究。近年来，拉矫机的应用方面的文献较少。拉矫机使用 过程中暴露出来的问题方面的论述更少。这可能与科研单位脱离现场的实际生产有关。 1 2 3 国外研究现状 如前所述，拉矫机是冷轧生产链的一个重要环节，因此国外著名的轧钢设备供应商 均在拉矫机项目上有领先的研究。国外著名的冷轧设备供应商欧洲的有德国s m s d e m a g 公司，奥地利的v a i 公司，以及日本的m i t s i b u s h i - - h i t a c h i ，n s c 公司。上述公司生产 的拉矫机均在国内有应用。马钢冷轧单元中装备的拉矫机均采用国外技术，基本上反映 了国外的拉矫机的发展。拉矫机的使用状况与控制系统的设计紧密相关。从现场实际看， 拉矫机的出现的各种问题根源是多方面的。但其中一个最重要的根源集中在控制系统的 设计上，表现为控制手段不够，检测元件布置少，操作中对经验依靠大。这是与现代化 大规模连续生产是相悖的，具有很大的实现难度。 1 3 本文所作的主要工作 如前文所述，带钢拉矫机是冷轧生产链的重要一环，且在生产中暴露出来各种问题， 其中最重要的是传动系统的控制实现不足。因而对带钢拉矫机进行深入研究是现场实际 生产的迫切需要，具有明确的工程意义。 带钢拉矫机传动链中的差动机构属于混合机械的研究范畴。对于差动机构这样的混 合机构的一些运动学和功率流方面的问题，有待于进一步分析和研究并在实践中不断完 - 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 善。同时，对于差动机构作为一种新的柔性驱动方案，非常有必要研究混合机械在运动 学、动力学和功率分配方面的问题，以及从控制角度考虑应采取的对策。本文正是在此 基础上对拉矫机这一包含有典型差动行星轮系的混合机构进行深入研究。 作为一篇论文，要考虑到其体系的完整性、科学性。本文从组织结构上，共划分为 六章。第1 章主要对论文选题的工程背景作些介绍，以酸洗机组以及1 # 热镀锌机组中 装备的拉矫机作为研究对象，同时介绍了国内外该课题的研究情况。论文的第2 章主要 对拉矫机矫直机理及设备组成作了详细的分析。随后第3 章分析了酸洗机组以及1 # 热 镀锌机组在现场实际使用中出现的故障现象并提出了相应的应对措施。特别是对1 # 热 镀锌机组拉矫机矫直后带钢表面出现的严重的“横向振动纹”详细进行了分析。拉矫机 的张紧辊传动链中的差动轮系属于二自由度的混合传动机构。从驱动方式上来看，集中 驱动带差动机构的拉矫机传动系统存在着力矩匹配、补偿问题。论文的第4 章从机械运 动学和动力学的角度，并用拉格朗日方程建立运动微分方程，对传动链中的差动齿轮的 力矩传递规律作了较详细的理论分析，明确了差动齿轮付稳定工作的基本要求；并对中 心轮在不同工作模式下，差动齿轮付的运动作了具体阐述。 通过对拉矫机传动机构的控制系统的分析，仿真，寻找规律性的结论。在可能的影 响因素发生变化时，如：辊径修磨，辊面粗糙度劣化，以及带钢材质以及规格发生变化 时等外界因素时，系统能够在允许范围内自动适应这些因素的变化或者人工有目的地干 预。从而保证拉矫机的正常运行。 作为本论文研究对象的两套带钢拉伸弯曲矫直机，从现场使用实践的角度来说，传 动机构的控制系统的设计明显存在不足，即传动系统为开环结构。论文的第5 章在分析 了上述两套拉伸弯曲矫直机的结构和系统组成的基础上，根据二自由度的混合传动机构 的速度及力矩分配公式，提出了新的控制构想，即延伸率的直接闭环控制和张紧辊扭矩 负荷的闭环控制。并将该构想建立在酸轧联合机组的拉矫机机电控制系统上，通过在二 级传动链中增设行星差动齿轮机构和交流变频调速电机，同时在拉矫机的主导张紧辊上 增设旋转编码器，对辊子的转速直接采样实现对延伸率的直接闭环控制。同时，为了实 现对张紧辊所受到的负载进行合理分配，在张紧辊轴承座下安装压力传动器，获得张紧 辊所受扭矩的实时值。并由该测量值输入到扭矩负荷平衡的算法器中，在辊系负载分布 偏离设定值时，调整力矩电机的速度，由此构成负载的闭环控制。最后对由变频器实现 调速的电机，借助于计算机仿真，证明了其控制构想是可行的。论文的最后一章对全文 进行了总结，指出为更好地发挥拉矫机拉矫的优点，避免出现的各种问题，控制系统的 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 设计至关重要。论文的结论可以提高对拉矫机的认识，也为可能的现场改造以及新拉伸 弯曲矫直机的引进、设计提供了理论依据。 东北大学硕士学位论文 第2 章带钢拉矫机矫直原理及设备组成 第2 章带钢拉矫机矫直原理及设备组成 2 1 概述 对于钢铁或有色金属板、带材产品可能采用的加工工艺，主要有酸洗、镀锌、镀锡、 彩涂等，无论是哪种，目标产品质量都与一个重要的中间环节密切相关，即用延伸率控 制设备进行处理，可以达到的产品质量指标包括： ( 1 ) 成品具有出色的表面平直度，即好的带材板形； ( 2 ) 成品具有良好的深冲性能，满足下游相关工业的工艺需求； ( 3 ) 成品具有合适的表面粗糙度要求，这一点对于下游的表面涂镀工艺是关键需求； ( 4 ) 成品同时要具有符合产品用途要求的其它力学性能。 这些机械加工环节均是由生产线上安装的众多的延伸率控制设备来完成的。从材料 力学的拉伸实验曲线中可以清楚地看到，低碳钢在受到渐大的拉力作用下，表现出明显 的“屈服平台”。这个屈服平台的存在，造成了应力曲线的多边性，这就是为人所知的“表 面发裂 现象，该现象会在随后的加工过程中使带材表面出现缺陷。 通常在冷轧生产线中，可以通过以下手段对各工序的带材施加冷塑性变形，即可以 消除屈服平台： ( 1 ) 低延伸率平整； ( 2 ) 给带材施加张力，同时在小直径的工作辊上弯曲带材。 在延伸率控制下加工带材的优点主要体现在材料的屈强比上，可以3 n - r 出屈服强度 和抗拉强度非常接近的带材，而加工过程中没有断带的风险。对于给定的操作延伸率保 持恒定，理想条件下可以不受以下任何因素的影响： ( 1 ) 带材厚度的变化； ( 2 ) 带材宽度的变化； ( 3 ) 带材的力学性能或冶金性能； ( 4 ) 生产线速度的变化； ( 5 ) 摩擦系数的变化。 延伸率控制技术可以应用于所有的扁平材产品，例如：用于深冲处理的超低碳钢、 高屈服强度的钢种、硅钢、涂层钢( 镀锌、镀铝、镀锡、镀铬等) 、铝合金和其他有色金 属、不锈钢等。 东北大学硕士学位论文 第2 章带钢拉矫机矫直原理及设备组成 2 卜弯曲辊2 一矫平辊3 一带钢 图2 - 1 弯曲辊和矫平辊配置示意图 f i g2 - 1t h es c h e m eo fb e n d i n gr o l la n dl e v e l i n gr o l l 冷加工过程弯曲辊和矫平辊配置如图2 1 所示。冷加工的目的是通过对产品进行延 伸处理( 在两根小辊径的工作辊上交替弯曲而施加张力) ，从而消除屈服点。 张力矫直的用途是将带材所有纵向纤维拉伸到相同的长度，从而改善产品平直度， 用四辊或六辊矫直设备给带材施加弹性一塑性变形，获得要求的延伸率。另外在酸洗线上 用的除鳞张力矫直机是为了提高酸洗效率以及改善带材平直度板形。改善后的平直度大 大提高了盐酸酸槽的酸洗质量以及漂洗槽挤干辊的效率，改善了切边剪和后序活套的总 体性能。 矫直辊之后有一根抗横弯皱辊，用以消除带材经过小辊径的工作辊后产生的横向褶 皱。最后还有一个抗纵褶皱的装置。 2 2 拉矫机的工作原理 拉矫机是利用拉应力和弯曲应力的叠加作用而使带材产生弹塑性变形，从而达到矫 直板形的目的。如图2 2 拉矫带钢的塑性变形区示意图，带材至少通过一组弯曲辊和一 f o i _ | t 一 辑l ( _ l 弩曲堰)黜( 弯曲辑蝇，( 矫平裎)宴际延伸搴 图2 - 2 拉矫带钢的塑性变形区示意图 f i g2 - 2t h es c h e m eo fp l a s t i c a l l yd e f o r m a t i o na r e au n d e rt l 7 东北大学硕士学位论文第2 章带钢拉矫机矫直原理及设备组成 组矫平辊，在拉力作用下来实现矫直功能。在弯曲辊压下投入使用时，带材形成一种双 曲线形弯曲。一般来说带材弯曲段的曲率半径要远远大于弯曲辊半径。 对延伸率大小起决定性作用的是带材的最小曲率半径。在一定带材厚度，弯曲辊直 径以及插入深度的前提下，对于每种带材的张力，可以获得一个确定的最小曲率半径， 该曲率半径在极限情况下与弯曲辊的半径相等。 对塑性变形起决定作用的带材的实际曲率半径是由带材的厚度和弯曲辊半径比、带 材拉力、理论上带材和辊子的包角、材料的强度以及弹性模量确定的。另外，带材的运 行速度也是一个影响因素。通过工程实践和理论分析均得出对带材的延伸率的大小起决 定性作用的是带材的最小曲率半径。 冷轧带钢在轧制以及退火过程中，由于应力的不均匀分布，导致冷轧带钢的板形缺 陷，主要有以下两种： ( 1 ) 带钢的纵向纤维被不均匀的拉长，例如中浪，边浪等； ( 2 ) 带钢上下表面的不同的应变造成的缺陷，例如横向翘曲，纵向弯曲，镰刀弯等。 布置拉矫机的主要目的是尽可能纠正这些板形缺陷，获得规定范围内的表面形态。 带钢在张力作用下，经过小辊径的反复弯曲，使带钢具有一定的延伸，即带钢发生了弹 塑性变形。矫直变形是带钢的拉伸与大曲率弯曲的共同结果。 退火后的冷轧薄带钢在进入拉矫机前，其板形缺陷基本上可认为是三维的，即带钢 存在双向曲率。根据矫直工艺，在拉矫机的弯曲段，在预设延伸率下，带钢在张应力和 弯应力的共同作用下，由于大曲率变形，将三维缺陷转变为二维缺陷，此时弯曲程度变 大，即带钢表面的曲率增大。但此时双向曲率也变成了单向曲率。在随后的较小曲率的 矫平段，主要消除单曲率大变形的二维缺陷。由此，即可获得良好的板形。 采用拉伸弯曲方式来矫直带钢的板形，板材因受到张力拉伸和弯曲辊作用而具有纵 向、横向、垂直于表面的厚度方向等三个自由度的变形。因而，在所有轴线位置上的滑 移面都能活动，这就是采用拉伸弯曲矫直工艺的优越性。 不同的拉矫机可以采用不同的延伸率获得模式。酸洗机组和热镀锌机组的拉矫机电 机的驱动均为直接延伸率控制方式，系统设计时，采用了控制延伸率的思想。延伸率控 制思想主要有： ( 1 ) 带钢的延伸率大小严格