（机械工程专业论文）攀钢1450热轧平整机电液控制系统的研究与实现.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 摘要 攀枝花钢铁集团有限公司1 4 5 0 热轧板厂平整分卷机组采用了先进和适 用的技术和装备，在常温下对热轧后之碳素钢及低合金钢卷进行平整，提高 板材表面质量和板形以及改善机械性能，也可以作为钢卷分切线使用。 平整机伺服液压系统为平整机液压压下及工作辊弯辊控制系统提供液 压能源。整个液压系统由泵站、蓄能器装置、控制阀台、压下液压缸、压力 传感器、位置传感器、压力继电器及连接管路等组成。本项目做到了先进工 艺与装备的集成，即：自动化系统集成、液压辊缝控制( a g c ) 、板形控制技 术、自动延伸率控制( a e c ) 等。位置控制用于平整机辊缝标定时和穿带时 的辊缝关闭，以及辊缝标定后和平整后的辊缝打开，可以保证两侧液压压下 缸的同步运行。压力控制分轧制压力控制和弯辊力控制。轧制压力控制用于 平整机辊缝标定和平整操作，通过标定消除平整机机座各零件间存在的间隙 和接触不均；平整操作采取恒轧制压力控制方式，力求达到带钢全宽有均匀 的压力分布来矫正板形。弯辊力控制具有正、负弯辊控制功能，用于补偿由 于轧制压力的变化而引起的辊缝变化，可以用于矫正带钢中间浪形和双边浪 形。延伸率控制是通过变轧制压力控制来获得相同的带钢延伸率，以改善带 钢的平直度和机械性能。 平整机液压压下操作是由阀控液压缸实现的取决于控制阀、液压缸和 负载组合的动态特性在很大程度决定着整个系统的性能。在系统分析中按集 中参数虑，假定负载力主要由质量力、弹性力和阻尼力构成。在控制系统的 整个调节过程中，所有变量与其稳定值之间只发生微小的偏差。所以，就能 用经典控制理论解决实际系统的控制问题。 关键词：热轧平整机电液压伺服控制闭环系统延伸率 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t a d v a n c e dt e c h n o l o g ya n ds u i t a b l ee q u i p m e n ta r ee m p l o y e df o rs k i np a s s r e b u i l d i n gi n l 4 5 0h o ts t r 王pm i l lo f p a n z h i h u ai r o n & s t e e l ( g r o u p ) c o t h er e b u i l t s k i np a s sc a nb eu s e dt ou n k n i tc a r b o ns t e e la n da h o ys t e e ls t r i pi nn o r m a l t e m p e f a t u r e ，a n dc 8 ne n h a n c et h es t r i ps u r f a c eq u a l i t 乳e n s u r ee x p e c t a n ts t r i p s h a p ea n di n c r e a s em e c h a l l i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r i p t h em a c h i n ec a na l s o b eu s e df o rs h e a r s t r i p i n g a n e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v os y s t e mc a np r o v i d ec o n t r o lp o w e rf o rp r e s sa n d b e n d r o l l e f e q u i p m e n t so fs k i np a s s t h ee l e c t r o - h y d r a u l j cs e r v os y s t e m c o n s i s t so fp u m pg r o u p s ，a c c u m u l a t o r s ，c o n t f o lv a l v e s ，h y d r a u l i cc y l i n d e r s ， v a r i o u ss e n s o r s & n dr e l a y s ，p i p e l i n e sa n ds oo n t h ea d v a n c e dt e c h n o l o g ya n d s u i t a b l ee q u i p m e ma r ei n t e g r 砒e di nt h ei t e mo fs k i np r e s sr e b u i l t ，t h a ti n c l u d e a u t o m a t i cc o n t r o l ，a u t o m a t i c s e n s i n ga n dd e t e c t i n 岛s t r i ps h a p ec o n t r o l ， e x t e n s i o nr a t ea u t o m a t i cc o n t r 0 1 p o s i t i o nc o n t m li su s e df o rt h ea d i u s t m e n to f g a pb e t w e e nt 、m l l e r si nt h es k i np a s sw h i l em a c h i n ei sd e m a r c a t e do rt h e s t e e lt r i pi sp u l l e di n ，s ot h a t ，t h eg a pb e t w e e nt v p or o l l e f sc a nb ec l o s e da n d o p e n e da c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ld e m a n d i tc a na l s oe n s u r et h es y n c h r o n i z i n g m o t i o no ft w oh y d r a u l i cc y l i n d e r si nb o t hs i d eo fm es k i np r e s s p r e s s u r e c o n t r 0 1i su s e df o rr o l l i n gp r e s sf o r c ec o n t r o la n db e n d r o l l e ff o r c ec o n t r 0 1 t h e c o n t r o l s 盯eu s e dt oe l i m i n a t et l 撼a c c e 3 s o r yc l e a r a n c e sa n do d dc o m a c to fs k i n p a s s c o n s t a n tp r e s sf o r c ec o n t m li se m p l o y e dt os u p p l yu n i f o n np r e s s u r ei n w h o i es n 哇pw i d ei no r d e rt oo b t a i nu n i f b r ms t r i pt h i c j ci n 、v h o l ep r e s s o p e r a t i o n b e n d r o l l e rf b r c ec o n t r o lc a nb ep o s i t i v eo rn e g a t i v e ，s ot h a ti tc a n c o m p e n s a t eg a pc h a n g e sb e t w e e nt 、r o l l e r sd t ot h ep r e s 吼l r ev a r i e t y ，a n dc a n r e c t i f yt h ee r r o r so f m i d d l e - w a v ea n dd o u m e 、v a v ei np r e s so p e r a t i o n e x t e n s i o n f a t ec o n t r o lo ft h es t r i pi so b t 8 i n e db yp r e s s l l f ec o n t r o l ，a n dt h er a t ec o n t r o jc a n m e n dt h es t r i ps u r f a c eq u a l i t y ，a n dc a na l s o i n c r e a s em es t r i pm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s t h eh y d r a u l i cp r e s so p e r a t i o no ft h es k i np a s si sd r i v e nb yh y d r a u l i c c y l i n d e r sc o n t m l l e db yh y d r a u l i cv a l v e w h o l es y s t e mp e r f o 珊a l l c ei sr e s t sw i t h 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第l | i 页 t h ed y n a m i cc h a r a c t e f i s t i c sw h i c hr e l a t et oh y d r a u l i cv a l v e s ，h y d r a u l i cc y l i n d e r s a n dl o a d s i ns y s t e ma n a l y s i s ，t h es y s t e mi sc o n s i d e r e da sac o n c e n t r a t i n g p a r a m e t e ro n e ，a i i dt h el o a d sm a i n l yc o n s i s to fm a s sf o r c e ，s p r i n gf o r c ea n d d a m p i n gf o r c e w h i l et h ec o n t f o ls y s t e mw o r k s ，a l lt h ec o n t r o le 讲) r st a k e n p l a c eb e t w e e nt h ev a r i a b l e sa n di t ss t e a d ys t a t ev a l u e sa r er e l a t i v et i n y ，s ot h a t ， c l a s s i c a lc o n t l o lt h e o r yc a nb eu s e dt 0s o l v et h ea c t u a lc o n t r o lp r o b l e mo fs k i n p a s s0 p e r a t i o n k e yw o r d s ： h o ts t r i p ，s k i np a s s ，e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v o ， c d n t r o l ，c l o s el o o p s y s t e m ，e x t e n s i o nr a t e 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 1 1 论文的选题背景 第一章绪论 图卜1 攀钢1 4 5 0 热轧平整机组 钡铁工业作为基础产业在国民经济中具有举足轻重的地位。虽然我国已 经成为世界第一产钢大国，但在产品的质量和技术含量上和发达国家还有较 大的差距。因此，中国钢铁工业在经历了以数量扩张为主的发展时期后，也 开始进入规模扩展与产品结构调整并举、提高竞争力为主的新阶段。新一轮 的技术改造和新设备建设步伐正在紧锣密鼓的进行当中。令人遗憾的是，在 热轧带钢的生产工艺和设备领域内，从全面引进武钢1 7 0 0 m m 热轧开始，走 了近3 0 年的引进、消化、移植的道路，到目前为止还并没有走到尽头的迹 象。这样既阻碍了国内企业在此领域内的科技进步，又使大量的资金外流。 为了缩小与发达国家热轧带钢先进水平之间的差距，及改变产品和技术 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 贾 经济指标比较落后的局面，攀钢科技人员结合近1 5 年在现代化热轧带钢生 产建设方面自己的积累，围绕着生产工艺、设备、电气和自动化控制系统等 方面进行了大量的研究与开发工作。本次热轧新建平整分卷机组集国内外众 家之所长，选择具有国际先进水平的国内外技术、装备和自动化控制系统， 集国内有实力的设计、生产、科研和设备制造单位为一体，在工艺研究、设 备设计制造、自动化控制和生产技术开发等方面集中人才力量，实现了热轧 带钢精整技术和重大装备的全面现代化。 本项目依靠国内技术力量，做到了先进工艺与装备的集成，即：自动化 系统集成、液压辊缝控制( a g c ) 、板形控制技术、自动延伸率控制( a e c ) 等。平整分卷机组是我国建成后轧机的装机水平、工艺软件水平、控制水平 和产品质量水平达到国际先进水平，满足我国国民经济各部门对优质、高附 加值热轧带钢的需求，为轧钢厂的建设树立了国产化的样板。 1 2 热轧平整机液压控制技术的发展概况 随着钢铁冶轧技术及其自动化程度的不断提高，以及市场对成品带钢质 量( 如带钢的板形、机械性能和表面质量等) 的要求日益严格，热轧平整机 上液压控制技术的应用得到了较快的发展。 日本在六十年代逐步完成了平整机从电动压下到液压压下( 或液压推 上) 的技术更新，采用电液伺服液压缸代替传统的嫘杆、螺母压下机构来调 整轧辊辊缝和调节轧制压力具有以下特点： 1 ) 功率传递密度大，结构紧凑且过载保护简单，可靠。 2 ) 快速响应性好，调整精度高，提高了产品的成材率。调整加速度达 3 0 1 0 0 m m s2 ，调整速度达2 3 5 m m s ，可控的最小距离达o 0 0 2 5 彻，截止频 率高达1 6 2 0 h z 。相比之下，电动压下的调接加速度只有1 7 5 m m s 2 ，调整 速度只能达到1 舳s ，可控的最小距离为o 0 1 m m ，截止频率最高只有6 7 h z 。 3 ) 控制系统比较简单。采用液压系统和弱电控制系统代替了复杂的直 流电控系统。 4 ) 可以根据需要改变机座的当量刚度，实现定位控制和定压控制的切 换，以适应各种轧制及操作情况。 在1 9 6 6 年研制出能面向高强度带钢( o 4 0 k g m m 2 ) 的四辊平整机，除 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 了采用全液压压下( 或液压推上) 装置外，还采用了液压比例或伺服控制的 弯辊装置或v c 轧辊，使板形在线调整容易实现。另外，轧辊的锁紧、平衡、 换辊和研磨抛光均采用远程液压控制，操作方便可靠，大大提高了工作效率。 从七十年代开始，随着电子检测技术和计算机技术的发展，促进了液压 控制精度和检测测量精度的不断提高，控制系统的功能不断完善和控制范围 的不断扩大。因此，液压控制技术在热轧平整机的应用也逐渐成熟起来。德 国s m s 在热轧平整机采取了恒压力控制轧制技术的基础上，将延伸率控制更 加明确地纳入到自动控制系统之中，并且采用数字技术，构成数字、模拟控 制系统。这种控制系统具有设定速度快、控制精度高、控制灵活等优点，使 平整机的控制精度得到进一步提高。 在八十年代，国内只有宝钢2 0 5 0 和武钢1 7 0 0 热轧厂配备有完整的热轧 平整分卷机组，但作为热轧精整区重要的精整机组，其工艺技术、设备设计、 高低压流体系统及三电控制系统全由外商( 如s m s 、u b e 等公司) 提供，国内 对其技术的掌握完全处于空白状态。当时，即使涉及到一些平整分卷机组项 目也只能借助外商的力量进行部分非重点性的辅助工作。 进入九十年代，现代控制理论的应用和系统数学模型的逐步完善，控制 系统软件水平的提高，保证了液压控制技术在热轧平整机上得以广泛的应 用。 攀钢1 4 5 0 热轧平整分卷机组从项目招标开始就确定了立足国内、强强 联合的方式。攀钢与中冶赛迪工程技术股份有限公司( c i s d i ) 积极合作，自 主消化、吸收、开发的热轧平整分卷机组技术在国内同类机组中，其周期是 最短的。该机组于2 0 0 4 年4 月接受了功能考核验收，全部合格。机组生产 至今，运行良好，产品品质深得用户好评。可以说，到目前为止，攀钢h 5 0 热轧平整分卷机组是我国国产化最成功的热带精整机组。 1 3 热轧平整机液压控制的主要功能和控制方式 热轧平整机一般通过改变轧辊曲线和轧辊凸度来改变轧辊辊缝形状，并 对带钢旌加1 4 的压下量，由此有效的矫正了板形并改善带钢的机械性能 及表面质量。除了在平整轧制前借助于轧辊磨削确定轧辊凸度外，平整过程 中是通过控制液压压下装置和液压弯辊装置改变轧辊曲线，以实现平整带钢 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 的功能，具体分述如下： 矫正板形：由热轧生产线生产盼热轧钢卷的平直度不十分理想，为此将 钢卷冷却到一定的温度以下，在平整机上进行压下率为1 4 的轻挤压，对 带钢全宽施加均匀延伸来矫正平直度。 改善机械性能：通过平整机对带钢施加压力，随着轧制压力的增加，带 钢的屈服极限的延伸减小，抗拉强度增加，从而通过平整可以消除带钢因屈 服平台产生的拉伸应变和吕德斯线的皱纹缺陷，增加其弹性变形区域。 改善表面质量：通过乎整机对带钢施加压力，可以将轧制状态下的租糙 表面改善为光滑表面，也可以使带钢表面的氧化皮层产生龟裂，有利于下工 序的酸洗除氧化铁皮。 为了实现上述功能，平整机液压控制采取的控制方式有：位置控制、压 力控制邪延伸率控制，它们之间可以切换执行。 位置控制是平整机液压压下系统控制的基本功能之一。位置控制用于平 整机辊缝标定时和穿带时的辊缝关闭，以及辊缝标定后和平整后的辊缝打 开，可以保证两侧液压压下( 或液压推上) 缸的同步运行，都是为轧制压力 控制准备有利的条件。辊缝控制通过位置闭环控制实现，位置反馈来自安装 在压下液压缸上的位置传感器。另外，在平整机位置控制中还采取倾斜控制 方式。它从两侧液压压下( 或液压推上 缸分别获得位置信号来控制两者的 差值，在整个操作中一直起作用，可以用于矫正带钢单边浪形。 压力控制分轧制压力控制和弯辊力控制。轧制压力控制用于平整机辊缝 标定和平整操作，通过标定消除平整机机座各零件间存在的间隙和接触不 均；平整操作采取恒压力控制轧制方式，力求达到带钢全宽范围内有均匀的 压力分布，以便矫正板形。轧制压力的调节是建立在辊缝关闭基础上的，在 低于个设定的最小轧制压力值时，必须自动地转换到位置控制。弯辊力控 制具有正、负弯辊控制功能，用于补偿由于轧制压力的变化而引起的辊缝变 化，在没有采用板形闭环控制的平整过程中弯辊力设定值不变，可以用于矫 正带钢中间浪形和双边浪形。 延伸率控制是通过交轧制压力控制或张力控制( 控制方式为非液压控 制) 来获得相同的带钢延伸率，以改善带钢的平直度和机械性能。测量带钢 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 延伸率通常采用装在平整机入口和出口偏转辊上的数字高速检测脉冲发生 器检测带钢速度差来实现的。测量值和设定值的偏差经数，模转化为轧割压 力或张力的修正值，加到前一周期内测定的轧制压力或张力值上，其结果为 一积分响应。当通过轧制压力控制延伸率时，控制特性为线性关系。当通过 张力控制延伸率时，控制特性为较为复杂的函数关系。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 第二章热轧平整机液压控制的基本概念 2 1 概述 在热轧平整机结构中，液压压下( 或液压推上) 装置和液压弯辊装置是 关键的部件，在矫正板形、改善带钢的机械性能和表面质量等方面起主要作 用。为了更好地了解液压压下( 或液压推上) 和液压弯辊的控制功能，并确 定平整机采用合理的控制方式( 首先假定在平整机上可以采用各种控制方 式) ，必须明确平整机结构与液压控制相关的一些基本概念：机座自然刚度、 机座横向刚度、机座当量刚度和轧制压力。 2 2 机座自然刚度 热轧平整机在轧制时。由于轧制力的作用机座将产生一定的弹性变形， 变形量一般为2 5 m m 。机座的弹性变形可以分为两部分：一部分是轧辊的 弯曲变形，使轧辊轴线挠曲。这种变形除了加大原始辊缝外，还导致了辊缝 沿宽度方向的不均匀性；另一部分是由牌坊的拉伸变形、轴承系统和压下系 统的压缩变形、轧辊的弹性压扁等造成的，这些变形使轧辊的原始辊缝均匀 增加。因此，如果平整机采用恒辊缝控制方式时，机座弹性变形直接影响带 钢的轧出厚度、纵向和横向厚度偏差；当平整机采用恒压力控制轧制方式时， 机座弹性变形会引起板形的变化，以及影响轧制力控制的动态特性。 刁 k l - 型j “ 圈2 1 机座弹性变形曲线 图中，p 一轧制力，乳一轧辊预压靠力，s r 一轧辊原始辊缝。s 预压靠弹性变形 f 一机座弹性变形h 一轧件厚度。 f 一机座弹性变形h 一轧件厚度。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 为了平整机调整和工艺规程的安排创造有利条件，必须对机座弹性变形 在数值上加以确定。在热轧平整机上一般采用轧制法和轧辊压靠法来测定， 分别得到如图2 1 所示的机座弹性变形曲线： 由机座弹性变形曲线可见，在轧制力p 不大时，f 与p 为曲线关系，这 是因为机座各零件间存在间隙和接触不均匀而形成的。当轧制力p p o 后， 机座弹性变形f 与p 成直线关系，此直线的斜率为机座自然刚度系数c ，即： “= 等 ( 2 - ，) ， 、 式中。c 一机座的自然刚度系数， 舻一直线部分的轧制力变化，k n 厂一直线部分的弹性变形变化，m m 。 由公式( 2 1 ) 可知，机座自然刚度系数c 表示了机座抵抗弹性变形的 能力，即机座产生单位( 1 m m ) 弹性变形时所需的轧制力大小。它是平整机 结构所固有的特性，在一定的轧辊直径和轧辊圆周速度下轧制一定宽度的带 钢时，它基本上为常数。对于宽带钢平整机，机座自然剐度系数一般为 5 0 0 0 7 0 0 0 k n m m 。在设计确定机座的自然刚度时，一般只要使机座弹性变 形的波动值小于带钢厚度公差范围即可。 由于机座各零件间存在的间隙和接触不均匀是一个不稳定的因素，弹性 变形曲线的非直线部分经常是变化的，所以平整机一般采用人工零位法进行 轧制。即按照曲线0 k l ，以f 点作为人工零位，将压靠力为p o 时的两侧轧 辊辊缝值、倾斜度、轧制压力差设为零。当轧制压力p p o 时，可用以下公 式表示人工零位时的弹跳方程： = m 等 ( 2 - 2 ) 该弹跳方程直接表示了轧件厚度与辊缝和轧制力的关系。 2 3 机座横向刚度 对于热轧四辊平整机，在轧制时轧辊的弯曲变形和支撑辊与工作辊问的 不均匀接触变形将导致辊缝沿宽度方向的变化，引起带钢横向厚度偏差和板 形不良。平整机机座抵抗这种横向弹性变形的能力大小称为机座横向刚度， 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 可用下式表示： p g 。裔 ( 2 - 3 ) 式中，g 一机座的横向剐度系数，k n m m ； ，一轧制力，k n ； 酰一工作辊中部与其边部的厚度差，m m 。 由公式( 2 3 ) 可知，机座横向刚度系数c 。表示工作辊中部与其边部产 生单位辊缝差( 1 m m ) 时所需要的轧制力大小。 为了改善带钢的板形，热轧平整机一般采用合理的辊型设计和辊型调整 等措施。在辊型调整中普遍使用液压弯辊装置，尤其是采用弯曲工作辊的方 式，利用液压缸的压力，在工作辊两端施加附加弯曲力矩，可以加大( 负弯) 或减小( 正弯) 工作辊在轧制过程中所产生的挠度。使工作辊实际挠度自动 或人工地保持在最佳数值上；其优点是调整速度快，调整精度高，能满足高 速度、高精度轧制的要求，可实现板形自动控制，并且能使一种辊型适应多 种产品规格的需要，减少了磨辊、换辊次数，提高了作业率。 2 4 机座当量刚度 当热轧平楚机结构确定之后，其机座自然刚度c 基本为常数。因此，根 据弹跳方程( 2 2 ) 可知，在轧制过程中某些因素弓l 起轧制力的波动，会 使轧件产生纵向厚度偏差，降低带钢质量。这些因素有：带钢来料厚度不均、 沿长度方向机械性能不均、轧制速度和张力的变化、轧辊的偏心、热膨胀和 磨损等。轧制力波动量与轧件出口厚度偏差之间的比值称为机座的当量刚 度，其系数用下式表示： 置：妾 ( 2 4 ) “打 式中k 一机座的当量刚度系数； 卯一轧制力的波动量； 柏一轧件的出口厚度偏差。 因此，机座当量刚度系数罡表示了平整机进行厚度控制的能力。在轧剖 过程中，如果能够及时调整辊缝，使辊缝调整量能够部分或全部抵消由轧制 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 力波动引起的机座弹性变形量。就能减小甚至完全消除轧件的厚度偏差。所 以弹跳方程( 2 2 ) 可表示为： = 瓯+ 去一s ( 2 5 ) 式中，s ；= 岛+ s 一 ； s 一辊缝调整量( 硬特性控制时为正，软特性控制时为负) 。 对公式( 2 5 ) 微分，可得出： 舶；塑一嬲( 2 6 ) 将公式( 2 6 ) 代入公式( 2 4 ) ，则得出机座当量刚度系数足与嬲之间 的表达式： 肚蠡 ( 2 力 由公式( 2 7 ) 可见，轧件厚度偏差柏与机座弹性变形波动量婴和舔有 关。当峦和婴相等时，砌为零，即轧件的厚度偏差得到了完全补偿，轧件 轧出厚度保持为 。这种能维持“有载辊缝”矗不变的控制方法称为“恒辊 缝”控制法，此时，机座当量刚度系数量为无穷大。 采用“恒辊缝”控制时，虽然可以完全消除带钢的纵向厚度偏差，但由 于轧辊的弯曲变形较大，故带钢的板形较差。当孙偿机座弹性变形能力较低 时，即机座当量刚度系数较小时，则可获得较好的板形。因此，在某些平整 机上，希望机座当量刚度系数是可变的，以便根据不同的工艺要求，采用不 同的控制方法。 定义蛮与等的比值为辊缝调节系数c ，则公式( 2 7 ) 表达式为： 。 足：j ( 2 8 ) 1 一c 。 公式( 2 - 8 ) 反映了机窿当羹刚度系数k 与辊缝调节系数c 。之间的关系。 具体表达为： 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1o 页 1 ) 当g 。；1 时，足= 一，这是上述的“恒辊缝”控制，轧辊辊缝的调节 量完全补偿了机座弹性变形的波动量； 2 ) 当o c 。 1 时，o k 一，这是硬特性控制，轧辊辊缝的调节量只能 补偿部分机座弹性变形的波动量； 3 ) 当c = o 时，芷= c ，这是恒定原始辊缝控制，机座弹性变形的波动 量完全不能补偿，轧辊辊缝根本不调整； 4 ) 当c 。 0 时，k h ，满足要求 水量计算： q = h * ( t 4 一t 3 ) = 2 8 3 5 0 6 = 4 7 3 m 3 h 工作介质与冷却介质之间的平均温差 t = ( t l + t 2 ) 2 一( t 3 + t 4 ) 2 = 7 0 c 热交换面积f 其中，传热系数k ，= 3 8 0 由厂家提供， f = 1 3 h 油( k ，t ) = 1 3 2 8 3 5 0 ( 3 8 0 7 ) = 1 3 8 6 m 2 厂家提供的型号为：m 1 0 b f 扎。 f = 1 3 8 6 m 2 1 4 m 2 ，完全满足要求。 e ) 工作介质 油品 通常工作温度 t 计算 安全系数取1 i3 换热面积为1 4m 2 ，所以， 抗磨液压油i s o v g 4 6 ，4 0 0 c 3 0 5 0 0 c 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 1 页 系统油液清洁度n a s 5 6 级 f ) 泵站连接管路 数量1 套 材质 不锈钢无缝管 公称压力4 2 m p a 工作压力2 6 m p a 泵站连接管路指用于泵站各单元之间的连接配管及其管路安装支座、 接头等。 3 4 1 2 蓄能器装置 选用蓄能器的目的 若要求机架的弯辊缸和机架的平衡缸以及压下缸皆投入工作，那么所需 要的流量大概为1 8 0 l m i n 。此时如果要泵组来提供这个流量，实际上是极 不经济的。因为泵组极少时间工作在泵的最大排量下，只有在压下缸作大行 程压下时才需要。压下缸在作动态调节时，时间只不过几十毫秒，所需的油 容积很小，但流量却很大，这些油几乎只能靠伺服阀进口和泵组出口的蓄能 器供给。此时泵组所起的作用只不过是给补充系统内漏，同时给蓄能器补油。 如果由泵组直接给压下缸供油，整个系统的动态性能将变坏。如图： 茸冲信号 t 图3 2 从图可知，误差信号一旦出现，伺服阀将以很快的响应速度打开到相应 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 2 页 的位置，而高压泵的调节时间却有o 1 o 3 s 多，远远慢于伺服阀，所以在 需油和供油之问存在一个滞后时间：t = t ：一t 。，这将导致压力降出现峰值， 系统的动态性能将受到损坏。所以，系统流量1 8 0 l m i n 的大部分( 约6 0 7 0 ) 由泵组来供给，其余的流量由蓄能器补充。同时，蓄能器还能起到吸收压力 脉动和改善动特性的作用。 蓄能器流量计算 qi 2 6 5 xq ：2 0 6 5 1 8 0 2 1 1 7 l m i n 考虑到泵自身的泄露，选择一台a 4 v s 0 1 2 5 的泵来供给流量，能够提供 1 2 5 l m i n 。 蓄能器需提供的流量为： qt = qe q 曩= 1 8 0 1 2 5 = 5 5 l m i n 选择有效容积为6 3 l 的蓄能器，计算时按绝热增压和分热减压考虑，等 熵系数k 根据工作压力的大小来选择( 绝热过程指放油时间t 1 4 ) v 一利用容积( l ) 液压缸基本参数： 弯辊缸：0 1 1 0 6 0 一1 6 5 ，运行速度；v = 1 2 姗s ，数量：8 个； 上支撑辊平衡缸； m 8 0 5 6 一1 6 0 ，下降速度：v = 2 0 m m s ，数量：8 个； 上工作辊定位缸：0 5 0 4 0 一8 0 ，下压速度：v = 2 0 i i i i s ，数量：4 个： 压下缸： 0 6 3 0 5 4 0 一1 6 0 ，最大压下速度：v = 5 m m s ，数量：2 个。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 3 页 计算数据： 压下液压缸极限行程l = 1 6 0 姗 压下液压缸运行到极限行程所需要的时闻t = l v = 1 6 0 5 = 3 2 s 此时泵提供的容积为v 囊= 1 2 6 l m i n 3 2 s 6 6 7 l 压下液压缸运行到极限行程所需要的油容积 v 1 = 2 ( 3 1 4 r 2 l ) = 2 ( 3 1 4 o 3 1 5 2 x o 1 6 ) = 9 9 8 l 弯辊缸运行到行程所需要的油容积 v 2 = 8 ( 3 1 4 r 2xl ) = 8 ( 3 1 4 o 0 5 5 2 o 1 6 5 ) = 1 2 5 3 8 l 上支撑辊平衡缸运行到行程所需要的油容积 v 3 = 8 ( 3 1 4 r 2 l ) = 8 ( 3 1 4 o 0 4 2 0 1 6 ) = 6 4 3 l l 上工作辊定位缸运行到行程所需要的沽容积 v 4 = 4 ( 3 1 4 r 2 l ) = 4 ( 3 1 4 o 0 2 5 2 o 0 8 ) = o 6 2 8 l v 慧= v l + v 2 + v 3 + v 4 = 1 1 9 4 l 蓄能器提供的油容积为 7 t = v4 一v 量= 1 1 9 4 6 6 7 5 2 7 l 一个的蓄能器的利用容积为 v = v 。 ( p i p 。) 。一( p 。p ：) 盯。 = 6 3 ( 1 8 0 2 0 0 ) “l ( 1 8 0 2 6 0 ) 1 ，1 9 9 8 5 5 l 6 0 l 的油容积需要n 个5 0 l 的蓄能器供给 n = v4 v = 5 2 7 9 9 8 5 5 5 2 8 因此，需要选用6 个蓄能器。 蓄能器的型号： s b 3 3 0 一5 0 a l 1 1 2 3 3 0 a ( l y d a c 生产) 每个伺服阀前安装一个1 0 l 的蓄能器，它可提供的油容积为 v = v 。 ( p 。p ，) 1 一( p 。p2 ) “】 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 4 页 = 1 0 ( 1 8 0 2 0 0 ) “4 一( 1 8 0 2 6 0 ) “ 1 5 8 5 l 3 4 1 3 伺服阀的选择 1 4 5 0 热轧平整分卷机组采用两个压下伺服缸单边控制，压下缸的尺寸 为：中6 3 0 中5 4 0 一1 6 0 ，压下速度为0 0 0 3 0 0 0 5 m s ，伺服阀在阀压降p s v 为4 0 b a r 时应满足最大速度o 0 0 5 m s 的负载流量q = a p u = 5 6 2l m i n ， 液体、液压管道等都是弹性体，油压增加，容积就会变化。当压力升高 后，必须有一部分油流量来补偿液体的压缩量及容器的膨胀量。由压缩而产 生的变形流量包含两种形式的油流：使压下缸产生活塞行程的，属固定有功 能的有用油流；和无用的二次油流。二次油流起因于材料变形。由轴向与径 向应力引起。由于压力变化而引起的应力变化而产生的变形量，其结果是造 成管子和缸径的横截面积增大。可用液体等效容积弹性模数d 来表示容器中 容积变化率与压力变化量之间的关系： 厶v = ( p b ) v 式中，p 一表示容器中压力变化量 b a r v 一表示液体容积的变化量( 压缩量) l v 一表示容器中液体初始容积 l b 一液体等效容积弹性模数( 理论取6 9 1 0 。n 2 ，实际取1 4 1 0 4 n m 2 。) 压下系统伺服阀计算： a ) 基本参数 压下缸：0 6 3 0 5 4 0 一1 6 0 ( 工作行程1 0 0 m m ，操作侧和传动侧各由一个伺 服阀控制。) 活塞侧管道尺寸：外径和壁厚：m 4 8 8 m m ，长度：5 m 背压压力：p 霄= 4 0 b a r 公称压下压力：p = 2 1 0 b a r b ) 计算数据 活塞面积：a ，= 3 h 3 1 5 2 = 3 1 2 0 c m 2 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 5 页 活塞侧容积：v t = a l = 1 0 3 1 2 0 = 3 1 2 l 活塞侧管道容积：v 。= 3 1 4 ( d 。2 ) 2 l = 3 1 4 2 2 5 0 0 = 6 2 8 l 一个伺服阀出口的总容积：v = v 。+ v 。= 3 7 4 8 l 总压力梯度：p = 1 7 0 b a r 容积变化量：v = ( p b 。) v = ( 1 7 0 1 4 0 0 0 ) 3 7 4 8 = 0 4 5 5 11 4 l 在压下缸从压下状态转换压力最大状态过程中，伺服阀此时需要的平均 流量按5 0 0 m s 计算： q 平均：v t = o 4 5 5 l1 4 o 5 = 5 4 6 l m i n 由于伺服阀需留有一定的裕量( 1 5 ，6 4 6 l m i n ) ，所以选用的型号为： d 7 6 1 ( m o o g ) ，q h = 6 3 l m i n 。 3 4 1 4 压下控制阀台 平整机压下控制由两个完全相同的进油阀台和一个回油阀台完成，它们 均安装在轧机牌坊的顶部，分别对压下液压缸的活塞腔供给压力油，并且可 以手动、自动卸荷。传动及操作侧各配置有一个压下缸，并分别配备一个伺 服阀( 0 s s v l 、d s s v l ) 由双电磁铁换向阀( o s y v h l 和d s y v h l ) 控制。压下 缸无杆腔侧分别配置有压力传感器( o s p t l 和d s p t l ) ，有杆腔侧连接有一 个压力传感器( y x p t l ) 以检测轧制压力。压下缸有杆腔侧分别设置有一个单 电磁铁换向阀( y x y v h 2 和y x y v h l ) ，此外还羁己置有一个压下系统卸压阀 ( y x y v h 3 ) 。两个接近开关分别检测上支撑辊传动侧及操作侧的上极限，在 传动及操作侧的压下油缸上设置有用于位鼍检测的位移传感器。其控制原理 图如图3 - 3 所示。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 6 页 3 3 图液压压下控制原理 减压回路：在辊缝关闭到稳定轧制的过程中，电磁换向阀y x y v h 卜a 得 电，为液压缸有杆腔提供3 0 b a r 的背压；在辊缝打开过程中，电磁换向阀 y x y v h 卜a 失电，将3 0 b a r 切换到9 0 b a r ，壹到辊缝完全打开停止时y x y v h 卜a 得电，恢复3 0 b a r 的压力。压力的实际值由压力传感器y x p t l 测定。另外， 背压蓄能器用氮气填充，充气压力1 0 b a r ，并设有专门的排油回路；用来吸 收背压的波动，以改善恒轧制压力控制的动态特性。两级安全阀用来防止液 压缸有杆腔过载。 压力回路：电磁换向阀o s y v h l 和d s y v h l 的a 端得电时，打开伺服阀 进出口的液控单向阀，由伺服阀向系统供高压油。当系统压力高于2 9 0 b a r 时，电磁溢流阀开始卸荷。压力传感器( 0 s p t l 和d s p t l ) 检测压力的实际 值，既可作为轧制压力控制系统的反馈信号，又可作为位置控制系统的跟随 信号。位置传感器检测液压缸运动的实际位置，既可作为位置控制系统的反 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 7 页 馈信号，又可作为轧制压力控制系统的跟随信号。两组高压蓄能器充氮压力 为2 0 0 b a r ，并设有专门的排油回路，与恒压变量泵匹配，既用来消除压力 波动，也作为紧急动力源。 3 4 1 5 液压缸一负载的固有频率m h 液压最小固有频率。是把液压缸封闭的液体容积看成弹簧后而形成 的液压缸一质量系的最小固有频率，故称为液压固有频率或无阻尼液压固有 频率。把封闭的液体看成弹簧后的最小弹簧刚度如。液压弹簧刚度。 一般来说，总希望所设计的自动控制系统的频率高些。但是系统的固有 频率由受到系统中各个元件的固有频率的限制。在液压系统中，液压缸是最 接近负载的一个液压元件，液压缸与负载质量等组合在一起后的液压频率 砌往往就是整个系统工作频率最低的一个环节。所以幽很可能是整个系统 频率范围的上限。 魄晌= 厝 根据“液压弹簧”的概念，两个工作腔内充满高压液体并完全封闭，液 体的等效容积弹性模数庳为常数。由于液体具有可噩缩性，当活塞受外力 作用后移动，其移动使油缸的一腔压力增加，而另一腔压力减少。但如果我 们尽量使油缸有杆腔保持恒压( 如用减压阀和蓄能器等) ，使活塞移动时，此 腔的油液不产生压力变化，也就是说受压缩的容积为零。 a 基本参数： 压下缸：西6 3 0 5 4 0 1 6 0 一个机架共2 个油缸，由两个伺服阀控制 活塞侧管道( 控制2 个液压缸) 外径和壁厚：0 4 8 8 m m 长度：5 m 取动质量系数k = 1 5 ，每个压下缸上的动质量：m t - 1 5 6 0 0 0 0 = 9 0 0 0 0 k g b 计算值： 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 8 页 活塞面积：a ，= 3 1 4 3 1 5 k 3 1 2 0 c m 2 活塞侧容积：v x = h a 。= 1 6 0 3 1 2 0 = 4 9 9 2 l 活塞侧管道容积：v l _ 3 1 4 ( d 。2 ) 2 l ：3 1 4 2 2 5 0 0 = 6 2 8 l 一个压下缸受压缩容积：v = v k + v 。2 = 5 3 0 6 l 液压缸最小刚度处，是液压缸处于最大工作行程位置，即h ：1 6 0 m m ，液 压缸最小刚度： x 。i 。= ( 4b a 。2 ) v = ( 4 6 9 0 1 0 6 0 3 1 2 2 ) 5 3 0 6 1 0 1 = 5 o 1 0 n m 液压缸最小固有频率。： = 厝= 藤锄r a a 屉s ，s 3 4 2 弯辊液压系统的基本参数及组成 工作辊弯辊装置位于轧机机架内工作辊轴承座间，传动及操作侧共8 个液压缸双向动作以达到正负弯的目的，上支撑辊平衡、工作辊定位以及弯 辊液压系统均由压下伺服系统提供油源，弯辊缸大致布置的轧机集成油缸示 意图及其原理见图3 4 和图3 5 。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 9 页 图3 4 轧机集成油缸 位置：工作辊轴承座间： 作用：改变工作辊扰度以改普带钢平直度和平衡上工作辊： 驱动：液压缸，可双向动作，弯辊力5 0 t ，液压压力2 3 0b a r 。 弯辊液压缸：8 由1 1 0 巾6 0 一1 6 5 工作辊定位液压缸：8 中7 0 巾5 0 一1 3 0 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 0 页 3 5 图弯辊系统液压原理 工作辊弯辊装置动作信号及控制方式如下： 液压元件( 电磁阀) 设备名称设备状态 压力检测 控制方式备注 9 w r y v h 3 执行元件 ab 工作辊正弯 9 w r p t l o 手动 弯辊块负弯9 w r p t 2 ox 平衡 9 w r p t lo 联锁条件 1 ) 只有在“平整”模式下，弯辊可以投入； 2 ) 在“换辊”模式下，弯辊必须断开； 3 ) 在