（机械工程专业论文）森吉米尔轧机故障诊断与改进技术研究.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 森吉米尔轧机( 简称z r 轧机) 是生产不锈钢带钢产品的关键设备之一，而在生 产过程中，森吉米尔轧机在轧制板形不好、板面和边部有严重缺陷的脆性原料时， 经常出现的生产故障是断带。这不仅会严重影响轧机生产率的提高，而且还会损 坏设备，每次故障发生都造成长时间停产换辊和检修，经济损失非常巨大。因此， 长期以来，如何解决断带的问题已成为重要的研究课题。论文对大型z r 2 0 轧机在 生产过程中出现断带故障相关因素进行了理论分析和试验研究，并提出有效的改 进方案。 论文首先论述了课题立项背景与研究意义及森吉米尔轧机故障诊断的研究现 状，详细阐述了森吉米尔轧机工作机理及常见机械故障诊断方法，研究了森吉米 尔轧机轧制力、紧急开放系统响应时间及过程试验，对z p s s 冷轧厂z r 2 和z r 4 轧机进行在线监测，分别记录下在发生断带故障时，紧急开放系统中快开阀和压 下油缸活塞的响应滞后时间、压下油缸上下腔的压差、z r 轧机停车时间、压下油 缸活塞移动速度等参数。经过分析和研究，针对z r 轧机存在的问题，提出如下轧 机断带故障诊断方法和降低轧机断带故障率的措施： ( 1 ) 将主电机电流变化率，左右卷取机电流变化率，张力变化率三种信号同 时作为断带检测信号。 ( 2 ) 增加非接触式断带的检测装置。 ( 3 ) 缩短主电机紧急停车时间。 ( 4 ) 缩短紧急开放时间。 ( 5 ) 改进喷射导板，改善由于堆钢造成的辊系损伤。 ( 6 ) 增加在线监测系统，以期望提前预报断带。 经应用效果分析，该课题取得的经济效益是显著的，项目实施后，提高了机组 有效作业率，保证了机组生产任务的完成，降低了生产成本。 关键词：森吉米尔轧机断带故障诊断 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t s e n d z i m i rm i l l ( t h eb r i e fn a m ei sz rm i l l ) i so n eo ft h ek e ye q u i p m e n t si ns t a i n l e s s s t e e l s t r i pp r o d u c t i o n s t r i pb r e a k a g eo c c u ro nt h es e n d z i m i rm i lf r e q u e n t l yw h e n r o l l i n gt h eb r i t t l er a wm a t e r i a lw i t hs e v e r eq u a l i t yp r o b l e m ss u c ha sw o r s es h a p e ， s e r i o u s s u f f a c ea n de d g ed e f e c t s t h o s et r o u b l e sc a nn o to n l yg r e a t l ya f f e c tt h e i m p r o v e m e n to fp r o d u c t i v i t y o ft h em i l l ，b u ta l s os e v e r e l yd a m a g et h er o l l i n g e q u i p m e n t s ，a n dt h ef a u l t sr e s u l ti ns t o pp r o d u c t i o nf o rl o n gh o u r st os u b s t i t u t ef o rt h e r o l l e ra n do v e r h a u le a c ht i m e ，w h o s ee c o n o m i cl o s ei sv a s t ，s t ) h o wt os o l v et h e p r o b l e m so fs t r i pb r e a k a g eh a sl o n gb e e na ni m p o r t a n ts u b j e c to fo u rr e s e a r c hw o r k t h ep r e s e n tp a p e rd e s c r i b e st h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h e f a c t o r sc l o s e l yi nc o n n e c t i o nw i t ht h es t r i pb r e a k a g ei nt h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o no ft h e l a r g e s c a l ez rm i l la n dp u t sf o r w a r dt h ee f f e c t i v ei m p r o v e m e n tp l a no nt h ei s s u e f i r s t l y ，i ti sd i s c u s s e dt h eu s a b i l i t ya n dt h en e c e s s i t yo fs o l v i n gt h ep r o b l e m so f s t r i pb r e a k a g e ，t h e ni ti se l a b o r a t e d t h ew o r km e c h a n i s ma n dc o n l l n o nm e c h a n i c a l b r e a k d o w nd i a g n o s i sm e t h o d so fz rm i l li nd e t a i l i ti sd i s c u s s e dt h er o l lf o r c ea n dt h e r e s p o n s et i m ea n dp r o c e s st e s to ft h eu r g e n to p e ns y s t e m t h ez r 2m i l la n dt h ez r 4m i l la r e o n l i n em o n i t o r e di nt h ez p s sc o l d r o l l i n gm i l l i tw a sr e c o r d e dt h el a gi nr e s p o n s et i m e o ft h ef a s t - o p e n i n gv a l v ea n dt h es c r e w d o w nc y l i n d e rp i s t o ni nu r g e n to p e ns y s t e m ，t h e p r e s s u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nh i 【g ha n dl o wc a v i t yi ns c r e w - d o w nc y l i n d e r , t h es t o pt i m e o fz rr o l l i n gm i l l ，t h es p e e do fp l u n g e ro fs c r e w d o w nc y l i n d e ra n ds oo nw h e ns t r i p b r e a k a g eh a p p e n e d a f t e ra n a l y s i sa n dr e s e a r c h ， i ti sg i v e nt h ec o u n t e rm e a s u r ea n d s u g g e s t i o no f h o wt od e a lw i t hs t r i pb r e a k a g ei nv i e wo ft h ez rr o l l i n gm i l l sq u e s t i o n a sf o l l o w s ( 1 ) m a k ei tt h a tt h ec u r r e n tc h a n g er a t eo fm a i nm o t o r , t h ec u r r e n tc h a n g er a t eo f l e f ta n dr i g h tw i n d e r ，t h et e n s i t yc h a n g er a t ea st h ed e t e c t i o ns i g n a lo fs t r i pb r e a k a g e ( 2 ) s e tu pt h en o n c o n t a c td e t e c t o rt od e t e c tt h ep o s i t i o no fs t r i pb r e a k a g e ( 3 ) r e d u c e t h es t o pt i m eo fm a i nm o t o r ( 4 ) r e d u c et h eu r g e n to p e n i n gh o u r s ( 5 ) i m p r o v et h es p r a y i n gg u i d ep l a t e ；i m p r o v et h ed a m a g et ot h er o l l e rs y s t e m b e c a u s eo fs t e e lp i l e ( 6 ) s e tu pt h eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e ms o a st of o r e c a s ts t r i pb r e a k a g ei n 江苏大学工程硕士学位论文 a d v a n c e a f t e r a p p l i c a t i o n e f f e c t a n a l y s i s ，t h ee c o n o m i ce f f i c i e n c y o ft h i s t o p i c i s r e m a r k a b l e a f t e rp r o j e c ti m p l e m e n t a t i o n ，e f f e c t i v eo p e r a t i o nr a t eo fm i l lt r a i ni s i n c r e a s e d ，p r o d u c t i o nt a s ki sc o m p l e t e da n dt h ep r o d u c t i o nc o s ti sr e d u c e d k e yw o r d s ：s e n d z i m i rm i l l ，s t r i pb r e a k a g e ，f a u l td i a g n o s i s i i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密区 学位论文作者签 、区指导教师签名： ，瑚怕 呷年( 调帅 厶 矽 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签 嗍7 闭怕 江苏大学工程硕士学位论文 第一章绪论 森吉米尔轧机具有轧钢速度快、* l n 产品规格薄、* l n 张力大、轧辊的辊径 小等特点。世界上9 0 以上的冷轧不锈带钢是由森吉米尔轧机生产的，此外大量 的硅钢片、薄规格的有色金属及低碳钢也都是由森吉米尔轧机轧制的。但生产 过程中，断带故障频发，造成长时间的停产及巨大的经济损失。本文以z p s s ( 张家 港浦项不锈钢有限公司) 冷轧厂z r 2 2 b s 4 2 型森吉米尔轧机( 简写为z r 轧机) 为研 究对象，对z r 轧机断带故障造成机理开展研究，分析z r 轧机断带故障产生的原 因，通过对z r 轧机紧急开放系统响应时间及过程试验研究，寻求避免或减少z r 轧机发生断带故障的措施，以期待减少因故障停产造成的损失。 1 1 课题立项背景与研究意义 z p s s 冷轧工厂是一家主要生产不锈钢冷轧钢带钢的企业，主要生产2 0 0 系、 3 0 0 系和4 0 0 系不锈钢，产品厚度有从0 3 m m 到3 0 m m1 0 多种规格。 z p s s 冷轧工厂主要有2 0 辊森吉米尔轧机( s e n d z i m i rm i l l 简称：z r m ) 4 台， 退火酸洗生产线( a n n e a l i n g & p i c k l i n gl i n e 简称：a p l ) 2 条，平整机组( s k i np a s s m i l l 简称：s p m ) 2 套，钢卷准备机组( c o i lb u i l d i n gu pl i n e 简称：c b l ) 2 套， 剪切重卷机组( s h e a r i n g c o i ll i n e 简称：s c l ) 一套，纵剪机组( s l i t t i n gc o i ll i n e 简 称：s t l ) 一套，抛光研磨机组( c o i lp o l i s h i n gl i n e 简称：c p l ) 一套，张力矫直 机组( t e n s i o nl e v e l e rl i n e 简称：t l u 一套，以及相配套的磨辊设备4 台，净水处 理、冷却水处理、废水处理系统和空压站、l n g 站( 液化天然气站) 等公用辅助 设施。所有设备全部采用计算机自动控制，工艺技术也达到了国际先进水平。主 要生产s u s 3 0 0 s u s 4 0 0 系列的冷轧不锈钢卷，设计能力为4 0 万吨年。 冷轧不锈钢卷生产流程见图1 - 1 。c b l ( 带钢准备机组) 对热轧不锈钢卷头尾 部的引带进行焊接，以提高成材率；z r m ( 森吉米尔轧机) 通过液压缸对辊系施 加压力作用到被加工带钢表面，将厚度3 0 6 0 r a m ，宽度6 0 0 - 1 3 0 0 r n m 不锈钢轧 制为厚度0 3 - - 一3 0 m m ，宽度6 0 0 - - 一1 3 0 0 m m 的产品；a p “连续退火酸洗机组) 将压 延后产生加工硬化的带材经过退火和酸洗，以达到目标材质及表面光洁；s p m ( 平 整机组) 将退火后的材料给予一定压力，改善其机械性能、平整板形、调整板面粗 江苏大学工程硕士学位论文 糙度；c p u 研磨机组1 肘客户要求或有缺陷表面的带材进行表面研磨：s c u s t l ( 横 切机组纵剪机组) 根据客户要求将广品剪切成钢板或成卷以及窄卷产品；t l “张 力矫直机组1 通过濉武张力矫直改善带材板形、提高平直度，并根据客户要求剪切 成成巷产品。 小丁。黔1 。 “留| ，固、_ i 然熊l 。 ”。l 。霭、。j 科 图卜1 冷轧不锈钢卷生产流程图 森吉米尔轧机在轧制板形不好、扳面和边部有严重缺陷的脆性原料时，绛常 出现的生产故障是断带。这不仅会严重影响轧机生产率的提高，而且还会损坏设 备。资料统计表明，冷轧厂轧机停产事故中，由丁断带故障所造成轧机停产最为 频繁， 到了故障总数的7 7 ，图1 2 为冷轧厂轧机停产事故帕拉图，轧机频繁停 产给冷轧厂带来重大损失： 1 ) 机组断带降低了机组有效作业率： 2 ) 增加了废品率，降低了产品合格率； 3 ) 严重影响了冷轧机组生产任务的完成： 4 ) 直接经济损失上千万元。 因此，长期以来，如何解决断带与断带的问题已成为重要的研究课题。 经过长期对z p s s 冷轧厂4 台z r 轧机停产原因的统计，发现z r 轧机因断带 故障造成的停产最为频繁。冈此，如能通过对z r 轧机的紧急开放系统进行故障诊 断并进行技术政进，以有效地解决断带故障，将大幅度地降低z r 森吉米尔轧机故 障的发生提高冷轧不锈钢卷生产线的运行时间和生产效率，降低生产成奉。 蕊麓爹嚣夕。 江苏大学工程硕士学位论文 图卜2 冷轧厂轧机停产事故帕拉图 1 2 森吉米尔轧机使用及故障诊断的研究现状 森吉米尔轧机由于具有机架牌坊刚度大、工作辊径小的特点，最适合于轧制 硬度较高的合金材料，因此，是轧制不锈钢较为理想的机型【2 1 。张家港浦项，宁波 宝新，广州烨联，青岛浦项，太钢等国内大型钢厂都先后从国外引进了z r 轧机。 因此近年来对z r 轧机的研究也逐渐增多。 目前森吉米尔轧机的工作性能指标如下 3 】： ( 1 ) 轧制带材最大宽度。目前轧制带材最宽的是法国的一台z r 2 2 8 0 型轧机， 轧制宽度最大为2 0 3 2 m m 的软钢及不锈钢，厚度偏差为0 0 0 5 m m 。 ( 2 ) 轧制带材最小厚度。轧制带材最小厚度与其宽度和钢种有关。美国轧制不 锈钢最小厚度为0 0 0 2 r a m ，其宽度为1 2 0 r a m 。日本轧制不锈钢，当宽度为1 2 2 0 m m 时，最小厚度为0 1 2 7 m m ；宽度为2 0 0 r a m 时，最小厚度为0 0 1 m m ；轧制有色金 属时，最薄可达0 0 0 1 8 m m ( z r 3 2 41 4 型，轧制紫铜1 。 ( 3 ) 轧制速度。美国的z r 2 1 4 4 型轧机轧制低碳钢的最大速度达1 0 6 7 m m i n ； 美国、日本等国轧制不锈钢及不锈钢的z r 2 1 型轧机轧制速度可达8 0 0 m r a i n 。 目前，对z r 轧机故障诊断的研究主要集中以下几方面：第一，断带事故的研 3 江苏大学工程硕士学位论文 究。冷轧薄带钢时，由于热轧来料的缺陷，在带张力冷轧过程中经常发生带钢被 撕裂的现象( 1 谷称断带) 。森吉米尔轧机在轧制时也经常发生断带，并且经常造成轧 机辊系中各辊表面光洁度的破坏( 俗称断带) ，被迫停产换辊。目前，国内外对如何 实现z r 轧机断带保护以避免严重断带的研究比较少。太钢六厂的崔美萍、张文胜 两位工程师对此进行过研究【4 】。他们是通过改进z r 轧机的断带检测方式，来避免 和减轻因断带故障造成的z r 轧机机电设备的损伤和对辊系中轧辊的损伤。武钢的 方胜年、马卫东、刘新起对大型z r 2 0 轧机在生产过程中出现断带故障相关因素进 行的理论分析和试验研究结果，并提出有效的改进方案【5 】o 第二，齿轮箱故障诊断 的研究。目前，齿轮箱故障诊断的主要研究方向集中在典型故障特征的提取研究、 状态监测分析系统的开发、人工智能的应用等几个方面。基于f 丌的频谱分析、 小波分析法、经验模态分解( e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ，e m d ) 的方法是应用广 泛的典型故障特征信号处理方法【6 】【7 1 。由于齿轮箱的形式多样、结构复杂、传动元 件较多，尤其是各传动元件的故障联合作用时，其振动信号变得更为复杂，而且 由于工况差异较大等情况的存在，使齿轮箱故障现场诊断更多的是依靠直觉和经 验来进行，即要求故障诊断人员有较高的实践能力、甚至是“专家”的水平，这样才 能较好地处理实践中错综复杂的故障情况，得出较为满意的故障诊断结论。目前 人工智能在轧机齿轮箱故障诊断中的研究与应用得到广泛应用，如北京工业大学 的高立新、吴丽娟和武钢的魏厚培等设计了一套基于充足的案例来实现规则推理 的智能诊断系统【8 】，系统以轧机故障诊断的案例为基础，对采集的原始数据采用案 例和规则相结合的混合推理后，自动生成故障诊断报告。第三，森吉米尔轧机自 动厚度控制系统。自动厚度控s u ( a u t o m a t i cg a u g ec o n t r o l 简称a g c ) 在钢板轧机， 特别是带钢轧机上得到普遍应用，从2 0 世纪5 0 年代初到现在，已发展到十分成 熟的地步。板带材厚度应包括板带横向厚度控制及纵向厚度控制，前者通常由板 形控制来解决，后者一般由厚度控制系统来解决【9 】。森吉米尔轧机的自动厚度控制 系统一般主要由b i s r aa g c 、前馈( f f ) a g c 、反馈( f b ) a g c 、s m i t ha g c 、秒流 量( m f ) a g c 、张力监控a g c 以及加减速补偿等控制回路组成【l o l 。 对断带的预防和应对措施主要有：原料工及c b l 机组焊接引带时严格检查原 料状况，发现有浪形，边裂，孔洞等情况，要做好能否生产的准确判断，对可能 诱发断带的原料缺陷必须进行处理。孔洞，浪形应充分切除，边裂应及时作切边 4 江苏大学工程硕士学位论文 处理。 1 3 本论文的主要研究内容 减轻z r 轧机因断带造成辊系损伤的研究，目前可查阅的文献较少。但是现场 调查发现，z p s s 不锈钢冷轧厂z r 2 轧机发生断带后，断带的概率及对辊系损伤的 程度，z r 2 轧机比z r 4 轧机要低。因此，本文主要从z r 2 轧机、z r 4 轧机紧急开 放系统响应时间及过程和主传动停车时间以及制动器的响应时间等几个方面来寻 找断带保护的方法，以减轻断带对z r 轧机辊系的损伤。 第一章主要介绍课题立项背景与研究意义，森吉米尔轧机使用及故障诊断的 研究现状以及本论文的主要研究内容。 第二章对森吉米尔轧机工作机理进行研究。 第三章主要介绍森吉米尔轧机常见故障诊断方法。 第四章开展对轧机紧急开放系统响应时间及过程试验的研究和测试曲线的获 取、记录与分析。 第五章进行森吉米尔轧机轧制力测量方法的研究，然后分析轧制力与液压缸 上下腔压差的关系。 第六章开展对轧机的断带的故障原因的分析研究。 第七章提出森吉米尔轧机的改进措施并进行效益分析。 第八章研究总结与展望。 江苏大学工程硕士学位论文 第二章森吉米尔轧机工作机理 2 1森吉米尔z r 轧机简介 森吉米尔轧机是由森吉米尔博士在1 9 3 3 年发明的，又被称为2 0 辊轧机。当 时的轧机宽度为8 0 0 m m ，制出厚度为0 1 3 m m 的低碳带材。目前世界上3 5 个国家 安装并运行着4 0 0 多台森吉米尔轧机。它们在冶金行业中发挥着重要作用。 最小的2 0 辊轧机宽度仅1 0 0 m m ，可以轧制出几u m 厚的超薄带。较小的2 0 辊轧机宽度一般为6 0 0 m m ，可轧出0 0 2 5 m m 厚的精带。中型2 0 辊轧机的宽度一 般为1 0 0 0 1 5 0 0 m m ，* l n 速度范围从4 0 0 m 。6 0 0 m m i n ，高速的可达到8 0 0 m m i n ， 其年生产能力可达1 0 万吨【1 1 】。 森吉米尔冷轧机与四辊轧机或其他类型轧机的本质区别是轧制力的传递方向 不同。森吉米尔冷轧机轧制力从工作辊通过中间辊传到支撑辊装置，并最终传到 坚固的整体机架牌坊上。这种设计保证了工作辊在整个长度方向的支撑。这样辊 系变形极小，可以在$ l n 的整个宽度方向获得非常精确的厚度偏差。 森吉米尔轧机在结构性能上有如下主要特点【1 2 】： 1 ) - v 作辊直径小，其与最外层支承辊直径之比可达1 ：1 0 ； 2 1 辊系的排列形式及结构特点可保证小直径工作辊具有很高的横向刚度； 3 ) e h 于工作辊直径小，工作辊弹性压扁很小，不经中间退火即可用较少道次轧 制难变形金属和合金，生产很薄的带材。同时由于压扁小，带钢的边部减薄明显 减小； 4 ) 因配有轧辊辊型控制装置和带钢边缘板形控制装置，因此在轧制过程中可以 通过调整双偏心结构的压下量和一中间辊移动量，实时地进行板形调节； 5 ) 配备有计算机控制系统，轧制过程控制自动化程度很高，控制精度高，响应 速度快，适于轧制高强度金属及合金等材料； 6 ) 该轧机多按单机架可逆配置，每道次轧制的开始和结束阶段都有一个加速和 减速的过程，加上工作辊直径很小等原因，导致轧制速度比常见的4 辊或6 辊轧 机低。 最常用的森吉米尔冷轧机形式是1 2 3 4 型二十辊轧机。森吉米尔轧机机组主 6 江苏大学工程硕士学位论文 要由2 0 辊轧机、开卷机、卷取机、各种钡4 量仪器及辅助系统等部分组成。其中辅 助系统包括液压、润滑及冷却液循环系统1 1 3 1 。圈2 - 1 为z r 2 2 b s - 4 2 型森吉米尔冷 轧机机列和置图。 图21 森吉米尔抟轧机机列布置阿 图2 _ 2 森吉米尔轧机结构 z p s s 冷轧jz r 轧机丰要由机架牌坊、辊系配置及控制装置、入盯压板、侧 导板及主传动装置等组成，如图22 所示。其中机架和辊系与其它类型的轧机有 很人区别。机架是由碳素钢铸成的一个整体具有较高的刚性，经过热处理后进 行机械加丁，特别是承受轧制负荷的梅花孔是经过精密加工后，在对水平度、平 行度、椭圆度以及圆锥度进行研磨加工后，要求其精度保持在0 0 2 5 r a m i n 以内。 在机架牌坊上部装有压下油缸、辊型调整装置等。在机架后面有传动联结轴及支 江苏大学工程硕士学位论文 撑机构，机架内装入2 0 辊及喷油板。在机架入口侧安装着侧导板及压板，出、入 口侧同时装有导向辊、刮油器、及射线测厚仪等。 z r 2 和z r 4 分别是z p s s 冷轧厂在1 9 9 8 年和2 0 0 1 年从美国引进的，机型均 为z r 2 2 b s 4 2 ，主要用于对不锈钢带钢的轧制。2 0 0 2 年对z r 2 轧机的a g c 进行 过现代化改造，其最大轧制速度为4 5 0 m m i n 最大轧制力为4 1 1 0 k n ，主电机功率 2 2 0 0 k w 。z r 4 轧机的最大* l n 速度为6 0 0 m m i n ，最大轧制力为4 8 2 0 k n 。 2 2 z r 轧机辊系结构 1 一支承辊2 一第二中间辊3 第一中间辊4 一工作辊 图2 _ 3 森吉米尔轧机辊系布置 森吉米尔轧机辊系分上下两组，各有1 0 个轧辊，如图2 3 所示。每组由1 个 工作辊、2 个第一中间辊、3 个第二中间辊及4 个支持辊组成。支持辊利用鞍座及 分段轴承实现多点支撑，其余辊均采用直接叠放的方式，无固定支撑。上下6 个 二中间辊中的4 个为传动辊，其余为随动辊。支持辊的结构与其它辊不同，它采 用分段轴承、多点支撑结构。其中b 、c 辊具有内外双偏心结构，其余6 个辊均为 单偏心结构。b 、c 辊内偏心及其余6 个辊的偏心用于支持辊整体位置调整，这些 偏心具体功能为：b 、c 辊压下以实现轧制厚度的调整，g 、f 辊主要用于调整下 辊系的高度以调整轧制线高度和快速打开辊缝，便于穿带和更换工作辊；a 、d 、 h 、e 四辊主要用于补偿轧辊直径变化引起的辊系位置的改变。b 、c 辊外偏心可 分段单独调节用于辊形的调整，进行板形的控制【3 】【1 4 。1 6 1 。 8 江苏大学工程硕士学位论文 2 3z r 轧机压下系统工作机理 z p s s 冷轧厂z r 轧机采用电气一液压压下系统，森吉米尔二十辊轧机的压下 是通过转动两个上部中间支撑辊组b 及c 的偏心环来实现的，如图2 4 所示。偏 心环安装在鞍座的滚针轴承上，因此它比普通轧机的压下螺丝所受的运动阻力矩 要小得多；在轧制的过程中也能够很轻便灵活地回转。双面齿条向上移动时，工 作辊则向下进行压下；齿条向下移动时，工作辊则抬起。一般工作辊压下或抬起 的距离仅为双面齿条上移或下移量的二十几分之一。 图2 - 4 压下机构示意图 lz) 4 1 ：ili ， 二 蠡 f鹾除沁渤 j 一： 0 磉 尺黑。对 ，h 、v ，杉z 么移z 1 挣乃哆z 哆”杉哆j 。矗必，烁甄z ， ii ij u0i ii ii1 1 1 1 l 。z 厂留 公j 闺睢簧导荨魏掰醚ak i肾 嚼心心心溯i 杉哆多多么、：、匕哆乡乡乡歹歹多多乡c j 刃匕哆多多歹乡夕夕多刃n 、沁、x z 杉7 江苏太学工程硕士学位论文 下移动压下双面齿条回转与其啮合的一对扇形齿轮，从而转动偏心轴f 轴及偏心 环1 实现工作辊的压下及抬起。 轧制力由工作辊经第中间辊传递给第一中间辊之后，顺次经支撑辊的滚柱 轴承、心轴、偏心环、鞍座，最后传给机架。对于诸支承辊，当心轴由压下调节 扇形齿轮带动旋转时，使得偏心环也转动，但由于偏心环外圈已由鞍座定位，于 是造成了偏心环内孔中心( 亦即心轴中心) 的位移。支承辊中心的移动改变了辊系中 各辊子的相对位置，形成一对工作辊的开与合的压下动作。为使扇形齿轮与雎下 齿条保持良好的啮合关系，扇形齿轮圈与内孔也制成偏心的，使得在心轴转动且 中心产生移动时，齿圈并不产生跳动。对于f 、g 辊，偏心环的偏心量自= 63 5m m ； 对于其余四个辊子a 、d 、e 、h 偏心环的偏心量8 2 _ 3 1 7 5m m 。至于b 、c 两支 承辊，除了要具有上述六个辊子的压下机能外，还要它能进行辊型调节。为此， 特别设计了双重偏心机构，其内偏心环的偏心量仍为。= 63 5m m ，依然通过旋转 扇形齿轮来达到压下的目的，外偏心环的偏心量为，= 10 1 6 m m ，用于辊型调节。 一 图2 _ 6 电气一液压压下a g c 系统图 z r 轧机采用电气一液压压下a g c 系统，机构简图如图2 - 6 所示。压下油缸 的活塞与艇卜齿条相连，由齿条带动b ，c 辊的扇形齿轮旋转，实现辊子中心的移 江苏大学工程硕士学位论文 动。 液压a g c ( 自动厚度控制) 系统是提高宽带热连轧板厚精度，控制板形，提高 带材合格率的重要技术，a g c 系统的动态品质、静态品质的好坏直接影响系统的稳 定性，响应的快速性和控制精度。板带轧机液压a g c 系统主要功能是实现压下位 置自动控制( 液压a p c ) 及板厚自动控制( 液压a g c ) 。正是由于液压a g c 系统响应的 快速性，控制的精确性，使得越来越多的宽带生产线采用。 液压a g c 系统的组成：液压压下装置一般由位移传感器，液压缸和电液伺服阀 等所组成，如图2 - 6 所示。系统通过电液伺服阀对液压缸的流量和压力的调节来 控制液压缸上、下移动的行程来调节轧辊辊缝值。 液压a g c 系统通过测厚仪、位移传感器和压力传感器等对相应参数的连续测 量，连续调整压下缸位移、* l n 压力等，从而控制板带材的厚差。一个完整的液 压伺服控制厚度自动控制系统的主要设备由计算机、检测元件为主的控制装置和 以一套液压缸( 每侧一个) 为主的执行机构组成。检测元件主要有：测厚仪、测压 仪( 每侧一个) 以及安装在液压缸上的四个位置传感器( 每个液压缸两个) 和两个压 力传感器( 每个液压缸一个) 。 2 4 本章小结 本章首先介绍了森吉米尔轧机的发展现状、结构特点及轧机机组结构布置， 然后详细介绍了z p s s 冷轧厂z r 轧机的主要结构、技术参数、辊系结构与电气一 液压压下系统的工作原理。 江苏大学工程硕士学位论文 第三章森吉米尔轧机常见故障诊断方法 现代工业具有生产设备大型化、连续化、高速化和自动化的特点。它在提高 生产率、降低成本、节约能源和人力、减少废品率、保证产品质量等方面有很大 的优势。但是从另一方面来看，由于机械、液压设备发生故障而停工造成经济损 失及维修费用大幅度增加甚至人身事故的现象比比皆是。因此人们对设备进行监 测和故障诊断的要求愈来愈强烈。各学科相互渗透、相互交叉、相互促进是当代 科学技术发展的重要趋势【1 7 2 4 1 。 森吉米尔轧在轧制板形不好、板面和边部有严重缺陷的脆性原料时，轧机经 常出现的生产故障是断带【垮刎，这不仅会严重影响轧机生产率的提高，而且还会 损坏设备。然而目前，国内外对如何实现z r 轧机断带保护以避免严重断带的研究 比较少。z r 轧机工作辊的轧制扭矩是由第二中间传动辊( 四根) 提供的，而第二中 间传动辊的扭矩分配则是通过齿轮分配箱内斜齿轮轴传动完成的【勰】，齿轮分配箱 中轴承损坏、齿轮非正常磨损、点蚀、裂纹也会造成的长时间的停产。 3 1断带的检测方法 断带的检测方式目前分两种：一种是靠硬件检测，如武钢的z r 轧机f 日本进 口) ；另一种是靠软件检测，如太钢的z r 轧机( 、法国进口) 【4 1 。太钢的z r 轧机目前 采用的是c e g e l e c 公司提供的检测软件。在生产过程中，通过传感器分别对带 钢厚度偏差、张力和速度进行采样。当发生断带时，测厚仪采集到的厚度为零， 厚度偏差增大，前后张力消失，卷取机速度提高，检测软件综合厚度、张力、速 度三个因素，来确定“断带信号”。在检测到断带信号后，在p l c 的参与下，机电 设备将同时做出一系列的动作以实现快速保护，如：电机快速停车，压下系统快 速打开，乳化液快速关闭，四辊擦拭器抬起，穿带台快速抬起等。 可逆式冷轧机在* l n 过程中，张力和速度都很大，如图3 1 所示。前张力t 前、 是左卷取机与上作辊相互作用力，后张力t 后是右卷取机与上工作辊相互作用力， 两者方向相反，左右卷取机都是施力体，上工作辊是受力体。断带后，施力体与 受力体相脱节，前、后张力消失。张力消失后，左卷取机用于克服张力所做的那 部分功用来克服电机和钢卷的惯量，这样卷取机速度提高，右卷取机亦然。同时， 1 2 江苏大学工程硕士学位论文 断带后，钢带远离测厚仪，测厚仪采集到的厚度为零，造成厚度偏差增大，以上 三个因素确定了“断带信号”的产生具体分析如下： 轧利方向 = = = = = = = ； 图3 - i 轧机工作示意图 i ) 张力 电流产生转矩，转矩反映张力。断带后，工作转矩t ， 2 0 n 。，超速值= 1 。 3 ) 厚度偏差 t o 是厚度设定值，a t 是厚度偏差值，t = t - 一b 。断带前，厚度测量值与设 定值相等，断带后测量值减小。d2 0 t o 时，厚度超薄值= 1 。 综合上式，参见图3 - 2 控制逻辑图可知，断带信号s = 1 ( ：j 5 三断带) ，s = o ( 断带) = 当电机快速停车后，电机实际转速n t = 0 ，然后断带信号s = 1 ，即断带信号被复位。 检测到断带信号后，在p l c 的参与下，机、电设各将同时做出一系列的动作 以实现快速保护：电机快速停车，上压下快速打开，乳液快速关闭，四辊擦拭器 抬起，穿带台快速抬起。穿带台分列在左、右卷取机内侧，在轧制过程中，它与 钢卷的下方始终保持2 0 c m 的距离，并随卷径增大而往下落，随卷径减小而往上抬， 但断带后，穿带台将迅速抬起，顶住钢卷，防止松卷。 江苏大学工程硕士学位论文 图3 - 2 控制逻辑图 3 2 轧机齿轮箱故障智能诊断方法 由于开发基于规则或模型的智能诊断方法是比较困难的，主要的原因是依赖 于智能诊断系统的知识库、规则化和预处理，知识获取和维护非常困难。而基于 案件推理的智能诊断系统，可以在没有成熟的领域知识的情况下，利用过去解决 问题的相关案例作为推理的依据，从而做出当前故障的诊断结果。案例推理方法 可以很容易的获得推理的方法，比起基于规则化知识和关系知识的专家系统有较 多优势，能够大大提高故障诊断的准确率拉h 引。 通过对某轧机齿轮箱常见典型故障特征的研究，将各种典型的故障特征规划 为案例信息的形式，通过在线监测系统采集设备状态数据以及用户提供的故障征 兆，然后到案例库中检索匹配的案例，如果找到匹配的案例，则做出诊断报告， 如果没有匹配的案例，在诊断结束后，根据现场开箱检查的实际结果，对本次诊 断的案例进行调整和修改，将该案例作为一个新的诊断案例存储到案例库中，以 便不断的完善知识库。基于案例技术的智能诊断系统的工作流程，如图3 3 所示。 每一个案例由现场检测的一组数据诊断结论和相片所组成。 案例中包含的信息主要有两个部分组成，即问题的描述和解的描述。其基本 解决的方法是相似的问题具有相似的解。问题描述是事例表示的关键，是建立案 例索引、进行案例检索的基础。案例的解是故障诊断系统的诊断结果的基础。 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 图3 - 3 基于案例技术智能诊断系统的工作流程 针对轧机齿轮箱故障的特点，案例的信息主要由案例号、故障征兆和故障的 诊断结论等部分组成。案例号用于表示不同的故障案例，可以作为案例的键值。 故障征兆包括由用户输入的征兆和由检测获得的振动时域特征值。故障的诊断结 论主要是做出诊断报告。我们应用面向对象的技术，用定义的类表示案例，类的 对象为具体的案例。 对于基于案例推理的方法，案例的检索是实现案例推理的关键步骤，也是基 于案例的智能诊断系统的核心。其主要的目的是根据对新问题的定义和描述从案 例中检索出尽可能匹配的案例，而该案例可以作为解决问题的参考依据。比较常 用的知识检索策略主要有最近相邻策略。 最近邻法是指用户从案例库中找出与目标案例最近的匹配案例的方法，最近 邻法的通常用公式表示为： s 毗s ，2 喜w ，砉 ( 3 1 ) 式中：a - 目标案例；s 一知识库中的源案例；旷每一案例所包含的特征个数； s i j 一示知识库中第i 个案例的j 个属性的值；a j 一目标案例a 的j 个属性的值；w j 一第j 个属性的权重，且w ，= 1 。如果计算所得到的相似度越高，表示这两个案 i = 1 例的匹配度越高。 为了减小案例中属性值大小对相似度的影响，利于两个属性的比值作为相似 度的计算公式： 1 5 江苏大学工程硕士学位论文 跏，2 喜瑶。 ( 3 2 ) 式( 3 2 ) 中的各个变量的意义和式( 3 1 ) 种的意义相同。通过利用这种计算相 似度的方法，可以有效地解决频率值很大时，对于较小的相对误差，欧式距离方 法的影响很大的问题。 在本系统中各个频率的权重不同，因为对于较小的频率一般为一倍频，即啮 合频率，所以取权重大一些，权重的表示，如表3 - 1 所示。 表3 - 1 属性权重表 指标( 案例的属性)频率1频率2频率3 权重( w ) 0 40 30 3 为了解决传统的单一利用欧式距离算法的局限性，利用分层次检索的方法， 肖先对峭度指标和最大幅值指标行分析，如果超出警戒值，则利于上述检索方法， 计算三个频率的相似度，检索匹配的案例，得出诊断报告。 相似度与案例匹配的关系： 当0 9 = s i r e ( a ，s ) = 1 1 时，a 案例与案例库中的s 案例匹配。 当0 7 = s i m ( a ，s ) 0 9 或者1 1 s i m ( a ，s ) = 1 3 时，a 案例与案例库中 的s 案例相似。 当s i m ( a ， s ) 1 3 时，案例库中没有与a 相似的案 例，a 案例为新案例。 目前国内外已有一批较成熟的在旋转机械结构损伤和航天等方面应用的智能 诊断系统，多数是基于知识的专家多数是基于知识的专家系统。随着科技进步， 开发人员设计了基于规则推理的轧机齿轮箱故障诊断系统，这种系统的知识库是 专家、经验、书本知识和事物本身属性的存储器，也存入了各种案例的分析结果 和规则，还有数据处理的程序和方法等。诊断系统根据数据显示的设备状态评估 故障种类和位置。系统总体设计思路是对采集的原始数据采用案例和规则相结合 的混合推理后，自动生成故障诊断报告【3 4 1 。 1 6 江苏大学工程硕士学位论文 33 基于p l c 森吉米尔轧机故障检测技术 森吉米尔轧机是一种高精密的轧机，在国内外的冶金行业巾有着重要的地位， 其结构复杂辅助设备多，尤其润滑设备庞大。相对而言是一种控制难度很高的 轧机，因此对自动化系统要求很高。待研究轧机在逻辑控制方面引入p j c 控制， 同时还设有对故障的检测手段，采用彩色动态画面跟踪技术，可以提高岗位人员 的监控能力。 33 1p l c 系统构成 该系统采用二级计算机控制方式：基础自动化级采用美国g e 公司生产的 g e 9 07 0p l c ，机型为 c 6 9 7 c p x 9 3 5 。该机i l o 总数1 2 2 8 8 入1 2 2 8 8 出，用户内 存1 m ，1 个r s 4 8 5c o m 口。由它来完成对轧机电气逻辑部分的控制，包括故障 检测、交流传动控制系统，交流电机控制及电磁闻控制等。编程器用于用户软 件的编程监控、显示、打印等。上位机采用t 2 s 公司工业级p c 机，上位机与p l c 通过以a 厢进行数据交换，通过彩色动态画面跟踪显示，反映轧机各类机械设 备、电气设备的当前状祝及各种运行参数。轧机p l c 控制系统配置图如图3 4 所示。 图34 轧机p l c 控制系统配置图 p l c 控制系统由2 个站组成：主站p l c 采用分布i o 控制，主要进行p l c 用 江苏大学工程硕士学位论文 户软件的扫描、监控及模拟量的采集，对轧机电磁阀控制中心的1 0 5 个电磁阀 进行控制，由p l c 输出模块直接驱动电磁阀线圈，同时采集各种位置信号；交 流控制中心的各类油泵、风机的交流电机进行控制，同时采集所有交流电机的 运行及故障信号；传动p l ci 0 站主要对主轧机、左卷取机、右卷取机和开卷 机等主要交流电机进行逻辑控制，以及速度，张力控制，接收主站控制命令， 同时采集传动的电压，电流，速度和张力信号、运行状态和轻、重故障信号， 送到主站p l c 。二级计算机主要用于轧机轧制道次表编制，s l n 参数控制，接受 三级网络的生产指令，同时上传轧机运行状态和生产完成数据。 3 3 2p l c 软件系统功能 轧机控制程序由电磁阀、交流电机及直流电机等控制程序组成。电磁阀控 制程序主要控制所有电磁阀的动作及运行状态和故障的采集、显示等。交流电 机控制程序主要控