（机械工程专业论文）热轧地下卷取机扭矩分析及预测.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 地下卷取机是热连轧生产中十分重要的机械设备，作为热连轧的收卷设备，其工作性 能的好坏直接影响到产品的最终质量和整个工作机组的生产效率。为了保证卷取控制具有 良好的性能，使得卷取过程具有合理的扭矩，更好的完成生产要求，就要提高张力控制系 统的性能，做好传动最大扭矩的预测，为实际生产提供可靠的科学依据。 本课题以武钢工程项目为背景，对地下卷取机做了整体分析介绍，并运用s i n m l i n k 和 b p 神经网络系统对带钢卷取的最大扭矩进行了预测。具体包括： 1 ) 细致研究了生产现场地下卷取机的主要组成，介绍了卷取区域的相关设备及其作 用；分析了卷取工艺过程( 准备、正常、收尾三个阶段) 。 2 ) 对地下卷取机卷取扭矩组成进行了详细分析，根据各力矩与卷径间的关系建立了 动力学方程，并运用s i i i l i l i n k 软件建模仿真，从理论层面对卷取扭矩进行模拟，并给出了 部分规格带钢卷曲过程扭矩变化图。 3 ) 在理论分析的基础上，针对测试钢种进行扭矩测试。对实际测试数据进行分析整 理，并以实际测试数据为依据，利用b p 神经网络建立两个模型，利用算法学习对象的典 型变量样本，并反馈目标逼近值。完成模型训练过程，分析误差范围及产生误差原因，确 定模型可行性。运用两个模型分别针对目标型号带钢进行预测，给出最大扭矩预测值。 4 ) 对扭矩分析预测进行总结，并指出分析应注意的问题及改进方向。 关键词：卷取机；张力控制；扭矩；s i m u l i l l k ；b p 神经网络 第工工页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t u n d e r g r o l l i l dm i l li sav e 巧i i i l p o r t a n tm e c h 越c a le q u i p m e n ti n 也ep r o d u c t i o no fs t r i p a s 1 e w i i l d 曲ge q u i p m e n to fs 仃i p ，也e 、v o r kp e r f o n n a i l c eo fu n d e r 舒o u n dm i l la f r e c t s l eq 砌i t yo f t h e p r o d u c t sa i l dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo ft h ew h o l ew o r k 础sd i r e c t l y i no r d e rt og u a r a i l t e et h e p e 哟m a l l c eo f 丽n d i n gc o 撒o l i sf i n el e tt l l ew i n d i n gp r o c e s sh a sr e a s o n a b l et o r q u e a 1 1 d c o m p l e t ep r o d u c t i o nr e q 脚r e m e n t sb e t t e r ，t h ep e r f o m l a n c eo ft e n s i o nc o n t r o ls y s t e ms h o u l db e i m p r o v e da n df o r e c a s to f 仃a n s m i s s i o nt o r q u es h o u l db ed o n et op r o v i d er e l i a b l es c i e n t i f i cb a s i s f o rp r a c t i c a lp r o d u c t i o n a c c o r d i n gt o 丽s c op r o j e c ta st 1 1 eb a c k 铲o u n d ，t h i ss 1 l b je c th a s 、h 0 1 ea n a l y s i so fl l i l d e r g r o u n d m i l l 珊1 a t sm o r e ，s i m u l i n ka i 【db pn e u r a ln e t 、o r ks y s t e mh a sb e i n gu s e dt of o r e c a s tt h eb i g g e s t t o r q u eo fs t r i pc o i l i n g s p e c i f i c l yi n c l u d e ： 1 ) t h em a i nc o m p o s i t i o no fu n d e 玛r o u n dm i l li nt h ep r o d u c t i o ns i t e h a sb e i n gc a r e 如l l y a i l a l y s i s e d r e l a t e de q u i p m e n ta 1 1 di t se 虢c ti nt 1 1 e 晰n d i n ga r e ah a sb e i n gi n 仃o d u c e d a n d t l l ep r o c e s so f 、耐n d i n gh a sb e i n ga 1 1 m y s i s e d ( i n c l u d i n gt h e r es t a g e s ：p r e p a r e ，i l o m a l ， e n d i n g ) 2 ) d e t a i l e da 1 1 a l y s i sh 弱b e i n gg i v e nt ot h et o r q u eo ft h e 吼d e 玛r o 吼dm i l l ，a n da c c o r d i n gt o t l l e r e l a t i o n s m pb e t w e e ne a c ht o r q u e a r l d c o i ld i a m e t e r ，d y n 锄i c se q u a t i o nh a sb e i n g e s t a b l i s h e d 珊1 a t sm o r e ，s i m i l i n ks o f h 琵i r eh a sb e i n ga p p l i e dt oe s t a b l i s hm o d e l sa n d s i m u l a t i o n s i n l u l a t e 廿1 ew i n d i n gt o r q u e 丘o mt 1 1 et 1 1 e o r e t i c a ll e v e l ，a 1 1 dp a r to ft h et o r q u e v a r i a t i o nf i g u r eo f 、耐n d i n gp r o c e s sh a sb e i n gg i v e n 3 ) o nm eb a s j so f 1 e o r ) ra n a l y s i s ，a c c o r d i n gt o t e s ts t e e l ，t o r q u et e s t i n gh a sb e i n gd o n e t 0 a n a l y z et i l ea c t u a lt e s td a t a ，a 1 1 dv v i mm ea c t u a lt e s td a t aa st 1 1 eb a s i s ，a c c o r d i n gt 0b p n e l l r a ln e 铆o r ke s 切【b l i s h 俩om o d e l s a n da c c o r d i n gt oa l g o r i t h mt ok n o wt y p i c a lv a r i a b l e s 锄p l e so ft 1 1 eo b j e c t w h a t sm o r e ，t h ef e e d b a c ko n 蹦1 e nv a l u e a r e rt 1 1 ec o 1 p l e m e n to f t 圭1 em o d e l 佩n j n gp r o c e s s ，e r r o rr a l l g ea n dm er e a s o no fm ee r r o rs h o u l db ea 工1 a l y s i s e dt o g l l a r 趾t e em ef e a s i b i l i t ) ro ft h em o d e l t w om o d e l sh a sb e i i l gu s e dr e s p e c t i 、，e l ya c c o r d 迦 t ot a r g e tm o d e lt ot e s t ，a i l d 也eb i g g e s t p r e d i c t e dv a l u eo f t l l et o r q u eh a sb e i n gg i v e n 4 ) s u m m a r y t 1 1 ef o r e c a s to ft h et o r q p ea n 2 l l y s i s ，a n dp o i n to u tp r o b l e m st 1 1 a ts h o u l db ep a i d a 仕e n t i o nt 0a n di m p r o v i n gd i r e c t i o n si nm ep r o c e s so fa 1 1 a l y s i s k e yw o r d s ：c o i l e r ；t e n s i o nc o 嘶o l ；t 0 r q l j e ；s i m u l i i l l 【；b pn e u r a ln e r k 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 卷取机发展历程及张力扭矩发展现状 1 1 1 卷取机的发展历程及张力的发展状况n t 7 ，2 4 1 卷取机一般出现在冶金行业，其主要用途在于将超长轧件卷取成钢卷，以便于销售、 运输及贮存。 2 0 世纪8 0 年代以前，国内外使用的卷取机大都为气动助卷辊型式口引，此类卷取机中， 侧导板及其夹送辊开口度的控制都是通过气缸来驱动的。这种类型的卷取机具有只能小张 力卷取钢带，带钢头部对助卷辊的冲击很大，运作时噪音高，并且带钢会有冲痕，卷筒的 振动大，构件磨损速度较快、助卷辊臂容易开裂等缺点，维修频繁，卷取质量也不是很好。 从8 0 年代末开始，由于国民经济的重视，我国陆续引进了多条热轧带钢生产线。目前 新型热轧带钢卷取机组成复杂，主要由卷取机前的侧导板、卷取机机架、夹送辊、卷筒及 助卷辊等主件组成n3 。侧导板、夹送辊、卷筒、助卷辊都为液压缸控制，改进了以前的技 术，不在为气缸控制，各液压缸和气缸都有相对应的压力伺服控制和位置伺服控制。目前， 具有代表热轧卷取机发展趋势的主要有德国的s m s 卷取机和日本的i h 工卷取机。现代卷取机 卷取全过程基本都由计算机控制，只有少数地方需要人工操作，具有动作平稳，加速度快 等特点，卷取的钢带卷边缘整齐、密实n 3 | 。 近二十年来，随着与国外的密切交流，国内相关技术发展迅速。卷取机张力控制设备 及技术也紧跟国外，基本上保持同步发展状况。具有代表性的有南京航空航天大学设计开 发的h i 系列高性能控制变频器以及华为生产的t d 3 3 0 0 系列张力控制专用变频器等等口6 。相 对国内张力系统控制设备而言，国外设备不仅对卷取过程中的张力有精确严格的控制，而 且在控制建立初始张力和卷取即将完成过程中的张力都有着很好的效果，并且人机界面友 好，功能完善，如：手动自动控制、缓冲启动、防松卷功能、模式选取、相关参数的保 存及调用、多种通讯接口融合、自我诊断模式等。为了提高销量，扩大设备用途，国外各 个公司在生产张力控制设备时均采用开发系列产品的思想，提供多种方案，保证用户卷取 不同产品时满足各种工艺需求n 铲1 7 1 。 随着时代的发展，目前热轧带钢的生产工艺，除了要不断提高产品的精度、表面质量、 板型、力学性能及加工性能外，还要求能够在自动化、高效化和连续化生产方面能有新的 突破，以适应板材产品的市场需求。现代热板材轧制生产的发展趋势有如下特点：( 1 ) 提 高轧制速度。精轧出口的板材速度从5 0 年代的6 1 0 州s 发展到现在的3 0 州s ，这已经有了质 的飞跃。同时，考虑到带钢速度超过1 2 “s 后会在输出轨道上出现漂浮及速度快、咬入困难 等状况，现代的高速轧机均采用加速轧制技术，即开始以1 0 州s 的速度轧制，待卷取机卷取 钢带刚进入正常卷取状态时，卷取机和轧机同步加速，达到同一速度，正常的轧制卷 取速度。( 2 ) 增加卷重。起初钢卷的重量一般为的5 到l o 吨，目前已经提高到四十五吨以 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 上。( 3 ) 产品规格范围的扩大。薄板生产过去只能生产2 1 0 n 蚰，目前薄板已经薄到了0 1 0 2 l m ，而厚板规格则有以前的1 0 i m 提高到了2 0 m m 。( 4 ) 机械设备的不断改进。由于热 轧带钢的生产效率很高，因此，为了提高生产速率，增加产量，就要尽可能减少非生产时 间占总时间的比例。因此，加强加热炉前后、废钢处理工序、卷取机前后的机械化程度的 就成为了设备改进的重要对象。( 5 ) 采用新工艺。虽然几十年来，热轧带钢生产的总工艺 流程没有很大改变，但总流程中的各细节部分都采用了新的工艺，主要有：分材轧制、侧 边轧制、恒定小张力轧制、层流冷却及张力卷取等。( 6 ) 自动化程度不断提高。自从6 0 年 代开始，各国都开始采用计算机控制，大大提高了生产效率，同时其带钢热连轧机组的自 动化程度在一定程度上也代表着本国轧钢自动化技术的水平。 带钢热连轧机的自动化水平经历了以下的发展阶段： ( 1 ) 5 0 年代以前：人工操作； ( 2 ) 1 9 5 5 1 9 6 0 年：人工操作加上单机自动化控制，即部分机器自动化控制： ( 3 ) 1 9 6 0 1 9 6 9 年：单机自动化控制与计算机控制并存： ( 4 ) 1 9 7 0 年以后：全自动化控制。 分析目前国内外现有的张力控制设备系统，可以得出以下结论：张力控制设备系统正 向着功能多样化及其产品系列化方向不断发展，逐步走向集机械、电气、液压及计算机控 制等为一体的高自动化模式。 经过几十年来的文化沉淀与知识积累，人们已经总结出了现时代最优的卷取工艺和卷 取策略。2 0 1 1 年6 月出版的机械制造行业研究报告中有这样一份报告：2 0 1 1 2 0 1 6 年卷取 机行业发展趋势及投资规划分析报告。这份报告是经过大量的、周密的市场调研工作后 得出的，主要依据了我国相关部门、国内外相关刊物的基础信息、各行各业及研究单位提 供的大量资料，并且结合深入的市场调查资料，还考虑到经济危机对我国主要行业的影响， 重点探讨了卷取机行业的整体及其相关子行业的运行情况，并对未来卷取机行业的发展趋 势和前景进行了分析和预测。报告包括了卷取机行业相关界定、中国卷取机行业发展概况 分析、2 0 1 0 年卷取机产业相关行业发展概况、2 0 1 0 年中国卷取机行业发展概况、2 0 1 0 年 中国卷取机行业整体运行状况等十四章内容，此报告是相关企业、研究单位及银行政府等 部门把握该行业发展动向、企业战略发展方向不可或缺的专业性资料。从这个报告也可以 看出卷取行业对国家发展的重要性。 1 1 2 卷取扭矩简述n 6 。3 q 随着社会科学技术的飞速发展，现代社会的不断进步，旋转机械设备处处可见，例如 各式各样的电机、发动机，机械传动轴等，这不仅给人们带来了方便，同时也带来了不少安 全隐患。在工业生产及制造领域，旋转机械设备，如：涡轮机、风机、发电机、压缩机、 泵等都是生产运作的关键设备，而转轴又是这些大型旋转机械的重要动力传递部件之一。 作为设备的核心部件，通常都具有体积大、速度快、工作时间长等特点，其工作状况的好 坏直接影响着企业的生产效率和产品质量。一旦转轴出现故障，轻者影响设备性能及生产 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 效益，重者将造成巨大的经济损失，并且有可能造成人员伤亡。如1 9 7 0 年，美国m o h a v e 电站， 一台发电机组连续两次发生大轴断裂事故；1 9 8 8 年，陕西秦岭电厂，一台汽轮机组因扭振 导致轴系断为1 3 段。在这些事故中，由于转轴扭转振动引发的事故就占有一定的比例，其 主要原因在于当转轴扭振时，转轴的应力状态会发生周期性地变化，引起转轴相关零件及 本身疲劳，出现故障，严重时出现转轴断裂情况。此外，扭振还会破坏机器运行的平稳性， 造成其他一些不良影响。于是，在预防机械传动系统故障中，对转轴的动态载荷特性进行 预测成为了一个重要手段。 为什么会产生扭振? 产生扭振是由于轴类传动件在传递动力过程中，会受到各种不停 变化的力矩作用，如驱动力矩、轮齿间的冲击力矩等。这些力矩来自外界或系统自身。由 于轴自身具有弹性和惯性，当其受到周期性变化的力矩作用时，原有的力矩平衡状态就遭 到了破坏，使轴的各弹性部分产生不同相位、不同大小的瞬时速度起伏，并造成转轴运转 过程中沿旋转向来回的扭动，形成扭振。 为了提高轧机的生产性能，目前轧机的发展趋势已经向着大型化、高速化及现代化的 方向发展，主要表现为轧机的驱动功率及其轧制力矩不断增大，但是轧机的机械结构部件 设计却向着反方向发展，越来越经济。当时，在轧机设计时重点考虑的问题是静态强度， 没有将扭振计算考虑到设计范围，因而由于扭振的原因造成的破坏越来越频繁，其问题也 变得突出起来。 随着时代的发展，各种机械设备系统的自动化程度不断加强，结构的复杂化程度也不 断提高，需要获取的信息量也不断扩大。这就对传感器的精度、响应速度和可靠性提出了 新的要求，同时为方便与系统连接，保证信息的及时型、畅通性，就要求其有合适的输出 形式。同时也对系统的信息处理速度、过程、信息量大小、结果可靠性提出了更高的要求。 几十年的国内外研究发展表明，扭矩测量及预测的发展趋势呈现以下状态：由静态测试转 变为动态在线监控：由间接性测量装变为直接性测量；由单功能的模块转变为多功能模块 的集成，包括自诊断、自修正、自补偿、远程设定、信息储存与记忆等；系统更加微型化、 智能化、数字化网络化：动力装置控制有效的与扭矩监测相结合起来，使其转速、输出功 率、扭矩达到合理的配置。长期以来，由于监测系统都很依靠传感器的特性，外加扭矩传 感器测试技术的相对落后，一般只能满足对静态扭矩进行精确测量。针对目前状况而言， 对于振动扭矩、随机扭矩等一系列的动态扭矩还没有一个合理可靠的、标准的动态扭矩测 量装置。对热轧卷取机而言，由于其工作状况、环境的恶劣，扭矩的长期测量及在线监测 也有一定的困难。为了更好的完成生产要求，为实际生产提供可靠的科学依据，对于不同 钢种的扭矩预测就十分必要。只有在合理的扭矩下生产时才有在线监测的必要，他们是相辅 相成的。因此对于机械运转扭矩的预测就显得格外需要。 1 2 本课题的研究背景与意义 地下卷取机设备在热连轧生产线上占有极其重要的地位，其工作性能的好坏，直接影 响着成品带钢的质量和整体机组的生产效率。研究高强度、高性能、高效率的卷取机是世 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 界上各地的钢铁生产厂家重要任务之一，并且都已经取得了较大的进展。然而，目前国内 所使用的卷取机技术相对比较落后、水平参差不齐，大部分都处于三、四十年前的国际水 平。因而，研究卷取机动力学行为，运用现代理论和方法对设备进行升级及技术改进，有 着巨大的经济效益。在机械传动系统中，扭矩和转速一样，在机械生产性能方面都是典型 的机械量之一。对传动系统进行扭矩分析及预测不仅可以保证各种生产设备和相关辅助设 备的正常运行，而且有助于提高生产效率，节约能源。提高扭矩预测的准确性、扭矩异常 状况的分析可靠性以及提高扭矩控制和监测的实时性，是使得生产顺利进行、减少事故产生 的重要手段。扭矩的在线监测及预测对于减小非计划的检修时间、快速分析事故产生原因、 临时处理微型事故及快速排出故障，以及提高生产效率、增大经济效益等都有着重要的意 义。在目前市场经济竞争激励的环境下，产品要想占有一定的市场率，获得更高的利润， 就要向着更高速度，更大功率，更高效率的方向发展。扭矩的预测及测量能为这些旋转机 械的生产设计提供可靠的科学依据，同时还可以保证生产机械的效率、寿命和产品的质量。 本论文就是针对武钢二热轧卷取机能力校核项目而来的。卷取机扭矩预测只是其中的 一个子课题。由于扭矩中的张力矩所占比重很大，因而对其张力矩的分析就不可或缺。卷 取机的张力控制是由基础自动化系统通过接受上位机传送过来的钢带宽度、厚度、温度、 屈服极限等因数，通过计算卷径等相关因子，给出卷取所需要的张力给定值，并通过动态 控制，实现张力的恒定。张力过大和引起带钢咬入时出现缩颈，对于高温带钢和低强度带 钢而言，效果会更加明显。卷取过程中张力过小或者无张力会引起卷取材料跟踪混乱，导 致废钢。不同的带钢卷取又需要不同的张力与之对应，长带钢和短带钢的张力控制也有不 同，并且张力控制又和速度密切相关，因此卷取机张力的正确给定是影响带钢卷型和质量 的重要因素。 对于热连轧设备而言，要想建立适当的张力，设定合理的扭矩，那么就必须对卷取相 关设备的结构、工作原理等了解清楚，故这些都是要研究的内容。而且卷取张力控制是一 个变化的，因而在卷取过程中对其干扰的减小甚至排除都是要考虑的问题。 由于实际测试很依赖传感器，而常规传感器在信号采集时往往都会由于工作状况、环 境等原因而出现误差，导致在反馈调节时恒张力的控制效果欠佳。为此引入s i m u l i n k 和神 经网络模拟，通过s i m u l i l l l 【理论层面的算法研究和模型模拟，外加神经网络人工智能的模 拟运算，实现扭矩值的正确预测。 1 3 本文的主要工作 本论文以实际轧钢厂项目为依托，以s i n l u l i l l l 【和b p 神经网络为工具，以地下卷取机 卷取过程中的张力及扭矩为研究对象，分析了生产线卷取机区域的主要的生产设各和工艺 过程；介绍了卷取全过程；在理论层面上通过s i m u l i l l l 【建立模型并给与部分不同规格产品 卷曲过程中扭矩的预测；在实际状况下利用b p 神经网络建立模型并给与目标规格产品卷 曲过程中的扭矩预测。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 本文章节构成： ( 1 ) 课题的来源、意义及研究方法。随着时代的发展，现实社会对高强度、高硬度 的钢板的需求不断增加，要求不也断提高，因为对地下卷取机的要求也不断升高。通过对 卷取过程最大扭矩的预测，为实际生产提供依据，具有很大的实际意义和生产价值。 ( 2 ) 卷取工艺及过程分析。细致的研究了卷取现场的控制系统的整体结构、卷取机 区域的主要设备、功能、卷取机控制过程、张力的建立及张力控制的典型环节等内容。为 文章后面建立模型进行预测提供支持。 ( 3 ) 数据测试。通过现场实测得出不同规格的带钢卷取过程最大扭矩值，给s i m u l i l l l 【 预测提供对照，同时为b p 神经网络预测提供数据支持。 ( 4 ) s i m u l i n k 预测。通过理论公式的分析，运用s i m u l i n k 建立模型，按照工厂提供 的部分数据进行预测分析，给出工厂要求下的部分规格钢种卷取过程的扭矩变化图像。 ( 5 ) b p 神经网络预测。通过实际测试数据的分析整理，运用神经网络建立模型，然 后训练、预测，给出目标规格钢种卷取过程的最大扭矩值。 研究的创新点有： ( 1 ) 从基础理论出发，建立s i m u l i n k 模型，理论联系实际，合理推测扭矩最大值； ( 2 ) 通过神经网络将测试数据系统化，将有限的数据扩展化，能够模拟出各种不同数 据下的扭矩值，提高了工作效率； ( 3 ) 将s i i n u l i n k 模拟与神经网络模拟相结合，从多方面预测结果，提高了结果的准确 性和可信性，为实际生产提供了很好的科学依据。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 2 1 卷取机相关介绍 2 1 1 卷取机生产现状 第2 章地下卷取机工艺过程分析 卷取机又名地下卷取机，且便于卷取宽而后的钢卷，具有生产效率高、卷取的钢卷密 实、卷取速度快等特点。热轧带钢卷取机卷取的大都是工业原材料，这些原材料不仅用于 钢厂本身大量热轧带钢被用作冷轧的原材料或者制作管道的材料，而且在汽车、船舶、 航天、建筑、化工等工业部门也有非常广泛的应用。因此，在国民经济的发展中，卷取机 有着举足轻重的地位。 地下卷取机除了应用于热轧带钢生产线以外，还应用于薄板连铸连轧生产线、中厚板 连铸连轧生产线、冷轧带钢生产线等带钢生产线上，并且在其中都扮演着相当重要的角色。 卷取机是一个集电器、机械、传动、控制为一体的大型工作系统，并且工作坏境恶劣，伴 有冲击振动、高温水等不利因素，经常会造成卷取的钢卷质量低下，出现松卷、锯齿、层 次型等问题。卷取机扭矩的控制直接影响着轧制上产线的节奏和效率，也影响着带钢的最 终质量，对产品的效益影响极大。 在热轧带钢卷取过程中，带钢如果没有张紧，带钢是无法卷取的：带钢张紧力不适当， 会造成带钢边缘不整齐、钢卷松散等状况，张力过大，会出现缩颈、拉断状况，并且会使 得钢卷内圈出现滑动，刮伤钢带，影响表面质量。同时，太大的张力还会造成钢带内部应 力过大，使得钢卷内陷、凸出，降低钢卷品质。张力过小，由于自重等原因，卷取的钢卷 会出现松散，并且在松散过程中，由于滑动会在钢带表面产生划痕，严重松散的还会无法 包装、运送等。 热轧带钢的产品按照钢种可以分为：碳素钢、合金钢、硅钢、高碳钢、不锈钢、船用 钢等，按照产品规格可分为：宽度7 0 0 m m 到2 0 5 0 m m ，厚度2 m m 到1 8 m m 范围内的各样 产品。其中屈服强度大、延展率高、抗拉性强的带钢对卷取机性能的要求更加之高。 2 1 2 卷取机的分类 卷取机和输送辊道、层流冷却设备一样，为轧钢车间里的重要辅助设备之一。生产实 践表明，连轧机生产力的强弱受到卷取机工作状态的直接影响，一旦卷取出现问题，生产 就无法继续，因此对于高强、高速卷取设各的研究一直受到人们的高度重视。 由于板材生产与线材生产、冷带生产与热带生产之间工艺上的差别，不同用途的卷取 机都有各自的特点和功用，从而导致了它们在结构上、功能上的差异。卷取机类型繁多， 按其构造及用途可分为三种：( 1 ) 线材和小型型钢卷取机：( 2 ) 带张力卷筒的卷取机( 一 般为冷状态且有张力的条件时卷取钢板或带钢) ；( 3 ) 辊式卷取机( 用于热卷、冷卷钢板 和带钢) 。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 热轧带钢卷取机是热连轧机、炉卷轧机等轧钢器件的配套设备，形式众多，包括地上 式、地下式、有卷筒式、无卷筒式等n3 | 。由于地下式卷取机生产率高、速度快、卷取钢卷 密实等特点，因而，地下式卷取机在现代热连轧生产线上得到了广泛的运用。 2 1 3 地下卷取机的组成n 。3 ，7 刮 图2 1 为热连轧机生产线上精轧机末端到卷取机区域设备整体布置图。板材经加热炉 加热后先除磷，然后经过粗轧机初步轧制，再经飞剪切头，处理后的板坯送至精轧机组精 轧，精轧完成后，在输出辊道帮助下，运送至层流冷却装置处，在计算机控制下给与适当 水冷，将带钢冷却至设定卷取温度范围内，最后由相应卷取机卷取。卷取机区域一般设置 有2 到3 台卷取机交替工作，分别为1 号、2 号和3 号，通常3 号为备用( 下图未画出) 。 带钢经层流冷却区域冷却至目标卷取温度后进入侧导板，侧导板区域传感器感受到钢板送 来，立刻启动短行程控制模式，由液压缸精确控制侧导板开口度，将带钢正确引导入卷取 机。带钢在夹送辊作用下弯曲转向，顺着导板下移，进入地下卷取机卷取。卷取完成后， 卸卷小车卸掉带卷，经打捆机打捆处理，再由步进梁运到输送链，转入运输线，运至仓库 或者下到工序处。 1 # 卷取机 图2 1 卷取机整体布置图 2 # 卷取机 1 # 助卷辊 筒 2 # 助卷辊 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 l234 图2 2 卷取机组成 1 末架精轧机2 侧导板3 热金属检测仪4 上夹送辊5 下 夹送辊6 辊道7 1 号助卷辊8 2 号助卷辊9 3 号助卷辊 1 0 卷筒 因为一般来说卷取机基本相同，于是以一号卷取机为例，如上图2 2 所示。该卷取机由 机架、助卷辊传动、助卷辊、底座、卷筒传动、卷筒、活动支撑、卸卷小车、配管、液压 系统和开关等组成。卷取液压控制图如下图2 3 所示。 图2 3 卷取液压控制图 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 2 2 卷取工艺过程研究n ”，1 5 ，2 4 3 2 2 1 卷取机主要设备 以武钢二热轧连轧地下卷取机为研究背景，为全面的掌握卷取机卷取过程中的张力控 制，以及卷曲过程中各设备之间的张力对过程稳定性的影响极其作用，先要对卷取机只要 设备进行整体研究。 卷取机主要的现场设备有：输出辊道、侧导板( 侧导尺) 、夹送辊( 张力辊) 、倾斜版 ( 斜槽) 、地下卷取机、助卷辊( 成型辊) 、卷筒、卸卷小车及升降小车等。卷取机的流程 图如下图2 4 所示。 此外，在卷取机部分地方还需要配备适当辅助设备，如：卷取机喷水冷却系统、卷取 机润滑油及液压油共给设备、钢卷托盘以及分布于各处的传感器和检测装置等。 2 2 1 1 输出辊道 图2 4 卷取流程图 输出辊道的作用是把钢带从f 7 精轧机组传送到卷取机，同时也使得带钢在层流冷却 系统中被冷却到合适的温度。输出辊道从f 7 精轧机组到l 号卷取机中心线全长约1 2 0 米， 输出辊道约3 0 0 余根，另外，2 号和3 号卷取机前的2 组桥接辊也算是输出辊道部分。这 些辊子都由变频控制电机进行控制，并且分别由单独的三相异步电机逐个驱动。 为了保证与精轧机同步旋转和输送辊道上的带钢头部和尾部的平滑穿带，辊道采用了 引前速度控制和滞后速度控制，并且根据卷取机相应的给定值控制精轧出口的带钢头尾的 轧制速度，从而保证了卷取的顺利进行。此外，在带钢尾部离开精轧机之后，尾部会根据 跟踪结果自动减速。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 2 2 1 2 侧导板 侧导板的作用在于带钢的预先对中以及横向导向，从而防止带钢跑偏，以免影响钢带 的卷取质量。侧导板的纵向移动方式为液压驱动方式，通过伺服阀、截止阀、止回阀等控 制两侧导板的打开、关闭、停止、释放等状态，因而其宽度和位置是可以根据轧制规程进 行调整的。其宽度的可调整范围为9 5 0 m m 到2 3 0 0 m m 。这个范围包括了轧制给出的带钢宽 度范围1 0 0 0 m m 至2 1 5 0 m ，并且在每一测加上了外侧安全范围7 5 m m 和内侧安全范围 2 5 i i u i l 。侧导板有三个，分别布置在1 3 号卷取机夹送辊前面，可以垂直的在轧制方向上 移动。在1 号卷取机前的侧导板包含了一个平行装置和每测各一个的倾斜装置；在2 号和 3 号卷取机前仅有一个平行装置。因为平行装置平行于轧制方向，用于预先对中，而倾斜 装置用于横向导向；而2 号和3 号卷取机前不需要对带钢头部再次导向，因而不需要倾斜 装置。 为了防止带钢头部在侧导板处卡钢，一般来说，在带钢头部未到达之前，侧导板的开 口度应调整在适当位置，扩大通行宽度，即在带钢的宽度基础之上加上一个偏差值。 2 2 1 3 夹送辊 夹送辊的作用在于在带钢进入卷取机时引导带钢正常进入，同时还有保证卷取时张力 的恒定和夹持输送的作用。在卷取机侧导板末段、卷筒入口处设有2 个夹送辊：上夹送辊 和下夹送辊。上夹送辊由交流电机通过齿轮减速机构传动，下夹送辊由交流电机直接驱动。 两夹送辊所采用的辊径不用：上夹送辊为辊径为9 0 0 n h n 左右，下夹送辊辊径为5 0 0 u i l 左右。 并且上下夹送辊圆心不在同一竖直直线上，他们之间有1 0 。到2 0 。的偏角( 水平距离为 2 0 0 l m 左右) ，其作用在于引起带钢弹性弯曲变形，改变板带走向，引导带钢正常绕进卷 筒，保证卷取过程顺利进行。为了使带钢进入斜槽时有正确的导向，同时增加弯曲变形， 一般采用上夹送辊向带钢运动方向对下夹送辊偏移一个距离，即辊缝。目前较为先进的 s m s 和i h i 卷取机均采用的是全液压式驱动，目的主要在于获得准确的夹送辊开口度f 由于 夹送辊以前的气缸压下方式被全液压方式取代，以前通过压缩气体将带钢咬入的方式已经 不能使用。不同厚度及不同材料的带钢必须和夹送辊的开口度配合良好才能够正确的咬 入) ，上夹送辊为了消除各轴承与铰接点之间的问隙，在轴承处均采用了弹簧装置，并且在 液压缸的夹紧和辊缝的调节过程中所采用的伺服阀控制均带有位移传感器来精确控制。辊 缝的设定及其卷筒、夹送辊和精轧机组之间的张力控制对卷取的质量有很大的影响。 2 2 1 4 助卷辊 助卷辊的作用在于引导带钢头部稳定的绕入卷筒进入卷取机。其由助卷辊外壳、助卷 辊、导向挡板和辊缝设定液压缸组成。助卷辊整体位于轧制线下方，驱动方式为液压驱动。 为1 拌、2 撑和3 撑助卷辊均匀分布在卷筒的外壁周围，每个助卷辊的动作分别由各自独立的液 压控制系统来完成，并设有自动跳步控制( a j c ) 的功能n 引。通过卷取机前的热金属检测仪 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 和夹送辊控制系统中的压力传感器的信号对带头进行跟踪，对带钢头部进行助卷辊间隙控 制，以一定的压力压紧，同时又留有空隙让其顺利卷取，反复控制，不仅可以防止头部产 生擦伤或者划痕，同时还可以将带钢卷得更紧【8 j 。3 个助卷辊在卷筒四周呈现均布状态，它 们在卷取机卷筒周围环绕一圈，为带钢进入提供通道，以便引导后续带钢紧贴卷筒进行。 助卷辊以一定的速度超前于卷筒，用以引导带钢头部进入卷筒保证钢带能顺利的缠绕 进卷筒，在助卷辊的辅助下建立起卷筒和带钢之间的张力，当钢带绕卷筒几圈张力建立完 成后，助卷辊就被打开。当卷取即将结束时，助卷辊又再次抱拢，并以一定的速度滞后于 卷筒的速度，从而收紧尾部，并引导带钢做好尾部的定位工作。将尾部压住是为了防止带 钢在卸卷时尾部上翘或者松卷，影响产品质量。 2 2 1 5 卷筒 卷筒的作用在于平稳的、紧凑的、顺利的进行带钢的卷取和卸卷工作。由于卷筒的精 度和功率没有精轧机架工作辊的精度功率那么高，因此电机选着了异步电动机。卷筒主体 由合金钢构成的腔体组成，其主要零件为棱锥轴和扇形板，卷筒的轴体一般用经过热处理 的合金钢制造，心轴、连杆和联接件一般为不锈钢制造，扇形板一般用耐高温的合金锻钢 制造，而滑动面则堆焊铜【9 j 。工作时通过涨缩油缸使棱锥轴前后运动，利用棱锥轴和扇形 板的斜面互相配合达到涨缩的目的。卷筒开卷前必须预先膨胀，在卷了几圈后，卷筒完全 膨胀。卷筒通过液压控制方式实现两次膨胀，其目的是使钢带卷紧，以便顺利建立起张力。 在钢带卷取完成后，钢卷以适当的位置与卸卷小车接触，卷筒此时收缩，与钢卷内圈分离， 从而使钢卷顺利卸下。卷筒的卷取温度一般为5 0 0 至8 0 0 。 2 2 2 卷取过程研究h 1 0 。1 5 1 卷取机工艺过程的体现主要是由上述设备的协调工作来完成的。根据各个设备的情况 可以将卷取过程分为三个阶段：准备阶段、正常卷取阶段和收卷阶段。 2 2 2 1 准备阶段 卷取机的准备阶段可以分为待卷和上卷两个阶段。当某一卷取机被选中用来卷取钢带 时( 三台卷取机不可能同时卷取，通常2 台卷取机卷取，一台卷取机备用) ，它就进入待 卷状态。在带钢头部进入卷取机以前，输出辊道、夹送辊、助卷辊和卷筒都要加入超前补 偿速度超前运转，即要比精轧机组速度快一点运转。加入超前补偿速度的目的是配合精轧 机组以维持前张力，用以引导钢带顺利上卷。 当钢带头部从精轧机组出来后，层流冷却系统开始工作，根据钢坯的产品要求调解冷 却水的用量，保证钢带在给定的温度下卷取。同时，卷取机进入预备状态，卷筒涨开，上 夹送辊下压，三个助卷辊环抱卷筒，且夹送辊和助卷辊在各自的液压调节辊缝系统的控制 下，按照钢板厚度设定的辊缝值，调整好上下夹送辊以及助卷辊和卷筒间的辊缝。这样上 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 卷前的准备工作就完成了。 当钢带头部进入卷取机区域以后，侧导板对其进行导向并且对中。钢带经过夹送辊前 段的挡板进入卷取机，并且借助上下上下夹送辊的偏心装置和由速度产生的张力迫使钢带 头部弯曲，在成型板的导向下进入卷取机。 带钢头部从夹送辊出来后，卷取机进入上卷阶段。带钢在斜槽的导引下，“钻进”事 先设定好的一号助卷辊和卷筒间的缝隙中，在钢带进入辊缝后，液压缸推动助卷辊，将钢 带紧压在卷筒上。接着进入二、三号助卷辊和卷筒间的缝隙，助卷辊重复1 号的动作。由 于卷筒和助卷辊速度超前率的作用，钢带再次发生弯曲，并且紧贴卷筒，这样在夹送辊和 卷筒间形成了一个封闭的回路，使得钢带能够顺利的卷上卷筒。随着钢带的卷入，带卷的 直径不段扩大，助卷辊和卷筒间的辊缝值由电脑控制，不断调节。当带钢卷径达到预期的 大小后( 一般为3 圈，也有适当大一点的到5 圈的) ，说明此时带钢在卷筒上已经绕紧， 同时助卷辊打开，上夹送辊上移，卷筒膨胀到最大位置，张力建立以后，卷筒速度适当降 低，进入正常卷取状态。 2 2 2 2 正常卷取状态 稳态卷取过程就是所说的正常卷取状态，此过程占卷取的大部分时间，因而此过程影 响整个钢卷的质量。稳态卷取的关键就在于保证钢带卷取的张力恒定。由前面得知，精轧 机、中间辊道、夹送辊和卷筒的速度在正常卷取时应进入同步速度状态。由于随着卷取的 进行，钢带的卷径不断增大，直径不断增大造成周长不断变长，要保证恒张力卷取，就要 保证线速度一定，因而卷筒的转速就要逐渐降低。卷取机根据后面传来的单位张力计算力 矩给定，并接受加减速转矩、弯曲转矩和机械损耗转矩作为电机转矩补偿，构成闭环前馈 控制系统化，保证钢带在精轧机组、辊道、夹送辊和卷筒间保持平稳张力，从而使得卷取 正常进行。 2 2 2 3 收卷状态 卷取机的收卷包括抛钢和卸卷两部分。 当带钢尾部从精轧机组抛出时，卷取进入收卷阶段。由于带钢离开精轧机组，使得卷 筒和精轧机间的张力失去，此时，为了保证卷取过程任然有张力存在，输出辊道、下夹送 辊、助卷辊和卷筒都要在同步速度的基础上加上一个速度滞后值。当带尾部达到尾部减速 结束点时，各设备进入带钢卷取的最后恒低速卷取。当带尾离开精轧机组，即进入收卷阶 段时，为保证带卷最终的质量，助卷辊再次环抱卷筒，压住外层的钢带，用以确保最后卷 取的带钢尾部能够整齐，紧密，以提高卷取质量。 钢带尾部离开夹送辊，卷取进入卸卷阶段。带钢最后的尾部卷入卷筒后，为使得卸卷 小车能够平稳的拖住钢卷，同时保证钢卷能够在紧密状态下打捆、运输，需要人工配合进 行尾部定位，此时卷取结束。卷筒停止，卸卷小车上升到指定位置，待卸卷小车拖住钢卷 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 后，助卷辊打开，卷简直径缩小至最小状态，同时卷筒端部的支撑打开，卸卷小车外移， 将钢卷移出至卷取机旁的打捆机处，经打捆、喷号后，由钢卷运输道链运输到钢卷仓库或 者下道工序处。卷筒外端支撑合拢，助卷辊又一次环抱卷筒，同时冷却系统工作，对卷筒 及助卷辊冷却，准备下次卷取。当运输链无法完全满足运输需求时，大型吊车会帮忙将部 分钢卷运送到指定位置，以保证卷取的顺利进行。 某钢厂1 7 5 0 热带钢卷取机头部在生产过程中出现异常：卷筒头部支撑端轴承破裂，更 换上圆锥滚子轴承后又出现了温度过高和摆动的等新状况。经分析发现此问题并不是卷筒 和卷速机同轴度问题，而是由卷取过程中的卷筒自重和卷取张力引起的卷筒头部过支撑造 成的。某热轧厂在生产过程中出现成品塔形和边缘不齐，分析后发现并不是对中不正确的 原因，而是张力没有设定合适造成的。武钢各热轧厂也常出现卷取机支臂开裂的状况，分 析后发现造成破坏的主要原因是卷尾时钢板对助卷辊的连续拍打造成的，如果能够合理控 制扭矩，就可以减小卷尾过程中钢带对助卷辊的拍打力，避免支臂开裂状况。实际生产中 常会出现卷取不平稳，钢卷塔形且边缘不齐，卷取卡钢、堆钢，扭振等问题，这些问题的 出现虽然不全是扭矩不适当造成的，但许多情况下都与扭矩相关连，分析卷取过程，为实 际生产计算合理的扭矩，不仅可以减少事故发生，还可以提高效率，增加产量。 2 3 本章小结 本章介绍了卷取机系统的整体结构，各个设备的名称、位置、功能以及在卷取过程中 与张力控制之间的相互关系。并且按运行状态详细介绍了钢带卷取的全过程，从全局的角 度陈述了卷取机设备与控制环境，同时给出了部分卷取过程中容易出现的问题：支臂开裂、 堆钢、卡钢、震动过大等及其产生的原因，对下一章卷取扭矩的研究做下铺垫。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 第3 章地下卷取机卷取信号测试 3 1 信号测试的目的及意义 信号是消息的载体，起着运载消息的作用。一个信号包含许多信息，这些信息反映着 一个系统的某些特征和状态，它是人们认识客观事物规律、研究系统相互关系、预测未来 发展状况的可靠依据。为了获得准确的扭矩值，用以s i m u l i n k 扭矩预测的对比验证及神经 网络的模拟预测，我们通过现场测试的方式记录下轧制各种规格带钢时的扭矩值。 3 2 信号测试的方法过程 本测试系统由试验装置( 轧机轧钢作业过程中的主传动系统) 、测量装置( 信号无线接 受装置) 、数据处理装置和显示记录装置组成。测试时，信号无线接受装置开启，分别在 空转和轧制作业状态下，对被测对象输出的扭矩信息进行拾取，变换，放大，显示，判断， 分析处理，记录，最终获取所需要的目标测试信息。测试系统如下图所示。 信 号 田 处 显电 念。图。 问 理 l 包民伙u 乡一目7 传 分 刁信 感 析 记号 、，- _ _ - ，_ 一 仪 录 输 j 器仪 出 器 设 备 测试装置 图3 1 测试系统框图 3 2 1 主卷筒扭矩测点的确定 主转筒扭矩测试选择主传动轴3 ( 如图3 2 所示) 作为其测点位置。测点位置为空心 轴