（机械工程专业论文）高容量镍氢电池极片轧机的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的不断进步，板带轧机的产量和质量已日益成为人们追求的首选目标， 厚度和板形是板带材两大指标。目前，我国中小型轧机的装机水平与发达国家相比还很落 后。工艺落后，产量低，质量差，缺乏市场竞争力，有待于技术改造。 为了提高轧机的综合性能，针对某公司由3 0 0 4 0 0 轧机存在的问题进行研究分析，对 拟开发的巾5 0 0 8 0 0 轧机进行了研究。 首先以弹跳方程为基础，结合轧机的弹跳方程曲线和轧件塑性曲线分析了各种干扰因 素对轧件出口厚度的影响。在分析了轧机a g c 系统及其运行机理的基础上，并考虑了液 压控制系统动态特性，建立了轧机机、电、液一体化模型。对轧机消除厚差的机理进行了 分析，并对轧机当量刚度等进行了讨论。 轧辊和轧机的弹性变形是影响板带轧制时工作辊缝和平直度及厚度的关键因素，在考 虑轧件弹性变形轧制压力计算模型的基础上，对轧机辊形进行优化设计。 针对预应力轧机刚度进行理论分析，并通过对试验和计算，证明了预应力轧机刚度可 提高2 倍以上。与此同时，分析了预应力轧机设计过程拉杆和机架截面及预紧力的确定， 为轧机最大发挥潜能以及可靠工作提供了依据。 对轧机的基本参数进行了计算，并介绍了主要元件的选用。并以w i n d a 蚋) 口为操作 平台，用m a a b 仿真软件对所建的a g c 模型进行了仿真。仿真研究结果表明，轧机 a g c 系统响应较快，抗干扰能力较好。 本文从理论上分析轧机刚度、厚度和板形控制问题，它的研究为小型轧机开发、改造 提供了依据。 关键词：板带轧机，厚度控制，板形控制，刚度 高容量镍氢电池极片轧机的研究 s t u d y t h cp l a t e r o l l i i l g m mo f t h e n i m h b a n e r y 谢t hh i 曲c 叩a c i 够 a b s t r a c t w 铀t b c d e v c l o p m t0 f s d e n o e 趾d 鼬蛔，t h c 州d 卸d t h eq i l a l i t y o f p l a 把r o l l i 】曙m j l l h a v e 乎a d u a l l yb e 啪e t h c 丘r s tt a r 伊晦o f 蚰印皿o c i i l 瓶s 缸i pl h i c i m e 踞a n ds h a p e 蛔v eb 嘲也c 缸，o m o s t i i i i p 删k e y t 。c h n o 姆c s i n t h cr o l l i n g 丘c l da s 加删1 i m d e v e l 叩c d 啷t h c a s s 锄b l i n g l e v e lo f 蚰l a l l 锄d l n i d d k t y p 嚣l l j n g 砌lo f o l l r 咂时j ss 衄v e f yb c i l i | 删岫咄t b c 嘲n g j n 蝉，脚i no u t p l l ta n dt h ep 鲫删t y m a l 【ct h cp 咄p 1 0 d u 咖b cs h o r t0 f 0 0 m p e d t i v ep c w i th 勰n do f t 础n o i o 邑j 船1 仃a n s 胁n a 商 f 缸i 1 1 锄b 痂g t h co v e r - a np i q 喇舾o f m l l i n g m ma n d t 0 u n t 盱也ec i 嘞tp r o b l 锄s0 f m n i n g m m0 f 由3 0 0 4 0 0n 艟p a p e rg i v 嚣s t i l d i 龉卸da n a l y s 嚣0 fap l 觚t ，a n da l s m d i c s t l l c 龇r 幽g m i l l0 f 由姗8 0 0 蛐砌p 1 觚t o b c d 喊嘲 f i r s to fa l l t h eb a s i s0 fb 0 嘲c i n ge q 蛐觚dc o m l 痂c db o u n 面1 9c q u a i 加鲫co f m u j n gm m a n dm 伽岫c u c0 fs t r i pt 0h a v cm u c d ，t h ep a p 盱锄a l y s e st h ea 丘瑟d o n0 f v a r i o 璐 d i s t u r b i n g f a 咖s t o t h e p c n 山i c 觚0 f s 砸p t o h i n gb c c r l l 0 u e d o n t l l e 蛐0 f 卸| a l y s i s0 f a ( ：s y 咖mo f1 0 n gm i l l 锄di 协砌一m e c i l a n i s m 锄d 璐i d c r i n gt h cd y n 衄i cc h 麟i c t e 曲i c0 f h y 岫u c n n d ls y s t c m ，也ep a p e f 锄删u c 鹤s t r l l d u i c0 ft h ci m e 孕妇e 删o fe l 黜乎 m c c h 卸i 锄锄dh y d m u h 岱0 f1 0 l l i n g 倒咄a 【a i l a l y s 嚣t h e 弘i n c i p l eo ft h i c k n e 豁e c i ra n d d i s c u 鼹龉t h ee q u i v a l ts t i l 伍n e s s ，v a r i a m es 临懿，c t l c o f l l i n gm m e k 疵d e f o m l 鲥o fm u e r 龃dm mi sm a j o rf 缸t h a ta 自晒c t s w o r 】l 【i | 唱d e a 瑚c c ， f h m e 龉柚dt t l i c 虹i 鹪s 印r a c y 蛐gm ep e r i o do fi o l l i n gs 岫p b a s c d 衄i o m n gp i 龉鲫 c a l c i l h t i m o d dt b a tw 蹈t a k c n 璐i d 眺o fm i l 盯p i o e l 勰如d e 向蜘， p a p c r 瓿p l a 缸st h c 叩蚴i 吼d c s i 印缸m u 盯s 咖p a 删n 咖0 fm j n gm i l l kt h i sp a p t o c o 呦t h e 和_ a l y s i so f s 缸嘟o f p f c l o a d c d s 扛t 瑚o f r o m r 喀m ma n d t h e t e s t a n d c a d c u l a t i o n o f t l l c 叫删s 仃c s s ，i ts 蛔粥l h a t t b cs t i 缅麟0 f 啦m i l lw i t h p r c l o a d e d s 缸嚣啪b c 缸删 m o 犯t h 锄2 血帮m n w 蛐c ，t h c p a p c r 札a l y s i sa l s oh o w 协衄肋t h ep i ：i l l i n g i 0 d ，辩d i 伽a l 硼o f t h c m i l l 丘a m ea n d t h cp f e - t i 曲i e n i n g 触t op r o v i d c t h eb 勰i s t h a t 础f l l uu 0 fb i g 呻t i a l e n 哪a n d g i v 髂r e l 洲e w 诎o f m e m u j n g m i l l 一- 沈阳工业大学硕士学位论文 t h ee s s t i a lp 锄m 吮稻0 f t b e 卿g t e 1a 北c 炯l 删觚d 辩l 蒯o f m a j o f p a r t sa a i 锄d u o e d ，e 】【p tt h 鸪t a 】d n gw 咖蛔s ) 四笛i t so s a n dm a ，na bs i m u l a 廿s m w a r ci su s c d 的d 0s i m u l a t i r d j 玎g t o m o d do f 跚【a t m s h e d a g cs y s t e m i n t l l i sp a p e r 1 k 嗍n 咖d i c d s h o w s 恤m es y s t e m 捌鲫h a sq u i 妇岫咖a n d b e t t e f 枷椭r e n c e c b 删t e r i s 盹 t h cp a p 盱卸| a l y s 嚣s t i 缅e 踞o ft h er o l l i n gi n i l l ，t h i c k n e 豁a n ds h a p e0 0 m m l 啦o fs 啊p 矗砌 t h e o s t i 删r 鹤i l l tp i 讲血i 龉ab 鹤i sf o rt h ed e v e i o p m 朋t 锄dp 置q 乒e 鲒o f 锄a us i 髓t i i i l gm m k e yw o r d s ：p i a t es t d pr o i n gm m ，s 蛹p 删c k n e 蹒c 伽【仃0 i ，s t r i p 鼬a p ec i m 岫吐s 幽e 鼹 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：日期：椰- 雪。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：隘导师签名：- = 衄日期： 1 玎，f rz ，“ 沈阳工业大学硕士学位论文 1 结论 现代化工业的发展对材料的精度要求日益提高，产品的高精度就需要设备朝高精度方 向发展：其中包括厚度控制高精度、板形控制高精度等。板带轧机是板带材生产的关键设 备，板厚、板形控制是大中型板带轧机的关键技术和高难度技术。板厚、板形控制技术将 会大大提高板厚板形控制精度，在国际钢铁行业中占据越来越重要的地位。随着高容量镍 氢电池的发展，极片( 板带) 轧制精度的控制越来越严格，开发轧制力大精度高的轧机是 十分必要的。 板带的主要衡量指标是厚度和板形，轧机控制主要包括轧件的厚度控制和板形控制两 大部分。厚度有纵向厚度和横向厚度，厚度自动控制( a g c ) 是指纵向厚度控制，其目的 是为了获得板带纵向厚度的均匀性【1 l 口 1 1 板带厚度控制的发展 板带轧机厚度控制从轧机诞生起，直到由计算机完成各种复杂的控制，其发展过程是 随着对板带尺寸精度要求越来越商而相应发展起来的。 2 0 世纪3 0 年代以前，近代轧制理论处于孕育萌芽阶段。这一阶段的轧机装机水平比 较低，厚度控制主要是以手动压下调整辊缝，轧机的调整主要依靠操作人员的经验进行 的，因此，该阶段尚未形成自动控制阁。 从2 0 世纪3 0 年代到印年代，是轧机的常规自动调整阶段。该阶段控制理论的发展 和完善为板带轧机厚度控制奠定了基础。同时，随着自动调节理论和技术的发展，并逐步 应用于轧制过程，使轧机步入了常规模拟的自动调节阶段。早期的厚度控制系统是根据测 量出口板厚偏差而调节电动机压下实现的【3 】。 从2 0 世纪6 0 年代起，随着计算机技术的发展及应用，计算机技术也逐步渗透到钢铁 制造业，使板带产品生产发生了变革。1 9 6 0 年美国麦克劳恩钢铁公司带钢热连轧机采用可 计算机进行设定控制，从此计算机开始应用于轧钢生产【4 】。形成了6 0 年代到8 0 年代的计 算机控制阶段。6 0 年代中期出现了热连轧机发展的鼎盛时期，各国相继改造和新建了一大 批热连轧生产线。6 0 年代后期在板带轧机的控制上，逐步过渡到以计算机设定和计算机过 高容量镍氢电池极片轧机的研究 程控制的阶段，并将这种控制方式大量的应用到冷轧机，使冷轧机在这一阶段发展很快。 7 0 年代起，液压厚度控制技术的应用，使板厚控制技术产生重大变革阎。 8 0 年代末至现在，板厚控制技术向着大型化、高速化、连续化的方向发展，成为板 厚控制技术发展的新阶段。这一阶段已将板厚控制的全过程融入计算机网络控制的自动化 级和基础自动化级。这一阶段，国外已经发展了la g c 系统，大大地提高了板带厚度控制 精度。例如：在s 衄i t 鲫ow a k a y 锄五架冷轧机上采用新的觚系统与传统的a g c 系统相 比，出口厚度波动降低了4 0 9 6 阎。 目前，板厚自动控制技术( a g c ) 已经日益成熟，纵向厚度控制精度基本得到解决。 现代控制理论及智能控制理论与技术也被广泛地应用于轧制过程的厚度控制。当前国 内外在板厚控制方面大部分研究工作围绕着以下几个方面： ( 1 ) 由于厚度自动控制方式很多，各种a g c 复合系统往往相互关联，相互影响，实 际上存在着最优方案，这是目前世界上一些该领域学者们积极研究的课题嗍。 ( 2 ) 随着人工智能在工业生产领域的应用，一些板厚控制系统也逐渐地采用人工智 能控制，主要在p i d 、模糊p i d 控制器的选择上【1 1 l 。目前采用的自适应网络p i d 、模糊p i d 控制器等大部分是应用在不稳定状态下进行厚度控制如：头、尾板厚控制【1 2 l 。 1 2 板形控制发展的基本情况 板形是当前板带生产中最令人注目的研究课题之一。板厚控制理论方程是1 9 5 9 年推 导的，从1 9 6 5 年时时厚度控制，到1 9 8 5 年可以说厚度控制问题已基本解决( 当然还有尚 在完善之处) 【1 3 l 。 板形研究已有半个世纪的历史，虽然在板形的理论、控制、检测等方面已做了大量工 作，而且也取得了极大的效果，但其结果人不尽人意。随着板形控制技术的发展，轧机在 结构上有了许多变化。板形控制实际上是设定及控制各机架的有载辊缝形状( 即出口带钢 断面的形状) 使带钢沿宽度方向获得均匀的延伸，因此通过改变以下参数都能达到这一目 的f 1 4 l ： ( 1 ) 在线改变轧辊辊形( 凸度) ； ( 2 ) 在线改变轧辊辊系的弯曲变形( 弯辊装置) ； 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 改变轧辊辊系的横向刚度。 因此随着板形控制技术的发展，轧机设备上出现了一些新的结构。 v c 辊是1 9 7 7 年日本住友公司开发的，在支撑辊内设有液压内腔，通过油压改变轧辊 的凸度。其优点是：减少了换辊次数；可补偿轧辊的磨损及热辊形；对现有轧机改造方 便，只需用v c 辊代替原有支撑辊即可。缺点是：v c 辊制造较困难：高压旋转接头及油腔 密封维护难；调解凸度的量较小。 c v c 辊是连续变化凸度轧辊系统，是德国西马克公司1 9 8 2 年推出的板形控制方法，其 原理是在上下工作辊上磨成一定曲线( 互成1 8 0 。放置) ，当轧辊相对窜动时即可实现辊 缝形状的在线调节。其优点是：调节能力较大，一对c v c 辊可以满足不同宽度带钢的需 求；轴间窜动相对不太困难。因此目前应用比较广泛，特别是用于冷轧时可以在轧制过程 中调节而不仅是用于设定。 l c 轧机是日本日立公司2 0 世纪7 0 年代推出的六辊轧机，其中间辊可窜动。目前已发 展出多种形式。h c 轧机的优点是：板形控制能力强，仅需不太大的弯辊力即可较好地调节 带钢的波形度；可消除工作辊与支撑辊边部的有害部分，使带钢边部减薄现象减轻，并可 减少裂边；由于工作辊径减小，可加大压下量轧制，并减小能耗；采用标准无凸度轧辊就 能满足各种带宽的带材轧制，减少了轧辊备件。 d s r 动态板形辊是法国克里希姆公司2 0 世纪9 0 年代推出的新的板形控制方法，目前 已在我国宝钢2 0 3 0 冷轧机上应用。d s r 辊由固定辊轴、金属外套筒及筒内七个液压控制压 块组成，通过调整每个压块的压力，改变支撑辊与工作辊间压力分配来调节辊缝形状，这 一方法目前尚未达到大量推广阶段。 由于各种机型的出现，在冷连轧机布置上产生了一系列的组合方案。但目前很多的混 合型冷连轧机，如采用i c 轧机、c v c 轧机及传统的四辊轧机组合使用。 随着热轧带卷厚的减薄，冷连轧机组成也发生了许多变化。为配合薄板坯连铸连轧热 轧线的推广，强力单机架可逆轧机及二机架可逆冷连轧机成为薄坯连铸连轧配套的优选设 备。 高容量镍氢电池极片轧机的研究 1 3 预应力轧机发展情况 预应力轧机工作时，机架处于短应力受力状态，机架立柱在同等大小的轧制力作用 下，变形量比同规格的闭式机架小，因而具有较大的刚度：再加上该机架结构形式简单， 拆装方便，因而得到广泛的使用。预应力轧机的结构大致可分为无牌坊和有牌坊预应力两 种形式。 柏年代瑞典推出了第一代高刚度轧机以后，意大利、日本、前苏联、德国等国家也 相继研制了新型的高刚度轧机嘲。7 0 年代开始，国内一些生产单位、研究院所在参考国外 小型高刚度轧机的基础e ，结合生产实际，研制了一批改进型高刚度轧机。 大连重型机器厂在6 0 年代就研制了由3 3 0 和巾2 6 0 预应力轧机。武汉地区在踟年代 研制成功由5 5 0 预应力轧机。上海冶金设计研究院在8 0 年代将上钢五厂由5 0 0 轧机改成预 应力轧机。上钢某厂合金钢棒材车间引进德国巾3 踟、由3 5 0 和由3 2 0 技术，由国内制造， 已经在1 9 9 2 年9 月投产【1 6 1 。预应力轧机主要优点是： ( 1 ) 机架刚度大，轧材精度高： ( 2 ) 重量轻、成本低： ( 3 ) 换辊方便； ( 4 ) 以小拼大，适应各种工厂的制造，机架是轧机最重要部件，规格越大制造就越 困难。而短应力轧机可把原来大型构件变成中小型的； ( 5 ) 预应力轧机消除了零件之间的问隙，有利于轧机在轧制过程的稳定性和改善轧 机刚度曲线起始阶段的直线性。 其缺点主要是轴承采用锥孔调心滚子轴承，增加了制造难度：采用液压螺母和拉杆， 使轧机结构变得复杂；换辊时需要更换上轧辊轴承与机架之间的垫片。 1 4 本课题研究的意义及内容 目前，国内小型板带轧机控制技术和装备水平普遍较低，大多数小型轧机的结构形式 和技术装备水平仍处在2 0 4 0 年代的技术水平，即结构陈旧，刚度差，作业效率低【切。 对传统的小型轧机进行改造、开发高精度小型轧机势在必行。小型板带轧机可以采用短应 沈阳工业大学硕士学位论文 力预应力的方式进行改造，刚度的极大提高，会使板带偏差减小的同时，可以解决振动的 问题嗍。 轧机是镍氢电池生产的关键设备之一，随着n i 姗等新一代高容量碱性电池的迅速发 展，对电池极片的生产提出了更高的要求。传统的只靠经验设计和对极片生产控制已经不 能满足电池发展的需要。提高轧轧产品的精度和轧制能力，实现轧机自动控制己成为电池 生产的必然要求。 本课题是依据某公司电池轧进行的板形控制、轧机刚度的改进等方面进行研究。由于 原有的由3 0 0 4 0 0 轧机在进行高容量镍氢电池板带轧制生产时，出现轧机牌坊变形、辊系 弹跳量较大、极片厚度及板形控制困难等问题。因此，在对巾3 0 0 4 0 0 轧机进行认真分析 和刚度、板形进行改进试验的基础上，得出改进和提高轧机刚度和板形改善的方法；对拟 开发的巾5 0 0 8 0 0 轧机进行研究；并以w 缸蛔s ) 四为操作平台，用m a l 口l a b 仿真软件 对a g c 进行建模仿真。 本课题在查阅大量资料的基础上，针对轧机轧制精度、刚度的提高等方面对轧机辊 系、机架和压下控制等进行系统研究，为轧机开发、改造提出了理论依据。 高容量镍氢电池极片轧机的研究 2 板带轧制基本理论 厚度精度和板形是板带材的两个质量指标。由轧辊轧出轧件的厚度及凸度决定于轧件 的塑性变形及轧机( 辊系) 的弹性变形的综合作用。当轧件被咬入轧辊辊系，轧辊极力要 将轧件轧薄，使其发生塑性变形，为此轧辊将给轧件很大的轧制力。但是作用力等于反作 用力( 方向相反) ，因此在轧制时，轧件也给辊系同样大的力，极力要撑开轧辊，使轧机 发生弹性变形( 包括辊系的弯曲变形) 。如果轧机牌坊、辊系具有无限刚度，则轧件的形 状将等于空载时的辊缝形状。但实际上轧机的刚度是有限的，机座总会产生的弹性变形。 这对于成品轧制，特别是宽度较大薄板带尺寸精度有很大的影响。 如图2 1 所示的二辊轧机，在轧件进入轧辊之前，轧辊原始辊缝设为岛，当轧制时， 在轧制力的作用下，机座产生的弹性变形可以分为两个部分：一部分是轧辊的弯曲变形； 另一部分是各受力零部件的弹性变形【1 9 l 。轧辊的弯曲变形使得轧辊的轴线挠曲，板带在宽 度方向产生了不均匀的变化。而机座各零部件的弹性变形、轧辊的弹性压扁、机架的拉伸 等产生的变形导致的辊缝发生变化。 j 弋了一一 一 图2 1 金属板带轧制过程示意图 f 培2 1s d 虻m a d ci u l 咖虹i 玎m u 啦i m l a lp l a t ca n d 蹦p 沈阳工业大学硕士学位论文 z 1 板厚控制的基本理论 2 1 1 轧机的弹跳曲线和弹跳方程 在轧制过程中，轧辊对轧机施加力，使轧件发生塑性变形，从而使轧件的厚度变薄， 同时，轧件也给轧辊同样大小、方向相反的反作用力，使机座的各零件产生一定的弹性变 形，而这些零件的弹性变形导致轧辊辊缝的增大，这称为弹跳或辊跳。弹性变形的结果使 实际压下量减小，轧件厚度大于空载辊缝值刚。 轧机在调整时，只是调整空载辊缝s ，当轧件进入辊缝，开始轧制后，在轧制力p 的 作用下，轧机机座将产生变形，使辊缝增大至j i l 。轧机弹跳之间的关系可用s i i 璐最早提 出的弹性方程来描述： p ： “吾 矗1 ) 式中：l i r - 车l 件出口厚度； 争盔载辊缝； c l _ - 杌座刚度系数； p 轧靠0 力。 式( 2 1 ) 表示了轧件厚度与空载辊缝、轧制力和轧机纵向刚度之间的关系，是轧机 厚度自动控制系统中的一个基本方程。 机座弹性变形与轧制力关系的曲线，称为机座弹性交形曲线或弹跳曲线，如图2 2 所 示。机座的刚度系数可以表示为： c 。t a n a 垒 ( 2 2 ) 式中：c 朝座刚度系数； 啪口轧机弹性曲线的斜率； a p 轧制力的变化； 期座的弹性变形量。 高容量镍氢电池极片轧机的研究 i， ；l辛 i k z 。 s ，ff h 图2 2 机座弹性变形曲线 f 酶z 2 1 _ l l ed i ! 胁m c u n 忙0 f p e d e s 扭le l a s 础t y 由式( 2 2 ) 可以看出，机座的刚度系数c 的物理意义是使机座产生1 咖弹性交形所 需的轧制力，它表示机座抵抗变形的能力【2 ”。机座刚度系数愈大，轧机的刚度愈好。 由机座的弹跳曲线可见，在轧制力不大时，机座的弹性变形与轧制力并非呈线性关 系，而是在轧制力较小时为一曲线，当轧制力达到一定的值以后，轧制力和变形才近似呈 线性关系。这一现象的产生可以用零件之间存在问隙和接触变形来解释。 2 1 2 轧件的塑性变形曲线 文献【1 4 】给出了关于轧制力的计算公式，即 p l 脚扯饵一| 1 1 ) ( 拍) 式中：踟平均单位压力； b 轧件的宽度； 矗辛l 件的厚度； 日来料的厚度； r 轧辊半径。 在一般情况下，采用很小的压下量轧制轧件的情况很少，因此，轧制力变化曲线( 塑 性交形曲线) 可以近似地用直线表示，如图2 3 所示。 沈阳工业大学硕士学位论文 p 、l d 入 - p 除 一 h h h h 图2 3 轧件塑性变形曲线 晦z 3 md i 删c l l m0 f 呻p i 删l y 轧制力可以写成以下的经验公式： p 。q ( j l + 船) ( 2 4 ) 式中：9 轧件塑性刚度系数，q - t 柚声； j l 轧件压下量； 。 彻轧制力近似值与横坐标的交点。 轧件塑性刚度系数是来料厚度瓜摩擦系数f 、张力r 及变形阻力口等的函数。即 p = ：，i 日，z 盯“， ( 2 j ) 式( 2 5 ) 为轧件塑性变形方程。一般说来轧件来料厚度日和张力丁越小，塑性刚度 系数q 越大。摩擦系数j c ，和变形阻力a 愈大，塑性刚度系数q 亦愈大。 2 1 3 厚度波动分析 ( 1 ) 空载辊缝的变化：在轧制过程中，轧辊的偏心，轧辊和机架的温度的升高，使 轧辊产生热膨胀，使实际辊缝减小，加上轧辊不断磨损，因此导致辊缝产生“漂移”，轧 件的厚度也将产生变化； ( 2 ) 所有影响轧制压力的因素都会影响轧件塑性变形曲线的相对位置和斜率，通过 改变弹跳曲线和塑性曲线的交点位置，而影响轧件的出口厚度。当来料厚度不同、张力的 变化、摩擦系数的变化、变形抗力的改变都会使轧出轧件的厚度产生波动： 高容量镍氢电池极片轧机的研究 ( 3 ) 在轧制过程中，由于轧辊的磨损和热膨胀沿辊身长度方向分布不均，将使轧辊 闻的接触状况发生变化，造成辊系的弹性变形量波动，即轧机的纵向刚度发生变化。另 外，轧件变形的波动，也会通过影响变形区工作辊的弹性压扁，使轧机的纵向刚度发生变 化； ( 4 ) 轧辊轴承油膜厚度的变化对轧件厚度的影响机理，与空载辊缝变化对轧件厚度 影响机理是相同的，随着油膜厚度的增加，轧件的厚度变薄阎。 2 1 4 厚度控制的基本原理 由于弹跳曲线与塑性方程曲线的纵坐标都是轧制力p 而其横坐标都与轧件厚度 ( 由) 有关。因此，弹跳方程与塑性方程联立求解，可采用图解法即弹一塑曲线( h 图) 进行，它能较直观地表达各轧制条件和机座刚度对轧件厚度的影响，是分析研究轧机调整 和厚度自动控制系统的一种重要工具。 为了部分或全部抵消轧件的厚度偏差( 厚差) ，现代板带轧机设计了厚度控制装置。 常用的厚度控制方式有压下量调整、张力调节、轧制速度调整等，其原理可以通过p - h 图 加以阐明。 ( 1 ) 调整压下改变轧辊的辊缝：调整压下是厚度控制的最主要方法，常用以消除由 于影响轧制力的因素所造成的厚差，如图2 4 所示为调整压下厚度控制原理图。 l r 弋 ib 暑l b 卜 f 心。 一凹i j 打h 】 刳坠- i h 图2 4 调整压下厚度控制原理图 取z 4 n 七5 d k l 删幽l 旷蚰0 f 把鲫l 蚯略g 蛐萨帕矗删旧n 铀咖i 窖蛐妒 沈阳工业大学硕士学位论文 在上图中，曲线仰是机座弹跳曲线，曲线仞是坯料厚度为时的轧件塑性曲线。当 轧辊原始辊缝为s 时，轧后的轧件厚度为向轧制力为只。如果坯料厚度增加了万届则轧 件塑性曲线变到位置。此时，轧制力变为昱增加了一个艿只，轧后的轧件厚度增加了一 个厚差占由，为了补偿产生的厚差j 扛就要及时调整轧辊辊缝，使辊缝减少一个万调 整辊缝后的机座弹跳曲线位置为胁0 此时，轧制力为尸，轧制力的波动量为万只轧后的 轧件厚度仍保持为屈 ( 2 ) 调整张力改变塑性曲线斜率：在连轧机或可逆式板带轧机上，除了调整压下进 行厚度控制外，还可以通过改变前后张力来进行厚度控制。如图2 5 所示，当坯料原始厚 差为艿时，轧后的厚差万向在轧辊辊缝不变的情况下，可以通过加大张力，使塑性曲线 屡的斜率变化为屡7 ，就可以使厚度由保持不变，消除了厚差万血 5 一三 b ， b 。 酞 ! ：j 卫上叫r h 图2 5 调整张力厚度控制原理图 晦嬲恤删d i a g 舳0 f 蛐i i n g 胁妇触幻删滞 ( 3 ) 调整轧制的速度进行厚度控制：轧制速度变化影响的轧制温度、张力以及轧辊 与轧件间的摩擦系数等因素，它也是通过改变塑性曲线的斜率来进行厚度控制的。调整轧 制速的进行厚度控制的p h 图与调整张力进行厚度控制的卜h 图相似。 高容量镍氢电池极片轧机的研究 2 2 板形控制理孥仑 从直观来说，板带的平直度是指板带纵向有无波形，而实质上是板带内部产生了不均 匀的残余力。板形控制一般是通过轧辊凸面纵向曲面辊、弯辊和冷却系统等来实现，其 中，轧辊原始凸度对板形的影响最刘2 3 j 。 2 2 1 轧辊有载辊缝形状与板形控制 在不考虑轧件弹性恢复时，可以认为轧后板带的断面形状是和轧辊有载辊缝的形状相 同，有载辊缝形状方程又称为板带凸度方程，可用下式来表示： c 月_ s 。一s 。 ( 2 6 ) 式中：口板带凸度： 一轧辊中部处的有载辊缝尺寸； 爵t l 辊边部( 去掉边部减薄段) 处的有载辊缝尺寸。 轧辊的有载辊缝形状取决于：原始辊形、轧辊热辊形、轧辊磨损辊形、轧辊由作用力 ( 轧制力、弯辊力) 所产生的弯曲变形、轧辊的弹性压扁及板带轧制前的板凸度等因素。 综合这些因素，辊缝凸度品可表示为： c 。一专一乏一瓦( + h + 蜥) + c 。+ e 。k + 气 ( 2 7 ) 式中：户轧制力。 ，弯辊力； 彤- 季l 辊的横向刚度系数，定义为“在轧制力的作用下，由于轧辊辊系变形而使 板带横断面产生1i lm 绝对板凸度所需的轧制力”； 肛_ 弯辊力刚度系数，定义为“在弯辊力的作用下，由于轧辊辊系变形而使板带 横断面产生lu m 绝对板凸度所需的弯辊力”； 丘综合辊形影响系数； 胁原始辊形： 畅热辊形： 呀磨损辊形： 沈阳工业大学硕士学位论文 蠡板带轧制前的板凸度影响系数： g 板带轧制前的绝对凸度； 岛可控辊形影响系数； 某些新型板带轧机得可控辊形； c 局哺数。 式( 2 7 ) 综合反映了有载辊缝各种有关影响因素，也称为辊缝方程，或扳形方程。 目前，一般很难用解析法建立辊缝方程的函数表达式，只能用计算机数值涉锋的方法，结 合实际经验进行板形控制。 2 2 2 板形方程( 平直度良好条件) 板形是指成品板带断面形状和平直度两项指标，断面形状和平直度是两项独立指标， 但相互存在着密切的关系。板凸度可用绝对板凸度和相对板凸度来表示。 绝对板凸度是板带沿宽度方向中心处厚度与边部处的厚度差，如图2 6 所示。轧制前 的绝对凸度为： c j 5 r 一日。一日： ( 2 8 ) 式中：c 0 轧制前的绝对凸度； 以轧制前板带边部处厚度； 皿轧制前板带中部厚度。 轧后的绝对凸度g 为： c 一| i l 。一吃 ( 2 9 ) 式中：c 。轧制后的绝对凸度； 以轧制后板带边部处厚度； 牟【制后板带中部厚度。 相对板凸度是将绝对板凸度除以板带平均厚度( 或边部厚度) ，当以板带平均厚度为 基础来表示时，轧前和轧后的相对凸度分别表示为： 。詈 q 。 高容量镍氢电池极片轧机的研究 式中：c 。轧制前相对板凸度； 轧制后相对板凸度； i 辛l 制前板带平均厚度； 元轧制后板带平均厚度。 ， q l 扣。i 图2 6 板带凸度示意图 f 培2 6 鼬鼬c h m a p o f p h 把删 ( 2 1 1 ) 板带断面形状对不同用途的成品有着不同要求，由于冷轧成品凸度与来料凸度存在着 相似性。平直度和板带在入口与出口的相对凸度是否匹配有关。假设板带沿宽度方向可为 许多窄条，对每个窄条存在体积不变关系( 假设不存在宽展) 。板带获得良好平直度的基 本原则是要使板带在轧制时能得到均匀的延伸率f ，即 生。生。“( 2 1 z ) 吃也 。 整理得垃。堡二生 h t h t 将式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 代入式( 2 1 3 ) 得 丘鱼 h eh 。 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 或 c - 一鼍c h 一专c h ( 2 1 5 ) 因此，当板带在轧制时能均匀延伸时，轧制后板带绝对板凸度要较轧制前绝对凸度缩 小一个延伸率，就能获得良好的平直度。 根据上述相对凸度的定义，式( 2 1 4 ) 是以板带边部厚度为基础的相对凸度表示时， 即 c 0 一c m ( 2 1 6 ) 式中；c 。以边部厚度为基础的轧制后相对板凸度，c 。一卺； c k 以边部厚度为基础的轧制前相对板凸度，一卺 如以板带平均厚度为基础来表示时，则为； c 0 一c 0 ( 2 1 7 ) 由上述可见，要获得良好的平直度，就要使轧制前和轧制后相对凸度相等。如果轧制 时各影响因素都是稳定的，则通过合理的轧辊辊形设计，就可以获得良好的板形。 2 3 轧机的当量刚度 在一定的条件下，轧机的刚度系数c 是一个常数。而在采用液压自动厚度控制系统 中，可以采用改变辊缝调节系数0 的办法，控制和改变轧机的“刚度”来实现不同的厚度 控制要求。这种可以变化的“刚度”称为轧机的当量刚度。 k ，竺( 2 1 8 ) 髓 式中：轧机的当量刚度系数； 铲使轧件产生厚差万矗时的轧制力波动量； 赫通过轧辊辊缝调整量j s 改变轧辊辊缝后，仍然存在轧件残余厚差。 当轧制力波动量为艿尸时，根据弹跳方程，轧件厚差占厅为： 蕊。竺( 2 1 9 ) 高容量镍氢电池极片轧机的研究 设轧辊辊缝调整量万s 与轧件厚差艿 的比值为辊缝调节系数岛则 c ，堕( 2 2 0 ) 髓 或 罄一c p 葫( 2 2 1 ) 当辊缝改变万s 后，轧件残余厚差万由7 为： 蕊一酗一舔一髓一c ，劢一融( 1 一c p ) ( 2 2 2 ) 将式( 2 2 2 ) 代入式( 2 1 8 ) ，并考虑式两t 詈后得 k 。旦 。 ( 2 2 3 ) 1 一c ， 式( 2 2 3 ) 表示了轧机当量刚度系数f 与辊缝调节系数。之问的关系式。由式 ( 2 2 3 ) 可知，只要改变辊缝调节系数品，即改变占与轧件厚差c p 。譬的比值，就可以 们 改变轧机的当量刚度系数航 ( 1 ) 恒辊缝控制：当0 = l 时，为无穷大，这时轧辊的辊缝的调整量完全补偿了轧 件厚差； ( 2 ) 硬特性控制：当0 易 1 时，大于轧机的刚度系数f 而小于无穷大，这时轧 辊的辊缝的调整量只能部分补偿了轧件厚差； ( 3 ) 自然刚度控制：当昂：o 时，等于轧机的刚度系数巴这时恒定原始辊缝控 制，轧件厚差完全不能补偿，轧辊的辊缝根本不调整； ( 4 ) 软特性控制：当o 一 ? f | ， t o s 。ia s h eh 图2 7 轧机压下效率曲线 飚z 7 m 鲫耐s k 岫o f t l l e e 伍d 删w l l e i l 孵d i | c c 沈阳工业大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章主要针对以下三个方面进行了研究； ( 1 ) 通过弹跳方程和轧件塑性方程得出轧机弹塑性曲线，阐述了轧件厚度波动的原 因，提出了厚度控制的基本原理； ( 2 ) 分析了轧辊辊缝形状变化的主要原因，对板形平直条件进行了理论分析： ( 3 ) 推导出了当量刚度系数与轧辊辊缝调节系数的关系。同时，通过纵向厚差方程 推导出轧帆压下效率公式，为轧机提高轧制能力和调整和控制提供了理论依据。 高容量镍氢电池极片轧机的研究 3 轧机刚度研究 轧制产品的尺寸精度与轧机刚度的大小有直接的关系，轧机刚度是表示一台轧机结构 性能的重要参数，它反映一台轧机所能获得轧制精度的一个重要指标。在轧制过程中，轧 制力不可能保持一个恒定值，由于来料厚度波动、温度等因素对轧辊的影响，轧制力也会 产生一些变化，从而影响轧件的厚度，即 a 业 ( 3 1 ) 七 式中：i l 轧件任意两点的厚度差； 肇轧件的压力差； 轧机的刚度系数。 轧机的刚度系数越大，则由于各类设备或工艺原因引起的轧机弹性变形就越小，从而 轧件的尺寸就越精确。在实际生产过程中，特别是轧制较薄的板带时，往往出现无论怎样 调整轧制力或辊缝，都不能轧出理想的产品。 一般来说，机座的弹性变形包括轧辊系统、轴承座、压下螺丝和螺母以及机架等。机 座的弹性变形量，就等于各零件的弹性变形量之和。即 厂一，l + ，2 + + 正+ + 届 ( 3 2 ) 根据虎克定律，受力零件的弹性变形量与其长度成正比，与其截面积成反比。无论是 采用增加机架断面尺寸还是增加轧辊的直径来增加轧机的刚度，都会导致机座结构庞大， 增加设备的重量和制造的困难，并增加了制造成本。轧机机座中受力零件的长度之和就是 该轧机的应力迹线的长度，缩短轧机应力线的长度可以提高轧机的刚度。 3 1 预应力提高轧机刚度的理论分析 在轧制前对轧机施加预应力，使轧机在轧制前就处于受力状态。而在轧制时，由于预 应力的影响，使轧机的弹性变形减小，从而提高轧机的刚度。为了清楚说明预应力轧机的 工作原理，将轧机预应力作用的拉杆和被压缩机座，简化为与拉杆具有相同刚度系数墨盼 杆件和与机架具有相同刚度系数量的件乙在杆件中利用了在弹性范围内杆件受拉和 受压具有相同刚度的特性 沈阳工业大学硕士学位论文 在这个模型中，假设两个杆件在未受力的状态下是无间隙结合，当杆系在预紧力届的 作用下向上产生一个位移厶从而在杆系内形成一个预应力，此时杆件和z 变形量分 别为厶和厶，如图3 1 a 所示。 当轧机在轧制过程中，在新增载荷尸的作用下，此时杆z 变形又增加了石变形量达 到a l + 6 ，而杆释放了一个变形量万变形量变为厶一万。由此，杆的载荷减 少到层一男，而杆z 的载荷增加到r + 只，如图3 1 b 所示。这说明在新增载荷尸的作用 下，有预紧应力杆系内的z 与三之间，力又进行了重新分配。 刁隋o z p 三l - 一 7 l a )b ) 图3 1 预应力轧机简化模型 f 嬉3 1 s 曲社i 6 e d m o d do f m n i n g m m 埘i l lp r i l l o a d c d s e 鹤 在预应力杆系中，杆z 与作用力增量绝对值和等于新增载荷只如图3 2 所 幽一6 k i a 尸j - a 5 k 2 p i a p l + a p 2 i a 6 ( k 1 + k 2 ) 所以 6 。i 怎 式中：k - 杆的刚度系数； k ：杆z 的刚度系数。 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 高容量镍氢电池极片轧机的研究 芝夕 牙 。f 却l k o 6 f l 1 图3 2 杆系受力变形图 f i 9 3 2 ( m a r t0 f 1 0 ds y 咖mu n d 口妇 因此得到预应力杆系即预应力下的轧机冈u 度系数为： k - 鬈l + 置2( & 7 ) 当轧机在无预应力时，在轧制力尸的作用下，轧机机座的变形，为： ，一去+ 去一去 ( 3 8 ) 。 k 1k 2 k 1 k 2 鬈l + k 2 故轧机在无预应力作用下的刚度系数为： k 。茎堡!( 3 9 ) k 1 + k 2 所以 詈一鼍鲁一2 + 急+ 警卜2 c s - o ， k l + k 2 由式( 3 1 0 ) 可见，预应力轧机的刚度系数比无应力轧机的刚度系数高2 倍以上，当 k 一时，预应力轧机的刚度系数是无预应力轧机刚度系数的4 倍。 如图3 1 ( b ) 所示，当拉杆所受的最大拉力时，只有厶一j o 时，预应力仍然 有效，即 ! 生( 3 1 1 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 所以 胁( 赢) p 令 叫忐) p m 在实际设计中可根据具体情况，选取值，即预紧力与轧制力比例。 3 2 短应力轧机几个主要参数的讨论 如图3 3 所示为有牌坊预应力轧机，将上辊轴承座与开式机架连接起来，这里刚性拉 杆代替普通车l 栅的立梓。匕轴承座代替了普通轧机的横粱，从而使机架的高度降低。 图3 3 预应力轧机结构 f i 9 3 3 勖咖0 f 妒斌删喊m m 在设计预应力轧机的机座和拉杆时，应该使在轧制时拉杆所受拉力增加量只尽可能 小，而立柱压力的减少量另尽量的增加。 p 1 。6 缸。尸旦( 3 1 4 ) k l + k 2 p j - 6 足2 一p 旦( 3 1 5 ) k 1 + k 2 令k ，坠、k ，：羔则应使眉减小，使厘增加。 k l + k 2k 1 + k 2 高容量镍氢电池极片轧机的研究 令 警鲁。芸；争。鲁鲁会 c 。e ， 。 k lk l e 1 ， if l 三2 式中：e “e 。拉杆、立柱弹性模量o f i 、f 2 、拉杆、立柱截面积； l t 、l 2 拉杆、立柱长度。 因此在设计短线预应力轧机时，应合理需选取a 值，即拉杆及立柱的材料、截面尺寸 和长度。一般来说，立柱的横断面积与拉杆的横断面积之比为4 一一6 较为合理。 3 3 轧机刚度实验 选择某公司二辊闭式机架轧机进行实验研究，该轧机轧辊尺寸为由3 0 0 x 4 0 0 咖。实验 时，在下轴承座下面和上轧辊轴承座上部各安装3 0 m 厚经过淬火处理的4 5 钢板，用4 根 直径为4 0 岫的螺柱联接起来，以此施加预紧力。测试方案采用轧制法刚，即预先固定轧 辊的辊缝s ，轧制不同厚度的轧件，测出轧制力p 和轧后轧件厚度 。将厚为6 l n 和 4 5 哪铝板切成宽为1 0 0 衄长1 5 0 i i i 的样件各2 0 块。采用电阻式压头进行轧制力测试。固 定辊缝值岛为3 2 5 岫，将轧机的速度调整到5 i i 佣，分为2 组进行实验： 第一组：不施加预紧力，将6 肌n 和4 5 啪厚铝板各5 块，依次送入轧辊中轧制，测出 相应的轧制力和轧件厚度记入表3 1 中。 表3 1 未施加预紧力时测试数据 1 曲i e 3 1 例c u l a t c do f 撇州m 0 i l tp 删d c d 沈阳工业大学硕士学位论文 第二组：对轧机通过4