（机械工程专业论文）西宁特钢Φ100无缝芯棒限动系统控制的分析与研究.pdf

摘要 摘要 电液比例技术填补了传统开关式液压控制技术与伺服阀控制之间的空白，己 成为流体传动与控制技术中最富生命力的一个分支。因此在一般工业特别是冶金 工业应用中以其廉价、抗污染和节能等优势来取代伺服阀。目前电液比例阀应用 于闭坏控制的系统越来越多，其设计理论己目臻成熟，因此对该类比例控制系统 的研究，对电液比例控制技术的发展和完善具有一定现实意义。 本文就是以西宁特钢中i 0 0 无缝热管车间技术改造h s s e l 轧管机芯棒限动系 统电液比例控制控制的研究为主要内容，采用位移传感器检测位移信号，与比例 方向流量阀构成位置闭环控制系统；并以流体力学和控制理论为基础，建立系统 的数学模型，讨论了系统的稳定性和工作精度，并对系统进行了数字仿真，使其 控制精度达到实际要求。该结论表明在一般工业特别是冶金工业应用中，电液比 例控制技术具有满足要求的控制精度和响应特性并且具有廉价、可靠、能耗较低 的特点具有广泛的应用性。 关键词：芯棒限动系统；比例阀；电液比例控制：动态特性：数字仿真 北京t 业大学t 程硕十学位论文 a b s t r a c t a so n eo ft h em o s t v i t a l i t y o f f s e to f h y d r o - l i q u i d f i e l d ，e l e c t r i c i t y h y d r a u l i cp r o p o r t i o nc o n t r o l st e c h n i q u ef i l l s t r a d i t i o no n o f f h y d r a u l i cp r e s s u r e c o n t r o l t e c h n i q u e d r i v ea n dc o n t r o l u pab l a n kb e t w e e n a n ds e r v o c o n t r o l t e c h n i q u e b e c a u s e o ft h es u p e r i o r i t yo fc h e a p n e s s ，s t a b i l e s ，a n t i p o l l u t i o n ，1 0 w e n e r g y - c o s t ，i ti sp r o b a b i li t yt h a te l e c t r i c i t y h y d r a u li cp r o p o r t i o nc o n t r o l st e c h n i q u e w i l lr e p l a c es e r v ov a l v ei na p p l i c a t i o no ft h eg e n e r a li n d u s t r y ，e s p e c i a l l yi nm e t a l l u r g y i n d u s t r y h o w e v e r , t h ep r e s e n ta p p l i c a t i o no nc l o s e dc o n t r o ll o o ps y s t e mi sm o r ea n d m o r ea b r o a d t h ed e s i g nt h e o r yi ss t i l lt h a tt h ed a ya t t a i n st h em a t u r i t y ，s ot h es t u d yo n e l e c t r i c i t y h y d r a u l i cp r o p o r t i o nc o n t r o l st e c h n i q u ei sr e a l i s t i c l ys i g n i f i c a t i o n ，i tw i l l d e v e l o pa n dp e r f e c tt h i st e c h n i q u e t h i sp a p e rm o s t l ys t u d i e se l e c t r i c i t y h y d r a u l i cp r o p o r t i o nc o n t r o l ss y s t e mo f m a n d e il i m i t a t i o ns y s t e mf o ra s s e lp i p er o l l i n gm i l li nt e c h n i c a lm o d i f i c a t i o nf o r 由l0 0 r a mh o tr o l l i n gs e a m l e s sp i p es h o px i n i n gs p e c i a ls t e e l ，t h i ss y s t e mr e c e i v e d t h ev e l o c i t ys i g n a lf r o mv e l o c i t ys e n s o r , t h em o v e m e n ts i g n a lm e a s u r e m e n tl o o pa n d s c a l ev a l v ec o m p o s e dt h es i t u a t i o nc l o s e d 1 0 0 pc o n t r o ls y s t e m ；a tt h es a m et i m e t h e s y s t e mr e c e i v e dv e l o c i t ys i g n a lf r o mv e l o c i t ys e n s o r , t h ev e l o c i t ys i g n a lm e a s u r e m e n t l o o pa n dh y d r a u l i cp r e s s u r em o t o rc o m p o s e dt h ev e l o c i t yc l o s e d l o o p c o n t r o l s y s t e m ，a c c o r d i n g t ot h e t h e o r y o fh y d r a u l i cm e c h a n i c sa n dm o d e mc o n t r o l ， e s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i c sm o d e lo fs y s t e m ，d i s c u s st h es t a b i l i t ya n dw o r k i n g p r e c i s i o no fs y s t e m ，i no r d e rt oa r r i v ea tt h ep r e c i s i o no fd e s i g n ，t h i sp a p e rm a d et h e d i g i t a le m u l a t i o na n dg e tt h ec o n c l u s i o nw h i c hi n d i c a t e se l e c t r i c i t y h y d r a u l i c p r o p o r t i o nc o n t r o l st e c h n i q u eh a v eh i g hc o n t r o lp r e c i s i o na n dr e s p o n dc h a r a c t e r i s t i c i nf o u n d r yi n d u s t r ye s p e c i a l l yi nm e t a l l u r g yi n d u s t r ya p p l i c a t i o n i na d d i t i o n ，t h i s t e c h n i q u ea p p l i c a t i o ni sc h e a p n e s s ，s t a b i l i z a t i o na n dh a sl o we n e r g y c o s t a l lo ft h e s e p r o p e r t i e sf o r e s h o wt h eb r o a da p p l i c a t i o no ft h i st e c h n i q u e k e yw o r d s ：m a n d e ll i m i t a t i o ns y s t e m ，p r o p o r t i o n a lv a l v e ，e l e c t r i c i t y - h y d r a u l i c p r o p o r t i o nc o n t r o l s ，d y n a m i cc h a r a c t e ri s t i c ，d i g i t a le m u l a t i o n 独创性声明 本人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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 签名： r 期粤业 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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守此规定) 签名： 导师签名：圣挫肇 日期： 由i z 、选 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1液压技术简述 液压控制技术是以流体力学、液压传动和液力传动为基础，应用现代控制理 论、模糊控制理论，将计算机技术、集成传感器技术应用到液压技术和电子技术 中，为实现机械工程自动化或生产现代化而发展起来的一门技术，它广泛的应用 于国民经济的各行各业，在农业、化工、轻纺、交通运输、机械制造中都有广泛 的应用，尤其在高、新、尖装备中更为突出。随着机电一体化的进程不断加快， 技术装备的工作精度、响应速度和自动化程度的要求不断提高，对液压控制技术 的要求也越来越高。目前，液压控制技术已经不是传统意义上的液压传动和液力 传动，液压控制技术已经从传统的机械、操纵、助力装置等应用场合丌始向高、 新、尖技术领域发展，具有了更广泛的内容，包括p i d 控制技术、人工智能技 术、自适应技术、最优控制技术、变结构控制技术、鲁棒控制技术、神经网络控 制技术、p w m 控制技术、数字增量控制技术等。现代控制理论、模糊控制理论 的发展和应用，计算机控制技术的逐步完善和普及，集成传感技术的飞速发展， 为液压工业、电子工业将电子技术、液压技术结合起来应用到液压控制中创造了 良好的契机，使得技术装备的工作可靠性、控制精度、响应速度及自动化程度大 大提高。在过去，如研制液压车辆( 车辆主动悬挂装置、车轮防抱死制动系统、 全液压转向系统、无级液压变速系统) ，发动机燃料进给控制与转速控制、航空 航天领域需要频宽1 0 0 h z 电液伺服系统等，应用传统意义上的液压控制技术很 难解决这些高、新、尖难题，证明了传统意义上的液压控制技术已不能满足当今 技术装备同益发展的要求，可见，液压技术在高、新、尖技术装备中有着举足轻 重的作用，掌握液压控制技术，对振兴民族工业，加速国民经济发展有着深刻的 社会意义和巨大的经济效益。 1 2 液压t ：t n 技术的优势 液压技术已广泛用于国民经济部门，采用液压传动程度成为衡量一个国家工 业水平高低的重要标志之一。电液比例控制技术是- - f 较年轻的技术，它的发展 和普遍应用还不到5 0 年，然而凭借它的优点形成了流体传动与控制领域的一个 重要分支，并成为现代控制工程的基本构成之一。 其优越性体现在以下几个方面： 1 液压执行元件的功率重量比和转矩惯性比( 或力质量比) 大， 具有很大功率传递密度，可以构成体积小、重量轻、响应速度快的大功率控制单 1 一 北京一i ：业人学i - 科硕十学何论文 元。 电磁执行元件的功率重量比取决于铁磁材料的饱和特性和功率损耗所引起 的热量耗散。液压执行元件的功率重量比取决于最高允许压力，实际上只受材料 安全强度极限的限制，而系统功耗所产生的热量又可以由流体介质带到系统散热 器发散。因此，液压执行元件的功率重量比要比电磁执行元件的功率重量比大几 乎一个数量级。比如说液压马达的转矩惯性矩比可达直流电动机的1 0 5 0 倍，其响应速度是电气执行元件所不能比拟的。 2 液压控制系统的负载刚性大，即输出位移受外负载的影响小，定位准确， 所以位置误差小，控制精度高。 由于液压执行元件的泄漏小，液体介质的弹性模量又很大，故具有较大的速 度一负载刚性，即速度一一力或转速力矩曲线斜率得到数很大，因此有可能 用于丌环系统。用于闭环系统日, - j - n 表现为位置刚度大，其定位精确度受负载变化 的影响小。 例如，液压马达的丌环速度刚度为电动机的5 倍。电动机的位置刚度很低， 更无法和液压马达相比。 3 液压控制系统可以安全、可靠并快速的实现频繁的带负载起动和制动，进 行f 反向直线或回转运动和动力控制，而且具有很大的调速范围。 机械传动实现无级调速比较困难，电传动和液压传动一样可以实现无级调 速，并且调速范围也可以较大，但在运动平稳和实现往复直线运动方面不如液压 传动方便。 另外，液压控制系统还有一些其他优点，例如：传动介质兼有润滑作用，有 利于延长元件的工作寿命；通过管道进行能量分配和传递比机械方式来的方便： 利用蓄能器很容易实现液压能的贮存和系统消震等。 1 3液压i ；匕i n 技术的现状及其发展趋势 电子技术和液压传动及控制相结合的产物一电液控制系统兼备了电气和液 压双重优势，形成了具有竞争力的自身技术特点。 现代液压传动及控制技术始于二次世界大战后。今天，机电一体化的进程对 液控技术提出了更多的需求，而计算机技术和控制理论的发展则为液压技术注入 了新的动力。 6 0 年代后期，各类民用工程对电液控制技术的需求显得更加迫切与广泛。 但是，由于传统的电液伺服阀对流体介质清洁度要求十分苛刻，制造成本和维护 费用比较高昂，系统能耗也比较大，难以为各工业用户所接受、而传统的电液开 关控制又不能满足高质量控制系统要求。电液比例控制技术，f 是适应丌发一种 可靠、价廉、控制精度和响应特性均能满足工程技术实际需要的电液控制技术的 一2 第1 章绪论 要求，从6 0 年代末迅速发展起来的。 1 9 7 5 - - 一t 9 8 0 年，采用各种内反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电 磁铁和比例放大器技术上也日趋成熟，工作频宽5 1 5 h z ，稳态滞环减小到3 ， 可用于开环、闭环控制。 8 0 年代以来，由于采用了更加完善的压力、流量、位移内反馈、动压反馈 和电校f 等手段和优化设计、器件的稳定特性除因制造成本所限，仍保留中位死 区外，某些性能如线性度、滞环、重复精度等稳态特性上己和伺服阀相当，阀的 稳态精度、动态响应和稳定性有了进一步提高，而工作频宽( ( 3 2 5 h z ) 又具有足 以满足大部分工业系统控制要求的相当水平，在对介质过滤精度要求( 过滤要求： 比例阀约2 0 聊、伺服阀1 - - - 5 m ) 、阀内压力损失和价格方面，均低于伺服阀， 因此颇具竞争力。 比例控制系统是电液控制技术的一项新发展，也是微电子技术与液压技术间 的接口。比如德国博世公司丌发的农业拖拉机液压提升器电子控制系统，引入了 比例阀、可编程序控制器和数据总线技术，使其电控系统功能更加完善，成本显 著降低，是其迅速占领了欧美各种拖拉机的应用市场的主要原因。 我国的一些公司研制开发的各种伺服及比例系统，在液压元件生产精度方面 尤其是动念性能指标方面有了很大的提高，但是由于我国液压工业的真f 发展是 在六十年代丌始起步，而液压控制技术的发展则更晚一些，因此虽然液压机机型 种类齐全，但是技术含量比较低，缺乏技术含量高的机型，这与机电液一体化， 中小批量柔性生产的发展趋势不相适应。 国内外比例技术发展趋势： ( 1 ) 提高控制性能，适应机电液一体化主机的发展趋势。提高电液比例阀及 远控多路阀的性能，使之适应野外工作条件。并发展低成本比例阀，其主要零件 与标准阀通用。 ( 2 ) 比例技术与二通和三通插装技术相结合，形成了比例插装技术，特点是 结构简单，性能可靠，流动阻力小，通油能力大，易于集成：此外出现比例容积 控制为中、大功率控制系统节能提供新手段。 ( 3 ) 自动化、智能化方向发展。由于传感器和电子器件的小型化，出现了传 感器、测量放大器、控制放大器和阀复合一体化的元件，极大地提高了比例阀( 电 反馈) 的工作频宽。主要是以下几方面： 高频响、低功耗比例放大器及高频响比例电磁铁的研制，1 9 8 6 年西德 b o s c h 公司提出高性能闭环控制比例阀，由于采用了高响应直流比例电磁铁和相 应的放大器，并含位置反馈闭环，其流量输出稳态调节特性无中位死区，滞环仅 0 3 ，零区压力增益达3 额定控制电压，负载腔达8 0 供油压力，工作频宽和性 一3 一 ，1 匕京l ：业火宁：一i ：w 硕十学何论文 能己达高水平伺服阀，而成本仅为后者的i 3 。 带集成式放大器的位移传感器( 2 0 0 h z ) 的丌发，为电反馈比例阀小型化， 集成化创造良好的条件。加拿大的m c r o h y d r a u l i c s 公司生产的高性能电液比例 流量阀c m o p 5 可提供伺服阀特性而是比例阀的价格，工作频宽达4 0 h z 。 伺服比例阀( 闭环比例阀) 内装放大器，具有伺服阀的各种特性：零遮盖、 高精度、高频响，但其对油液的清洁度要求比伺服阀低，具有更高的工作可靠性。 如德国b o s c h 公司生产的n g l o 伺服比例阀。 p i d 调节技术的应用，改善系统的稳态性，使之有较好的动态响应指标， 可利用计算机对p i d 参数进行最优化数字化或利用实验研究来获得实际线路p i d 参数的优良匹配。 1 4 课题的来源 西宁特钢1 0 0 无缝热管车间技术改造项目是包头钢铁设计研究总院做为乙 方即设计承包商承揽的重点项目。我作为项目组的成员，主要负责冶金设备及液 压系统的设计工作，有机会深入此次技术改造工作。 西宁特钢1 0 0 无缝热管车问技术改造是采用a s s e l 轧管机轧管工序代替原 来的自动轧管机管工序和均整工序，其他的生产工艺流程没有任何变化。在a s s e l 轧制过程中，绕钢管中心线以1 2 0 。为问隔均匀分布的三个轧辊，使轧件表面成 形。圆柱型芯棒用作内部工具。由于轧辊的旋转，轧件螺旋地送入辊缝。在此连 续运动过程中，轧件在与轧辊的接触处其直径和壁厚有所减小。轧辊对钢管中心 线的交叉倾斜所决定的送进角产生轴向送进。碾轧角是控制轧制的进一步参数， 它通常由轧机设计而定。根据轧制荒管壁厚值不同，a s s e l 轧管机可以使用不同 的芯棒操作方法。壁厚值较小时，使用半浮动的芯棒操作方法：壁厚值较大时， 使用回退的芯棒操作方法。不论是半浮还是回退操作，芯棒的冷却都是用有一定 压力的水进行内部冷却；芯棒的润滑是由润滑装置在穿棒过程中在芯棒表面喷射 石墨水溶液，以便在轧制过程中进行润滑。因此，对a s s e l 轧管机的芯棒限动系 统的操作方法、速度控制、力控制的分析与研究是技术改造的核心内容。并且在 消化移植天津市无缝厂的新型a s s e l 轧管机设备图纸的基础上，结合国内设计， 不论机械和液压设备、还是电气设备，国产化是有充分条件的。 综上所述，在西宁特钢热管车i 白j 的技术改造中，选用生产能力不大，但能在 很大程度上提高管体质量的a s s e l 轧管机替代原来的自动轧管机组，不但在技术 方面是合理的，同时由于这种轧机可以国产化，也有利于节省技术改造的投资费 用，且将为该厂今后不断的成功做出贡献。 为了适应a s s e l 轧管机工艺需要，其电液比例系统自动控制起着关键作用。 自动化就是在信息采集、加工的基础上，运用网络和数据库技术，实现信息集成， 4 第1 章绪论 在信息集成的基础上进一步优化生产与操作，增加产量， 随着计算机技术的发展和数据采集理论的成熟，给液压技术的进一步发展带 来了强有力的支持。同时工业自动化的进步对具有独特优越性能而在工业生产拥 有重要地位的液压控制技术，尤其是可以广泛应用于工业中的比例控制技术的技 术革新提出了强烈的要求。顺应工业自动化技术发展的潮流，结合实际情况，设 计了这个数控液压比例系统。在系统中探讨了p i d 控制理论、计算机控制技术和 数据采集理论在液压比例控制方面与实际工程应用的结合，实现系统控制元件高 度的集成化和控制方式的新型化。 1 5 课题的主要研究内容 通过认真分析液压技术的现状和发展方向，结合a s s e l 轧管机芯棒限动系统 工艺特点，设计合理的液压比例控制系统和动力及执行机构，根据设计，建构相 应的液压比例控制系统以及与液压控制系统匹配的机械设备。在该液压一机械系 统中努力实现计算机技术、数据采集技术与液压比例控制技术的融合，使该系统 成为较新型，符合工业化发展方向的数字控制液压比例系统。同时在理论上对本 课题涉及的液压比例系统进行分析并建立适当的数学模型；采用在工业实际应用 中已经成熟的、经过实际应用验证具有优越性能的p i d 算法为基本控制算法来处 理该液压比例系统所遇到的各种问题( 如阀丌口为负遮盖引起的死区问题和系统 控制的稳定性问题) ，从而在理论上研究并在实际应用中能体现出该液压比例控 制系统的基本性能。 在系统中，由液压系统提供驱动动力，驱动芯棒限动系统限动横梁在导轨上 按照一定的方式进给。通过安装在油缸上位移传感器检测限动横梁的进给位移 量，用p c l 一8 1 2 p g 数据采集控制卡现场采集位移传感器的输出量，经a d 转换后 送入计算机中，然后通过编程，采用p i d 算法，对采集到的数据进行分析、判断、 补偿，然后通过数据采集控制卡d a 输出，调节比例阀阀芯的位移量，控制限动 横梁的进给速度，最后限动横梁随计算机指令在液压缸的驱动下实现液压比例控 制系统的实时控制位移进给。程序编制采用v i s u mc ”语言，可实现单次进给控 制和成组数据采集分析。 一5 ：l 匕京i 业大学一i - 仃, 1 1 硕十学仲：论文 第2 章 a ss ei 轧管机芯棒限动装置电液比例系统 2 1 a s s ei 轧管机芯棒限动装置改造的概述 2 1 1技术改造的指导思想 西宁特钢i 0 0 无缝热管眦1 蜘7 m 1 车间( 下称热管车间) 目前主要生产 一般用途管和液压支柱管( 曾获国家银牌奖) 为主，年产量7 1 0 4 t a 左右。目前 生产的无缝管在西北和国内尚有一定市场。该车间建成于七十年代初，技术装备 十分落后，产品质量不高，面临丧失市场的危险。 该车间存在影响产品质量、产量、品种的问题主要有： ( 1 ) 产品壁厚不均； ( 2 ) 使用坯料断面过小过多，坯料全部是轧制坯； ( 3 ) 产品定尺过短： ( 4 ) 环形加热炉最大能力只是2 5 t h ，加热管坯长度最大只是2 7 m ： ( 5 ) 穿孔机穿制毛管最大长度只是5 m ： ( 6 ) 精整设备陈旧，不配套，难于扩大品种范围； ( 7 ) 热管车间难于给冷拔( 轧) 车间提供合理断面的冷拔( 轧) 料。 要在技术改造中一次性全部解决上述问题，使得热管车间变成当代先进的无 缝管车间，大部分设备都要更新和改造，甚至要移地改造，这样做是西宁特钢目 前条件不允许的。 针对上述情况，提出热管车间技术改造的指导思想是： 不扩大生产规模，但是，为了继续占领现有市场和今后扩大市场，要解决的 首要问题是提高管体质量；在提高管体质量的基础上，根据市场对品种的需求， 有针对性改造精整作业线。这样可以避免盲目增建精整设备。 2 1 2 技术改造的设想 根据上述的指导思想，热管车间的技术改造进度设想如下： 第一期工程- - m - - 热轧区改造 第一期工程改造计划分两步进行： 第一步更新自动轧管机组； 第二步更新无张力多机减径机及斜底式再加热炉。 第二期工程精整区改造。 本次技术改造仅是针对第一期工程第一步技术改造来进行。 6 第2 章a s s e l 轧管机芯棒限动铁置l u 液比例系统 热轧区的技术改造的内容主要包括轧管机和减径机的设备更新。 2 1 3第一期工程( 热轧区) 技术改造方案 根据上述的指导思想，第一期工程的第一步技术改造主要是采用产量不高， 但轧制荒管壁厚精度高的新型a s s e l 轧管机【9 l 【1 0 1 替代现有的自动轧管机组 【1 1 1 2 i ( 包括一台自动轧管机和二台均整机) ，这样就解决了提高管体质量这一首要 问题。 第一期工程的第二步技术改造，主要是采用步进式再加热炉和1 2 机架微张 力减径机替代斜底式再加热炉和多机架无张力减径机。这样不仅有利于保证 a s s e l 轧管机轧出荒管经减径后最终成品的壁厚精度；也有利于养活使用管坯断 面数量；有利于扩大产品下限规格范围。 2 1 ，4 产品大纲 2 1 4 1 产品规格和生产规模 产品规格不仅与轧管机有关，也与定、减径机有直接关系，在确定产品规格 中，考虑到热轧区最终改造时更新的1 2 机架微张力减径机。在热轧区技术改造 全部实施后，产品规格为两种选择：本次技术改造推荐方案l ，如表2 - 1 所示： 表2 - 1 方案对比表 t a b l e2 1t h ep r o j e c tc o n t r a s t 淡 管子直径管子壁厚长度年产量 方案( m m ) ( r a m )( m m )( t a ) 方案1 中7 0 - - 一1 2 l3 5 2 03 0 0 0 9 0 0 07 1 0 1 方案25 4 ( 5 i ) 1 2 i3 5 2 02 0 0 0 9 0 0 05 8 1 0 1 2 1 4 2 产品品种 生产的品种为：液压支柱管、结构管、液体输送管、汽车半轴管、低、中压 锅炉管、金钢石岩芯钻探管、不锈钢管。 2 1 。5 投资概算和主要技术经济指标 2 1 5 1投资概算 总投资 2 3 7 3 1 8 万元 其中：建筑费7 7 6 2 力元 设备费1 6 7 0 7 9 万元 安装费2 8 0 5 9 力元 7 ：l 匕京i ：业人学哪￥硕十学何论文 2 1 5 2 主要技术经济指标 财务内部收益率 1 6 5 投资回收期6 5 2 年 2 1 6 技术改造的生产工艺流程 2 1 6 1车间生产工艺简述 这次技术改造，仅是采用a s s e l 轧管机轧管工序代替原来的自动轧管机管工 序和均整工序。其他的生产工艺流程没有任何变化。a s s e l 轧管机轧管工序的前、 后生产工序如图2 一l 所示： 切尾 管坯加热_ 穿孔毛管a s s e l 轧管机轧管l + 广定径冷床上冷却叶各精整工序 b 再加热一减径一j 幽2 1a s s e l 轧管机生产工序图 f i g 2 一la s s e lp i p er o i l i n gm i l lp r o d u c es t e p s 2 1 6 2a s s ei 轧管机轧管过程 a s s e l 轧管机的芯棒限动装置工作原理如图2 - 2 所示： 骁i 乏动措豢i 跟面均缸髓；i j ：髯 i 一： i ：盼燃jy j ! ：1 一r：。一 弧i j 一 i = ：z 二 芝悼 r 1 一一 l 盯 整三一i 。1 ：i f 一。一：上j 一一- 。 ! ，0 i 一一卜，! ：，l l 二。- j芦棒 车在夏j i 砖l ： 叫 ；lr ，日一：h l 1 r 。一十一，i ”j - 卜：工一to 吖l j ：- j i 一：旧瓣i 雕t 稿缸j j 敬 ! = 萎 奠j 图2 - 2a s s e l 轧管机的芯棒限动装置_ r ：作原理图 f i g 2 2a s s e lp i p er o l l i n gm i l lm a n d e ll i m i t a t i o ne q u i pw o r k i n gs c h e m a t i cd i a g r a m 因轧制荒管壁厚值不同，a s s e l 轧管机可以使用不同的芯棒i b l l l i l 5 1 操作方法。 壁厚值较小时，使用半浮动的：签棒操作方法；壁厚值较大时，使用回退的芯棒操 8 第2 章a s s e t 轧管机芯棒限动装置电液比例系统 作方法。 半浮动芯棒操作过程： 穿孔毛管经快速链条运输机输送到轧管机前的短台上，由给料器将毛管送到 与轧制线标高相应的轧机f j 仃的辊道上( 此时辊道在最高位置) 。此后在原位的芯棒 小车将芯棒以约2 m $ 的速度将芯棒输送到距毛管尾端一定的距离，接着芯棒以 约1 5 m s 的速度插进毛管，并伸出毛管头端一定距离( 约3 0 0 m m ) 。这时毛管挡 板下降，由前台辊道输送的毛管以约1 2 m s 的速度与芯棒同步前进，直到毛管 头端到达预先设定的半浮操作工艺位置。然后，毛管由前台夹送辊以约0 1 5 m s 的速度送到咬入位置；芯棒仍以约1 2 m s 的速度继续前进到毛管被咬入时为止。 毛管被咬入的瞬间，前台央送辊升起，同时芯棒丌始向前浮动，直到轧制过 程完成芯棒浮动是由自订台用二个液压油缸限动的浮动横梁来实现。毛管咬入的瞬 间，前台所有的抱芯辊从张丌的位置将毛管抱紧，在此同时前台辊道下降到最低 位置。在毛管轧制中，毛管尾端先后通过各个抱芯辊后，抱芯辊就逐个再次遵命， 将芯棒抱紧。 轧制过程中，荒管头部依次通过后台的一个由压板扣压的滑槽和一个抱芯辊 ( 当荒管头端通过抱芯辊时抱芯辊闭合) 。 轧制完成后，前台辊道上升到支撑芯棒的高度，而前台所有的抱芯辊张开到 最大位置( 原位) ，与此同时，芯棒小车以约4 m s 的速度将芯棒退回到原始位置 ( 这也是半浮轧制的脱棒过程) ，浮动横梁也以约0 4 m s 的速度退回原位( 半浮操 作时浮动横梁的原始位置是在前台的后方) 。 轧制完成后。由后台的辊道和一个夹辊将荒管经主减机送到定径机前辊道。 回退芯棒操作过程： 回退芯棒操作在穿棒过程与半浮动芯棒操作不同的是，芯棒插入毛管伸出头 端的长度要比半浮动操作长得多，伸出长度约3 8 1 0 m m ，这样毛管与芯棒同步前 进终止时头端的工艺位置也不同。 开始轧制后回退芯棒操作与半浮芯棒操作的不同点是，毛管咬入的瞬间芯棒 开始向后浮动，直到轧制过程完成。 轧制过程结束后，脱棒过程也随之完成。轧制过程完成后，浮动横梁立即返 回原位( 回退轧操作中浮动横梁的原始位置与半操作的不同，它的原始位置是前 台的前方) ，同时驱动芯棒的芯棒小车也退回到原始位置。 不论是半浮还是回退操作，芯棒的冷却都是用有一定压力的水进行内部冷 却；芯棒的润滑“刚“力n 引是由润滑装置在穿棒过程中在芯棒表面喷射石墨水溶液， 以便在轧制过程中进行润滑。 2 1 6 2 设备选择及其主要性能 一9 北京i ：业大! 学t 稃硕十：学位论文 西宁特钢热管车间，生产能力目前约是7 1 0 4 t a 左右。就目前的条件而论， 热管车间要扩大生产规模，由于如下原因，是不合适的： ( 1 ) 热轧车间的现有厂房窄小，( 共四个跨问宽9 0 5 m ，长1 7 4 m ，面积1 5 7 4 7 m 2 ) ， 就总图位置而言，厂房也没有场地再扩建； 若要扩大生产规模，不仅是轧管机要更新成高产量的轧管机，同时，不论是 管坯加热炉、穿孔机和后部精整工序的设备都要相应地更新和添增。 由于以上原因，热管车间要扩大生产规模势必移地改造。 ( 3 ) 处在特钢厂的无缝钢管车间，没有足以降低无缝生产成本的连铸园管坯， 热管车间倘若生产规模过大，经济效益难于提高。 由此可见，热管车间的技术改造，是不宜扩大生产规模。因此，选用的轧管 机生产能力也不能过高。先进的连轧管机的新顶管机组( c p e ) 生产能力都较大， 并且这两种机型目前国产化了存在一定的困难，引进国外设备费用非常昂贵，因 此这两种机型不作为选用的对象。 斜轧管机生产能力不高，但是它最明显的优点是轧制荒管的质量非常好，轧 制荒管的壁厚偏差比c e p 要小，也完全可以与先进的连轧管机媲美。它轧制荒管 的壁厚偏差可达5 7 ，甚至更小。另外斜轧管机的设备重量要比上述两种机 型的要小。因此，在热管车间轧管机更新，选用斜轧管机是合适的。 斜轧管机目前流行的机型有： ( 1 ) 三辊式的a s s e l 轧管机 ( 2 ) 二辊式的a c c ur o l l 轧管机【归】 ( 3 ) 二辊式的d ie s c h e r 轧管机【l j 在热管车间技术改造中，选用了上述三种斜轧管中的a s s e l 轧管机，其理由 是： ( 1 ) a s s e l 轧管机已有六十多年的历史，生产技术很成熟，它是以轧制中、 厚壁管而著称。最近几年来，已发展成也可以轧制薄壁管，轧制的荒直径与壁厚 比最大可达o s - - 3 0 。 ( 2 ) 新型的a s s e l 轧管机比其上述其它两种斜轧管机的明显优点是： 车l 辊直径j 、： 不需设置任何导卫装置，不象上述两种二辊斜轧管机那样，设置两个 庞大的导盘，所以工具消耗小： 设备重量轻，设备基础较浅，投资费用低； 更换轧制规格和轧辊调整方便、快捷； 试轧新规格方便，有利于生产中扩大产品规格范围和缩短达产时间。 a s s e l 轧管机与上述两种斜轧管机比较缺点是，轧制薄壁管时轧辊消耗较大， 1 0 第2 章a s s e l 轧管机芯棒限动装置电液比例系统 但是，从天津市无缝厂引进的a s s e l 轧机生产实际中的情况看来，轧辊的消耗也 仅是0 5 公斤吨管。它的另一个缺点是，轧制薄壁管中，当n e l 装置不能使 用只使用快开装置时，荒管尾端壁厚不能轧制到要求的厚度( 约7 0 咖长) ，这部 分的尾端在进入定、减径机前，应该切掉。 ( 3 ) 由于管坯加热炉、穿孔机和厂房等条件决定，现有热管车间不宜设置张 力减径机，a s s e l 轧机轧制荒管的长度完全可以与现有条件相适应。 ( 4 ) 选用的新型a s s e l 轧管机可以国产化，尽可能盘活改造投资费用。在消 化移植天津市无缝厂的新型a s s e l 轧管机设备图纸的基础上，结合国内设计、制 造a s s e l 轧管机的经验( 我国在七十年代已经设计和制造过t r e s v l 型的a s s e l 轧 管机，这台轧机一直在j 下常生产) ，选用的新型a s s e l 轧管机，不论机械和液压 设备、还是电气设备，国产化是有充分条件的。 综上所述，在西宁特钢热管车问的技术改造中，选用生产能力不大，但能在 很大程度上提高管体质量的a s s e l 轧管机替代原来的自动轧管机组( 包括一台自 动轧管机和两台均整) ，不但在技术是合理的，同时由于这种轧机可以国产化， 也有利于节省技术改造的投资费用。 2 2a s s ei 轧管机芯棒限动装置液压系统方案设计及确定 2 2 1液压系统方案比较 a s s e l 轧管机的芯棒限动装置一般采用液压系统进行控制，芯棒限动油缸的 运行条件有三个其本要求。一是运行速度满足工艺要求；二是运行速度要求平稳、 抗外负载干扰能力强；三是油缸运行速度调节方便、稳定。鉴于以上技术要求。 在选用液压系统的方式方面有两种：一是采用数字液压缸及数字技术：二是采用 电液比例控制技术。 2 2 1 1数字液压缸及数字技术2 州2 2 2 3 对于数字式比例元件及其控制系统的丌发，早在7 0 年代人们就已经开始研 制了。8 0 年代初日本推出系列产品，随即在机床、成形机械、试验机、工程机 械、汽车、冶金机械等工业控制中得到广泛应用。此后德国、美国、瑞典等国也 相继有产品问世。在8 0 年代中、后期我国许多大专院也相继开展了电液数字阀 的研究，但到目自订尚未形成系列产品，应用于很小范围。 现有的电液数字阀主要是增量式数字阀和快速开关式数字阀两大类。增量式 数字阀采用由脉冲数字调制( p n m ) 演变来的增量控制方式，以步进电机作为电 机转换器，驱动液压阀工作。由于步进电机使用非常成熟，这类阀的液压部分工 作原理与丌关阀及比例阀类似，因此这类阀发展较快，应用较广，现有的数字阀 系列产品多属这类阀。快速开关式数字阀采用脉宽调制( p w m ) 数字控制，由力 北京一i ：业入学一1 i 程硕十学f i 7 ：论文 矩马达、螺管式电磁铁或盘式电磁铁等作为电机转换器，驱动液压阀工作。这 种阀的工作状态与丌关阀及比例阀、增量式数字阀均有所不同。它只有开和关两 种工作状态，靠阀口开、关的时i f i j 比来调节阀的输出流量和压力，这种阀目前国 内外都处在研制阶段。增量式数字阀又可进一步分为压力阀流量阀，方向流量阀。 下面就详细介绍一下增量式数字阀控制的电液伺服机构一电液步进缸( 数字 式液压缸) 。电液步进缸出现于7 0 年代，随着计算机在工业控制中的普遍应用， 电液步进缸技术的应用和发展很快。 其结构上主要由四部分组成，如图2 3 所示：步进马达、控制阀、差动液压 缸及反馈机构的滚珠丝杠付。 1 活粜杆2 活塞3 4 滚珠丝杠齿轮付5 控制阀芯6 减速齿轮7 步逃马达 图2 - 3 数字液压缸原理幽 f i g 2 3d i g i t a lc y l i n d e rw o r k i n gs c h e m a t i cd i a g r a m 其工作原理可以归纳为：一个三通滑阀控制一个差动缸。压力油p 。直接作用 在a 。腔，a r 腔的压力油受滑阀节流边的控制，由于a r 、a 。两腔的面积比为1 ：2 ， 所以活塞平衡时腔的压力为p 2 。当步进马达接受到控制脉冲后转过一个角度时， 通过减速齿轮带动丝杠转动，由于装在活塞上的螺母不能转动，则丝杠带动阀芯 向左或向右作轴向移动。设阀芯左移，则a 。腔与回油接通，活塞杆在压差作用下 向右运动，并带动阀芯向右和关闭0 油口，直动重新建立活塞的受力平衡，这就 构成了位置反馈。活塞的位移正好就是滚珠丝杠杆控制，因此只要脉冲当量足够 小，活塞位置精度就可以很高。不断输入脉冲，上述过程就连续进行，反向输入 脉冲，步进马达带动丝杆反转，阀芯向左移动，液压活塞减速直至反向运动。利 用计算机对输入步进电机的脉冲数、脉冲频率、脉冲频率的变化速度等控制量进 行编程，就能实现对负载位移、速度及加速度的控制。 构成步进液压缸的关键元件之一是一个能接受位置反馈的数字式方向节流 阀。对该阀的要求是，除了高的控制精度外，还应具有通用性，以便适应各种应 用的安装，方便的接受位置反馈。数字式方向节流阀一般采用三通滑阀，也可采 用四通滑阀，为了提高控制精度，可采用零开口形式，即为一个四边零丌口伺服 第2 章a s s e l 轧管机芯棒限动装置电液比例系统 滑阀。 数字式方向节流阀等数字阀的数字控制可对瞬态过程进行编程控制，能实现 无冲击启动、制动、换向，且控制信号为脉冲逻辑信号，利于提高阀的抗干扰能 力。另外步进电机与比例电磁铁相比，滞坏小、无累计误差、重复性好，因此数 字阀重复精度高，能获得较高的开环控制精度。但是，数字阀受步进电机惯频和 矩频特性限制，响应速度较低，频宽较窄。由于步进电机惯性引起滞后，在启动、 停止时会产生失步现象。存在零位死区，分辨率受限制。经检测，数字式方向节 流阀死区为1 5 9 6 ，全流量时为6 3 步，分辨率低，仅为1 9 左右。但是其缺点 可通过计算机编程进行改善。 选择和使用步进液压缸时应注意如下几点： ( 1 ) 液步进缸的输出力矩应大于其轴上的负载力矩，并有一定裕量。 ( 2 ) 液步进缸上的负载惯量应小于允许的负载惯量。 ( 3 ) 允许的负载惯量下，满足所需的加、减速时间常数。 ( 4 ) 在所需的工作频率和启、制动频率下工作。 ( 5 ) 油路一h 的背压应控制在允许的背压范围内。 ( 6 ) 制油温在允许范围内；并应保证油液的清洁度。 ( 7 ) 除机械传动部件( 齿轮、滚珠丝杠) 的i 白j 隙以便提高传动精度。 北京亿美博科技有限公司杨世祥教授在数字技术及液压同步研究领域取得 了突出成就。在电液步进缸( 数字式液压缸) 方面，经过十多年的潜心研究，把 传统的电液步进缸的快速性提高了一倍，即是在反馈机构一螺旋副( 其专利产品) 的快速性上取得的。把电液步进缸运动速度由最快2 0 0 m m s 提高到最高4 0 0 5 0 0 m m s 。这样电液步进缸的应用领域及应用范围更大，基本能满足冶金领域的 速度及控制要求，只是在性能价格比上如何考虑了。 另外考察北京亿美博科技有限公司数字缸的另一目的在于：数字缸能否应用 在西宁由1 0 0 无缝芯棒限动改造工程中。经过研究及分析：西宁中1 0 0 无缝芯棒 限动控制过程是一个非常“特殊”的过程。当芯棒在快进、快退及回退轧制过程 中，使用这种数字缸，没有一点问题，而且两液压缸同步性比阀控还要好。但是 问题就出在限动轧制过程中，如下图2 - 4 对液压缸活塞的受力分析： 西f fl 一毋 。一一。h 一_ - ，。j 一一l ，。一一， 图2 - 4 液压缸活塞的受力分析幽 f i g 2 4f o r c ed i a g r a mo f t h eb o r eo f c y l i n d e r 要实现限动速度o 0 7 0 2 m s ，f a f r 4 - f b f a 的产生是由液压缸a 腔的背压产