（机械工程专业论文）十二辊冷轧机液压agc系统的性能改进研究.pdf

-1 独创性声明 |1,rlr|jrlllliiii i l l l lrill舢iljl y 17 8 8 4 8 8 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： 关于论文使用授权的说明 日期： 2 0 0 9 1 l 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： 致 日期： 2 0 0 9 1 1 摘要 摘要 目前板带材轧机压下厚度自动控制系统( a u t o m a t i cg a u g e c o n t r o l ， 简 称a g c ) 通常采用的“喷嘴挡板式电液伺服阀作为伺服控制单元，由于其结 构上的原因，抗污染能力差，易“卡死”，从而对维护要求很高，使系统整体运 行的可靠性受到制约。 针对这一问题，本文探讨了采用抗污染能力强，运行可靠度高的“射流管 式电液伺服阀及电液伺服比例阀替代“喷嘴挡板”式电液伺服阀的可能性。 文章的研究对象是1 4 0 0 m m 十二辊冷轧机压下装置液压厚度自动控制系统， 通过对“射流管”式电液伺服阀，电液伺服比例阀做为控制单元的a g c 系统的 数学建模、基于m a t l a b s i m u l i n k 基础上的仿真与动态特性分析，提供了可行 性结论。 基于研究结论，对板带材轧机压下自动厚度控制系统的设计或改造中使用 “射流管”式电液伺服阀或电液伺服比例阀做为控制单元，来改进系统维护性和可 靠性上，提供了一个依据。 关键词 ：厚度自动控制伺服阀m a t l a b s i m u l i n k 仿真动态特性 北京工业大学工程硕_ j ：学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，m o s to ft h ea u t o m a t i cg a u g ec o n t r o l ( h e r ei na f t e rr e f e r st o a g c ) o fc o l dm i l ls h a p e m e t e ra p p l i e sa ”n o z z l ef l a p p e r ”e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v o - v a l v e sa si t ss e r v oc o n t r o lu n i t ，w h i c hs t r u c t u r a l l yd op o o r l yi na n t i p o l l u t i o na n de a s i l yg o ts t u c k a sac o n s e q u e n c e ，a g ch a san e g a t i v ee f f e c to ns y s t e md e p e n d a b i l i t yb e c a u s eo fi t sh i g hc o s to fm a i n t e n a n c e a i m i n ga tt h es o l u t i o n ，w e 1 1t a l k l a t e ri nt h ep a p e ra b o u tt h ef e a s i b i l i t yo fa p p l y i n gj e tp i p ee l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v o - v a l v ea n ds e r v op r o p o r t i o n a lv a l v e i n s t e a do ft h e ”n o z z l ef l a p p e r ”o n e ，w h i c hh a v eag r e a ti m p r o v e m e n to na n t i - p o l l u t i o na b i l i t ya n dd e p e n d a b i l i t yo ft h es y s t e m t h eo b j e c to fs t u d yw eu s ei st h ea g co f1 4 0 0 m m1 2 一hc o l ds t r i pm i l l s h a p e m e s t e r t h ef e a s i b l ec o n c l u s i o nw i l lb em a d eb ym a t h e m a t i c a lm o d e l i n g a sw e l la sm a t l a b s i m u l i n kb a s e ds i m u l a t i o na n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ef o r a g c sw i t hj e tp i p ee l e c t r o h y d r a u l i cs e r v o v a l v ea n ds e r v op r o p o r t i o n a lv a l v e l a s tb u tn o tt h el e a s t ，w e 1 1t r yt oa p p l yt h ec o n c l u s i o nm a d eb yt h i sr e s e a r c ht od e s i g n i n go ru p g r a d i n ga g c sw i t hj e tp i p ee l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v o v a l v e sa n ds e r v op r o p o r t i o n a lv a l v e s 【k e yw o r d s 】a u t o m a t i cg a u g ec o n t r o l ；s e r v ov a l v e ； m a t l a b s i m u l i n k ；s i m u l a t i o n ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c i l - 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 选题意义1 1 1 1 国内外研究现状1 1 2 研究内容3 1 2 1 技术要求3 1 2 2 研究目标3 1 3 本章小结3 第2 章轧机板带厚度控制的基本原理4 2 1 可逆式冷轧机轧制过程及特点4 2 1 1 轧制过程4 2 1 2 特点5 2 1 3 轧机设置厚度自动控制系统的意义6 2 2 轧机板带厚度控制基本原理7 2 2 1 轧机的弹跳方程和轧件的塑性方程7 2 2 2 影响轧件厚度的因素9 2 2 3 厚度控制方式1 l 2 3 自动厚度控制的基本类型1 3 2 3 1 直接测厚法又称为反馈a g c 1 3 2 3 2 间接测厚法1 4 2 3 3 预控测厚法1 6 2 3 4 质量流控制法1 6 2 4 本章小结及所研究设备的压下自动厚度控制系统方案1 7 第3 章压下a g c 位置伺服控制系统数学模型的建立1 8 3 1 液压压下位置控制系统结构1 8 3 2 对称四通阀控制不对称液压缸可行性分析1 8 3 2 1 对称四通阀控制不对称液压缸方程推导1 9 3 2 2 对称四通阀控制不对称液压缸不相容性分析2 0 3 2 3 三通阀控不对称液压缸的类型、应用及特点2 l 3 3 轧机压下液压位置伺服控制系统各元部件传递函数2 2 3 3 1 伺服放大器传递函数2 2 3 3 2 伺服阀线圈回路传递函数2 2 3 3 3 伺服阀传递函数2 2 3 3 4 阀控缸传递函数2 3 3 3 5 位移传感器的传递函数2 5 北京工业大学工程硕二l 学位论文 3 4 液压压下a g c 位置闭环系统方框图2 6 3 5 各环节参数确定2 6 3 5 1 伺服阀线圈回路增益及伺服放大器增益2 6 3 5 2 伺服阀传递函数参数2 6 3 5 3 阀控缸传递函数参数2 7 3 5 4 位移传感器的传递函数参数3 0 3 5 5 液压压下a g c 位置系统闭环方框图3 0 3 5 6 液压压下a g c 位置系统开环传递函数3 1 3 6 本章小结3 1 第4 章液压a g c 位置伺服控制系统动态仿真分析3 2 4 1 仿真工具的选用3 2 4 2 动态仿真分析3 2 4 2 1 原始系统模型的动态仿真分析3 2 4 2 2p i d 控制器及参数确定- 3 3 4 2 3 经p i 校正的动态仿真分析4 0 4 3 “射流管”式伺服阀仿真结论暨本章小结4 1 第5 章采用伺服比例阀控制的动态仿真分析4 2 5 1 伺服比例阀传递函数中各参数的确定4 2 5 2 动态仿真分析4 3 5 2 1 时域分析4 3 5 2 2 频域分析4 4 5 3 伺服比例阀仿真结论暨本章小结4 5 结论4 6 参考文献4 7 致谢4 9 第1 章绪论 1 1 选题意义 第1 章绪论 自上世纪二三十年代多辊轧机发明以来，使板带材连续加工发生了革命性变 化。随着科技的进步以及仪器仪表、电子工业、汽车、飞机等领域的发展，对板 带材的需求量越来越大。特别是冷轧薄带材( 厚度o 1 0 3 m m ) 和极薄带材( 厚 度0 0 0 1 5 m m ) ，因其厚度控制和板形控制精度要求高( 比如厚度o 1 o 3 m m ，其 公差要求可达士o 0 0 5 m m ) ，连续轧制时质量控制难度大，从而使冷轧板带材的生 产成为钢铁工业各个生产工序中的重点和难点，其产量和加工质量水准标志着一 个国家钢铁工业的水平。 目前轧机轧制板带材的厚度控制调整多采用a g c 实现，a g c 即厚度自动控 制系统( a u t o m a t i cg a u g ec o n t r o l ，简称a g c ) ，其目的是获得板带材纵向 厚度的均匀性，从而生产出合格产品，是提高带材厚度精度的重要方法。 a g c 系统通常均为液压伺服控制系统，所以又称为h a g c 液压厚度自 动控制系统。h a g c 是现代板带材轧机的核心技术，该系统运行状态的好坏，直 接决定了轧机工作的可靠性，以及产品的质量和精度。 由于“喷嘴挡板”式电液伺服阀具有精度高和响应快的特点，a g c 系统多采 该类阀作为控制控制元件，来对执行元件( 液压缸或液压马达) 进行控制，以实 现对轧制板带材厚度和板形的调整要求。 但由于“喷嘴挡板式电液伺服阀价格昂贵，抗污染能力差，使h a g c 系 统的制造成本、维护成本较高，从而影响了系统运行的可靠性和性价比。因此探 寻如何减低h a g c 系统的制造和维护成本，提高轧机整体运行的可靠性，具有 一定现实意义。 1 1 1国内外研究现状 2 0 世纪七十年代前，轧机厚度控制多采用电动厚度控制系统实现，调节精 度差，效率低，响应速度较慢，使板带材轧制质量受到影响。进入2 0 世纪七十 年代后，液压厚度控制技术( h a g c ) 得到了广泛的应用，并逐步淘汰了电动厚 度控制系统。 早期的h a g c 系统，传感、检测和控制系统的设计是基于模拟装置实现的， 其系统性能的提高受到了很大的影响；同时由于液压元件的质量、寿命、可靠性 和液压系统设计理念的落后，进一步制约了h a g c 系统的发展。八十年代中期， 随着计算机技术的发展，出现了数字计算机控制的h a g c 系统。九十年代中期 以后，随着检测、微电子、控制、计算机和网络技术的飞速发展，以及液压元件 北京t 业大学t 程硕， ：学位论文 的质量、寿命、可靠性和液压系统设计理念的提高，使得所设计的h a g c 系统 总体性能有了很大的改善，并在轧机压下系统中得到了成熟而广泛的应用。当前， 新建轧机都把计算机控制的h a g c 系统作为设计标准；同时，旧轧机改造也把 计算机控制的h a g c 系统作为优先采用的先进技术。计算机控制的h a g c 系统 已成为衡量板带轧机装备水平的重要标志。 目前h a g c 系统多采用“喷嘴挡板 式电液伺服阀控制液压缸的方式，来 实现轧机压下装置对板带材厚度的控制。“喷嘴挡板 式电液伺服阀的特点是 动态响应特性好，频宽大；但其缺点是价格贵，且抗污染能力差，易“卡死”。 因而对油液品质和系统过滤性能要求极高，造成维护要求很高，使系统整体运行 的可靠性受到制约。 近年来，随着电液伺服阀技术的发展，特别是“射流管“式电液伺服阀技术 的推进，比如穆格( m o o g ) 生产的d 6 6 1 d 6 6 5 系列“射流管 式电液伺服阀， 该阀的先导级是一个对称的射流管阀，由干式力矩马达驱动其射流口偏转角度， 从射流管喷嘴射出的液压油进入与滑阀两端容腔分别相通的两个接收孔中，推动 阀芯移动。该阀打破传统“射流管 式伺服阀弹簧力反馈形式，采用高精度位移 传感器实现阀芯位置的反馈，减小了阻尼，提高了动态响应，具有较高的静、动 态品质；同时由于射流喷嘴与其接收器孔口距离较大，不易堵塞，抗污染能力强， 几乎相当于比例阀，使故障率大为降低。 此外，上世纪六十年代，在传统的工业用液压阀基础上发展出的比例阀，随 着内外反馈、电校正、比例电磁铁和比例放大器技术的运用及成熟，阀的性能有 了很大的提高。比如近年来出现的一种被称之为高频响比例阀或伺服比例阀的新 品种，这种电液伺服比例阀在结构上采用直动方式推动滑阀阀芯，反馈方式上为 内反馈，并因耐高压、比例电磁铁和比例放大器技术的发展，其动态特性得到了 极大的改观。从频宽角度看，传统比例阀一般小于5 h z ，而目前伺服比例阀的频 宽基本可达1 0 3 0h z ，更有意大利阿托斯( a t o s ) 及穆格( m o o g ) 生产的电液 伺服比例阀，其频宽已达5 0 7 0 h z 。这类比例阀为本文研究提供了一个基础条件。 电液伺服阀、电液比例阀、电液伺服比例阀性能特点比较见表1 1 表卜1 伺服阀、比例阀、伺服比例阀性能特点比较 电一机械转换器 频响零位死区过滤精度价格因子使用场合 比例阀比例电磁铁低有 2 5 p m l 开环 伺服比例阀比例电磁铁力矩马达 中高无 2 5 p ml 也 开环、闭环 喷嘴挡板伺服阀力马达或力矩马达高无 3 1 0 p m 3 开环、闭环 射流管伺服阀力矩马达高无 1 0 - - 3 0 p m2 3 开环、闭环 针对板带材轧机系统而言，系统维护和可靠性无疑是提高生产率的重要环 第1 章绪论 节，而其压下装置h a g c 系统的可靠性、制造、维护成本又是其中的重中之重。 由于“射流管 式电液伺服阀的改进和高频响、高性能电液伺服比例阀的出现， 并由于其在动特性上与传统应用于h a g c 系统控制的“喷嘴- 挡板”式电液伺服 阀一致或相近，且抗污染能力有了大幅度改善，因而为降低维护和使用要求提供 了可能性。 通过本文的探讨研究，如果结论替代可行，一方面可使h a g c 系统维护成 本降低，使用的可靠性得到改善；另一方面，又由于价格上高性能电液伺服比例 阀的优势，使h a g c 系统液压环节的成本降低成为可能。这正是本课题研究的 目的所在，这种探索是具备一定现实意义的。 1 2 研究内容 1 2 1 技术要求 本研究拟对北京伟士杰液压设备有限公司研制的1 4 0 0 m m 十二辊冷轧机压 下装置液压系统进行分析，探讨降低系统维护成本，提高液压系统可靠性的途径。 该设备液压系统的相应要求是： 轧制速度小于等于6 0 0 m m i r a 轧制压力1 0 0 0 0 k n ： 系统频宽1 0 h z 。 1 2 2研究目标 课题研究目标是通过对“射流管”式电液伺服阀，电液伺服比例阀做为控制元 件的a g c 系统的动态特性分析，探索满足系统频宽要求前提下，替代“喷嘴一 挡板”式电液伺服阀做为控制元件的可行性。包括建立数学模型，动态仿真和可 行性结论等。 1 3 本章小结 在本章中，探讨了题目的意义以及板带材轧机压下自动厚度控制系统的国内 外现状，针对现有轧机a g c 系统采用“喷嘴挡板 式电液伺服阀进行控制的问 题进行了分析，提出了改进这些问题的思路。 北京工业大学工程硕：i ：学位论文 第2 章轧机板带厚度控制的基本原理 在探讨轧机板带材厚度控制原理前，先介绍一下轧机的轧制过程。 2 1 可逆式冷轧机轧制过程及特点 2 1 1 轧制过程 bl 1 31 2l i 1 09l7 ，4 l ：一l 号上卸料小车；2 开卷机；螂直枕；4 一l 号卷取机；5 - - i 号转向辊；6 一l 号液搓剪； 7 - - 1 号板形仪；8 - - 1 号溯厚仪；9 - i 号腺油机；1 0 - - - - 主轧机l1 1 - - 2 号陈油机l 1 2 _ 2 号铡厚仪l1 3 - 2 号板形仪；i 争_ 2 号液捱剪；1 5 - - 2 号转向辊； 1 6 _ - 2 号卷取机；l 卜肪卷罄；1 8 - _ 2 号上卸料小车；1 争- - - 3 号上卸料小车 图2 11 4 0 0 m m1 2 辊可逆式冷轧机机列示意图 f i 萨- 11 4 0 0 m m1 2 hr e v e r s i n gc o l d - r e d u c t i o nm i l ls c h e m a t i cd i a g r a m 如图2 1 所示为1 4 0 0 m m 十二辊可逆式冷轧机机列刚1 1 ，它由上卸料小车、 开卷机、矫直机、卷取机、转向滚、液压剪、板形仪、测厚仪、除油机、轧机等 构成，轧机结构示意图见图2 2 i j 。 轧机# l n 钢板带材过程分穿带和# l n 两个阶段。 穿带阶段：上料小车将钢卷送至开卷机卷筒上，开卷后钢带通过液压剪切头， 经矫直机矫直后，通过转向辊导板台跨过右卷取机，送入主轧机，直到左卷取机 钳口，钳口钳住钢带头在其卷筒上缠绕2 3 圈后，开卷机停止送带，穿带结束。 # l n 阶段：穿带结束后，首先安放好上、下工作辊( 见图2 2 ) ，然后调准 轧制线，完成各项准备工序后，开始轧制过程。 本轧机为可逆式轧机，左右两侧各种装置完全对称。如把由右至左定义为第 一道次轧制，当钢带尾部到达右卷取机位置时，机组停车，第一道次结束。之后 按上述步骤进行反向穿带、轧制，左右两侧互换，从而实现第二道轧制。 竺蒙誓桀嚣黧燃黜黑鬻嚣裂擞 设定的板带厚度为止。显然，自动厚度控制系统( 躺c h u 比舷刖扎田，m 一一 定作曼二h 削扣七右卷取棚和开卷机均采用直流电机驱动，德国a b b i ii,_- 全数字直 田戮机籍裟需蕊黑裟嚣焉两台磊蒜 篓篓速篓二：芸竺怎i 嚣豢雾嚣雾鼍景蒜写藻；墓美 驱动，大张力时两台直流电机同时工作，j ：! 张力h 寸早百电佻上阡。仙一” 主压下，上下辊箱和传动辊采用液压平衡n 1 。 、 - 4 l 措 - - 一 - j 翟 5 0 0 0 娃x l - h 熊移 i ， - 毫 l 一 。 昆糍 i ， 垫板 l l 2 - 2 1 h 4 0 0 r a m 12 搿r 艄e d u 轧c t i 艄o n m 粝i l ls t r 棚u c t u r ed i 删 f i g2 - 21 4 0 0 m m1 2 - hr e v e r s i n g c o i d “ 。2 黧雾篙燃昊茹群黧星竺嚣 臻黧黧等要鬈燃蒜黼：嚣善兰蒜 还可曼鉴黧慧戮黼嚣，荔该 口： i ：黧慧凳裟裟藉曩黼茹嚣蒜高； 燃羹噤蔗鬟嚣嘉然淼蒜茹 然篓嚣熟嚣麓0 裟黧嚣器茹：盍 轧制的稳定性。可以实现大压下量、少遁次、向述及午l 删。坦叭鹏。“一 北京工业大学工程硕上学位论文 样既保证了整体辊箱刚度，又可以采用类似四辊、六辊轧机的压下方式。这样使 辊箱加工容易( 与s e n d z i m i r 整体机架比) ，并增大了轧辊开i = 1 度。因此，工作辊 直径可以根据轧材的不同而大范围调整。另外，整体辊箱更换迅速，提高了作业 率。 4 ) 采用了直接作用式多辊轧机板形调整装置。传统多辊轧机，无论是 s e n d z i m i r 式和r o h n 式都采用了偏心式或斜楔式辊型调整机构。其调整量都受偏 心量和斜度的限制。本装置是由一组多个液压缸直接将调整力作用于芯轴上，因 此其调整量较大，其反应灵敏、效果显著。 2 1 3 轧机设置厚度自动控制系统的意义 轧机轧制轧件时，由于轧制力的作用，轧钢机的工作机座会产生一定的弹性 变形，特别是宽度较大而且厚度较薄的板带轧机，机座弹性变形对轧件精度尺寸 有较大影响【2 1 。 a 。 争 a ) 轧制轧件时机座的弹性变形b ) 轧后的轧件断面图 a ) b pe l a s t i cd e f o r m a t i o nw h i l er o l l i n gb ) c r o s s - s e c t i o no fr o l l e dp i e c e 图2 3 机座弹性变形示意图 f i g2 - 3e l a s t i cd e f o r m a t i o no fb a s ep l a t ed i a g r a m 以图2 3 a 所示二辊板带轧机为例，若设轧件进入轧辊辊缝前的原始辊缝为 岛，当轧制时，在轧制力尸的作用下，机座在轧辊辊缝中部处产生的弹性变形为 如果轧辊原始辊形为圆柱形，则轧后的轧件，其断面将成腰鼓形( 见图2 - 3 b ) ， 轧后的轧件厚度可表示为： h = s o + 厂 ( 2 1 ) 式中厅轧件的轧制厚度( 轧件中部处的厚度) ； 曲一原始辊缝； 卜机座弹性变形( 机座在轧辊辊身中部处的弹性变形) 。 第2 章轧机板带厚度控制的基本原理 由式2 1 可见，机座弹性变形和轧件轧后的厚度h 及原始辊缝的设置密切 相关，要想得到厚度为h 的轧件，轧辊原始辊缝岛应调整到比轧件厚度h 小一 个机座弹性变形量厂的数值。 同时由于机座弹性变形量和轧制力有关，如果轧制力在轧制中有波动，必 然引起轧出的轧件在纵向厚度上发生变化，产生纵向厚度偏差，这就是要进行厚 度控制的原因和意义，也即现代轧机上都设置有厚度自动控制系统的原因。 此外，由于有载时，辊缝沿宽度方向因刚度问题产生变形，引起横向偏差， 导致板形变化，这一般是通过结构设计及板形调整装置实现控制的。由于板形调 整不在本课题的研究方向，就不再赘述了。 2 2 轧机板带厚度控制基本原理 2 2 1 轧机的弹跳方程和轧件的塑性方程 2 2 1 1 机座弹性变形曲线及轧机的弹跳方程 一般把轧制力p 和轧件厚度h 的变化关系曲线称为机座弹性变形曲线，一般 通过实验方法采集数据后获得，见图2 4 【2 1 。 图2 4 轧机弹性变形曲线 f i g2 - 4 t h ec u w e $ o f e l a s t i cd e f o r m i n go f m i l l 轧机机座的弹性变形曲线反映了轧制力p 和轧件厚度h 的变化关系，由图 2 4 可知，轧制力尸不大时，机座的弹性变形和轧制力成曲线关系。但一般轧机 的轧制力p 都大于非直线段的最大轧制力，故实际轧制过程中，机座的弹性变形 随轧制力呈线性变化，该直线的斜率为： c = t a n 口= 等 ( 2 - 2 ) ，。 北京工业大学_ 程硕i j 学位论文 由于轧制力一般都很大，故轧机机座的弹跳方程可近似表达为： d 厅s o + 吾 ( 2 3 ) 式中办轧后的轧件厚度； s 旷一轧辊原始辊缝； 尸轧制力； c 期座刚度系数，c - - t a n a ，显然c 为图中变形曲线近似直线部分的斜 率。 式2 3 通常称为轧机机座的弹跳方程。 2 2 1 2 轧件的塑性变形曲线和轧件的塑性方程 从上面分析可知，弹跳方程和轧制力有关，因此在确定厚度控制方案时，还 需要对轧制力尸与轧件厚度h 的变化关系进行分析，其轧件塑性变形曲线如图 2 5 所示【2 1 。 钆 r 蔼 辞 图2 5 轧件塑性变形曲线 f i g2 - 5t h er o l l i n go fe l a s t i ca n dp l a s t i cc u r v e 一般轧制力尸和轧件压下量a h 之间的关系可由经验公式获得，经验公式为： p = o 【日- h + a ) = q ( + 口) ( 2 - 4 ) 式中q 轧件塑性刚度系数，蛳p ，显然q 是其近似直线的斜率，； b 轧件压下量，是轧件轧制前后的厚度- , h 的差值，即a h = h - h ； 口h 车l n 力近似直线与横坐标交点到塑性曲线与横坐标交点的距离。 实际上，轧制力尸是许多相关参数的函数，也可表达为： p = f ( h ，h ，仃，o h ，r ，厂，) ( 2 5 ) 式中卜轧件轧制前的厚度； 办轧后的轧件厚度； 口h 、轧件轧制前后张力； 8 - 第2 章轧机板带厚度控制的基本原理 尺轧辊工作半径； 厂轧辊摩擦系数； j 轧辊接触弧长； “轧制速度。、 上述式2 3 或式2 5 即被称为轧件的塑性方程。 由前面分析可知，轧机机座的弹性曲线和轧件的塑性曲线都反映了轧制力p 和轧件厚度h ( 乃) 的关系，因此通过轧机弹跳方程式2 2 与轧件塑性方程式2 4 ( 或式2 5 ) 的联立求解，或采用尸坍图解法是研究轧机的厚控方法重要依据。 2 2 1 3p - 图 所谓p 日图，就是将机座的弹性曲线与轧件的塑性曲线绘制在同一个坐标 系内所得到的轧机的弹- 塑曲线( 尸- h 图) ，如图2 - 6 。 图2 - 6 弹塑性曲线p - h 图 f i 9 2 - 6p hd i a g r a mo f t h ee l a s t i ca n dp l a s t i cc u r v e 厚度h ( ) 其中曲线g k l 为轧机机座的弹性曲线，曲线g d 为轧件的塑性曲线，两曲线 交点e 的横坐标即为轧制后的轧件厚度h 。显然该只h 图非常直观的表示了机座 弹性变形与轧件塑性变形的协调关系。 2 2 2 影响轧件厚度的因素 由轧机的弹跳方程、轧件的塑性方程或者由其所得的尸日图分析可知，在 在轧制过程中，轧后轧件的厚度h 主要受到轧辊原始辊缝岛和轧制力尸的影响。 北京工业大学工程硕j j 学位论文 而在同一轧机上轧制同一宽度的轧件时，机座的刚度系数c 是不变的。故，下 面将着重讨论轧辊原始辊缝岛和轧制力p 所带来的影响。 2 2 2 1 轧辊原始辊缝岛对轧件厚度的影响 影响轧辊原始辊缝的因素有：轧辊偏心、磨损和热膨胀、以及轴承油膜厚度 的变化。它们都是在压下位置不变的情况下，使实际原始辊缝大小发生变化，从 而引起轧件厚的h 产生波动。显然，当原始辊缝发生变化时，如图2 7 a 所示， 假设原始辊缝减小了躯，机座弹跳曲线将由位置1 移至位置2 ，使轧后轧件厚度 h 变薄为h ，其厚度差为8 h = - h h 。 p h a h j 蕾 p hh 7 h b a ) 轧辊原始辊缝减小b ) 金属变形阻力增加 a ) d e c r e a s eo fo r i g i nw i d t ho ft h er o l l e rb ) r e s i s t a n c ei n c r e a s ew h e nm e t a ld i s t o r t i o n 图2 7 产生轧件厚度差时的p - h 图 f i g2 7p - hd i a g r a mw h e nt h i c k n e s sd i f f e r e n c eo c c u r s 2 2 2 2 轧制力p 对轧件厚度的影响 轧制力尸的波动是影响轧件厚度的主要因素，所有影响s l $ ) j 力变化的因素都 会使轧件厚度发生变化。这些因素有轧件温度、轧件化学成分和组织性能，坯料 原始厚度、张力、轧制速度、轧件和轧辊间的摩擦系数等。其中，轧件温度、轧 件化学成分和组织性能以及轧制速度的波动，都使金属变形阻力变化而改变了轧 制力。当上述因素变化时，对应的p _ 日图上塑性曲线的斜率或位置将发生相应 的变化。如图2 7 b 为金属变形阻力增加时，轧件塑性刚度变大，使轧后轧件厚 度增加，由h 变为h ，其厚度差为轧辊原始辊缝8 h = h - h 。 因此，为了部分和全部抵消轧件的s l s s j 厚度偏差，现代轧机通过厚度控制装 置实现，常用的厚度控制方法有：调整压下，调整张力，调整轧制速度等。下面 将结合p 日加以说明。 第2 章轧机板带厚度摔制的基本原理 2 2 3 厚度控制方式 厚度控制方式通常可根据轧机弹跳方程式2 3 和轧件塑性方程式2 5 联立求 解，得出厚度偏差万办方程式并结合p - h 图，对影响厚度偏差万 的因素进行综 合分析所得出的方法。 p - h 图前已述及，下面先对式2 3 和式2 5 联立求解厚度偏差万办方程式【5 】。 由式2 3 和式2 5 联立可得： 翻：舔+ 望( 2 6 ) a c 驴：丝掰+ 丝翻+ 旦8 0 + ( 2 7 ) a h a h a o h “ 将式2 7 代入式2 - 6 得： 趾壶( 一嚣肌筹 ) ， 一锄 式2 8 是经轧机弹跳方程和轧件塑性方程联立求解所得轧件厚度差万办与相 关影响因素的方程式。根据轧件厚度偏差万办方程式2 _ 8 可知，影响轧件厚度差 万办的因素有辊缝、来料厚度差、张力以及速度等，调节这些因素即可消除厚度 偏差。而利用p - i t 图进行分析，可以更直观的说明这些厚度控制方式的可行性， 故下面主要以利用尸- 日图来分析常见的厚度控制方式。 2 2 3 1 调整压下方式 调整压下是厚度控制的最主要的方法，调整压下，即改变轧机辊缝方式。以 尸日图进行分析其可行性，详见图2 8 所示【2 】。 b 一s o 一 ，一 图2 - 8 调整压下时的p - h 图 f i g2 - 8p hd i a g r a mu n d e rg a u g ea d j u s t m e n t 图2 8 中曲线a b 是机座弹跳曲线，c d 是坯料厚度为f 时轧件的塑性曲线。 北京工业大学t 程硕i ：学位论文 当轧辊原始辊缝为岛时，轧后轧件的厚度为h ，轧制力为尸l 。 如果坯料增加了6 1 1 ，轧件此时的塑性曲线移到u 位置。此时的轧制力变为 p 2 ，增加了卯，轧后轧件的厚度增加了6 厅。为了补偿这个厚度差，需要调整辊 缝，使之减小船，与之对应的机座弹跳曲线为虚线所示的m n 。经过调整后的轧 制力为p ，波动量为卯，轧后轧件的厚度修复为h 。 其经调整压下调整后，轧后轧件的厚度h 可表示为： p h = s o + 壬一8 s但一9 ) 一、一一， 式中厅轧后的轧件厚度； s 矿一轧辊原始辊缝； p 轧制力； c 机座刚度系数； 舔轧辊辊缝调整量。 由式2 - 9 还可知，轧辊辊缝调整量帮绝对值大于所需要补偿的轧件厚度偏差 砌。 2 2 3 2 调整张力方式 此外在可逆式板带轧机上，除了调整压下进行厚度控制外，还常采用改变前 后张力来进行厚度控制。如图2 - 9 所示。 p 剖己当卜一珊f - - - - - - h _ 叫 。 图2 - 9 调整张力时的p - h 图 f i g2 - 9p - hd i a g r a mu n d e rt e n s i o na d j u s t m e n t 若$ l n 坯料存在一个原始厚度差6 h , 轧后轧件的厚度差为6 厅。由图2 - 9 可 知，在辊缝不变的情况下，采用加大张力的办法，使轧件塑性曲线岛的斜率变 化为曲线b 2 ，即改变了轧件的刚度，进而使轧件在$ l n 后的轧件厚度h 保持不 变。 显然利用调整张力的办法，也可消除厚度偏差6 办。但一般为防止轧件拉窄 第2 章轧机板带厚度控制的基本原理 或拉断，在热轧和冷轧较薄带材时不宜采用。本研究所轧制板带材为冷轧薄板， 因此没有考虑采用张力的方式进行厚度控制。 2 2 3 3 调整轧制速度方式 它也是通过改变轧件的塑性曲线的斜率来进行厚控的，其只日图与图2 - 9 相 似。这里就不再进行分析了。 2 3自动厚度控制的基本类型 上一节对板带材厚度控制的原理进行了分析，为了实现轧件的厚度自动控制 ( a g c - - a u t o m a t i eg a u g ec o n t r 0 1 ) ，现代轧机一般都采用液压压下装置。a g c 系统通常包括三个主要部分： 1 ) 测厚装置检测轧件的实际厚度； 2 ) 厚度比较和调节装置将检测得到的轧件实际厚度与轧件给定厚度进 行比较，得出厚度差6 办，并根据具体要求，输出辊缝调节信号5 s ； 3 ) 辊缝调整装置根据辊缝调整信号豁，通过压下装置对辊缝进行调节， 达到减小和消除轧件厚度差的目的。 a g c 的基本类型根据轧件的测厚方法，通常又可分为三类： 1 ) 直接测厚法； 2 ) 间接测厚法； 3 ) 预控测厚法。 下面将分别对三种测厚方法进行说明和比较分析。 2 3 1直接测厚法又称为反馈a g c 直接测厚法顾名思义，就是把测厚仪安装于轧机出口处，从而直接测得被轧 轧件轧制后的实际厚度h ，其原理如图2 1 0 所示2 1 。 图2 1 0 反馈测厚原理图 f i g2 10f e e d b a c k t h i c k n e s sm e a s u r e m e n ts c h e m a t i cd i a g r a m 北京t 业大学工程硕士学位论文 显然，这个经轧机出口处测厚仪直接测得轧件轧制后的实际厚度h 与给定厚 度h o 进行比较，可以得出一个厚度偏差砌= 乃h o ，而这个厚度偏差6 即为轧件 需要调整的厚度偏差值。把这个厚度偏差值砌，通过厚度自动控制装置进行信 号转换后得到辊缝调节信号韶，再通过数据传输，把它输出给液压压下装置， 由液压压下装置进行辊缝调整，达到消除厚度偏差的目的。 由上述分析可知，这种测厚控制方法优点是控制系统简单，但由于采用的是 测量轧机出口轧制后的轧件厚度来进行调节辊缝，存在从辊缝到测厚仪之间的时 间滞后。正是因为存在这个较大的滞后性，其所获得轧件厚度的控制精度比较低， 故而此种a g c 系统多用于轧制速度要求不高的轧机上。 2 3 2 间接测厚法 图2 1 l 间接测厚原理图 f i g2 - 11i n d i r e c tt h i c k n e s sm e a s u r e m e n ts c h e m a t i cd i a g r a m 间接测厚法是利用弹跳方程中轧件厚度与轧制力、轧辊辊缝之间的关系来间 接测量轧件厚度，再进行比较调节的方式。由于测点就在轧制处，因此是一种从 测点角度看没有滞后的方式。具体原理如下： 假设给定厚度为办o ，板厚偏差为8 h ，则： h = + 渤( 2 - 1 0 ) 根据弹跳方程可以得出： 渤= 暑+ s 一( 2 - 1 1 ) 如图2 1 1 所示，由压下位置检测装置测出辊缝s ，并由压头测得轧制力尸， 再利用方程2 1 1 求出砌，而后再将赫进行数据转换，输出辊缝调节信号嬲， 并将这个信号船输出给液压压下装置进行辊缝调整，以消除厚度偏差搠【5 1 。 通常辊缝零位难以精确得知，故把某一预轧制力尸。时的辊缝s o 作为基准值。 第2 章轧机板带厚度控制的基本原理 此时式2 1 l 可修改为： y n = p - p o + s h o ( 2 1 2 ) c 、 间接测厚法得出比较值是轧件处于轧辊辊缝中的厚度，所以与直接测厚法相 比没有位置测点的滞后，但存在信号时间传输的滞后，相比于直接测厚法滞后性 要小的多，能较好的改善轧件厚控精度。其缺点是非直接测量，需依靠公式转换， 依赖于设定参数精度，其测量精度较低，故多与直接测厚法，即轧机出口测厚法 来校正间接测厚法的测量精度，提高轧后轧件的厚度精度。其原理图见图2 1 2 p j 。 图2 1 2 反馈一间接复合测厚原理图 f i g2 - 12f e e d b a c k - i n d i r e c tt h i c k n e s sm e a s u r e m e n ts c h e m a t i cd i a g r a m 具体原理为，将两种厚度控制原理公式合并得： 翻：一渤，一f 呈箬+ & 一1 ( 2 - 1 3 ) l 式中锄7 测厚仪测出的偏差信号； dd 半+ & 实际厚度； 乙 一劢修正后的给定值。 如果计算出的砌为零，说明压下量合适，不需要进行调整。如果给定值大 于实际厚度，即渤 o ，代表负偏差，即应压下抬起；反之，则使压下装置压下， 从而消除偏差。 上述两种方法由于从检测出的轧件厚度差，到调整轧辊辊缝都存在一个时间 上的滞后，因此它们都有一个共同的缺点，就是不能校正检测处的轧件厚度差。 为此，还有一种方法预控测厚法可比较有效的改善这一缺陷。 一 北京_ t 业大学t 程硕f ：学位论文 一 2 3 3 预控测厚法 预控测厚法实际上就是把测厚仪安放于轧机入口处，预检测轧件坯料厚度 日，并与给定坯料厚度比较得出坯料厚度差信号跗。由式2 8 可得其数学调整模 型： 卯 舔：丝掰 ( 2 1 4 ) 由该模型，通过计算机计算出辊缝调整量帮，再结合处于检测处轧件进入 轧辊的时间和调整辊缝的时间，使压下装置对轧辊辊缝进行预控调整以消除厚度 差。这种办法称为预控测厚法，原理如图2 1 3 所示。 图2 1 3 预控测厚原理图 f i g2 - 13p r e c o n t r o lt h i c k n e s sm e a s u r e m e n ts c h e m a t i cd i a g r a m 显然预控测厚法是开环控制系统，因此不能检查控制效果，因此常与其它方 法联合应用。 2 3 4 质量流控制法 所为质量流，即是指金属在塑性变形前与变形后，其体积不发生变化，只是 外形尺寸改变。冷轧钢带轧制时，宽度不发生变化，因此带材轧制前的长度三 与厚度日的乘积应等于轧出的长度z 和厚度h 的乘积，即： 三月i - 胁 ( 2 。1 5 ) 质量流控制，就是利用轧机入口和出1 2 1 带材长度( 利用测速仪实现) 及带材 入口处厚度等几个测量值，计算出轧后带材的厚度，从而减少了侧量出口厚度所 造成的反馈滞后现象。这种确定工作辊出口处带材厚度的质量流方法，已经被证 实是非常精确的。 通常板带材冷轧机压下自动厚度控制系统a g c ，一般都有以上几种自动厚 度控制方法结合使用，以达到最佳控制效果。 第2 章轧机板带厚度控制的基本原理 2 4 本章小结及所研究设备的压下自动厚度控制系统方案 由于液压厚度自动控制系统( a g c ) 为目前轧机压下控制的主流，该设备目 前也采用这种控制方式。根据上述厚度自动控制方案，1 4 0 0 m m 十二辊可逆式冷 轧机的厚度控制方式采用了直接测厚控制、间接测厚控制、预测厚度控制以及质 量流控制复合方式进行全程厚控，如图2 - 1 4 所示。 该控制系统为全数字式控制，由一台监控计算机、两台过程控制p l c ，伺服 阀和功率放大器、液压缸位移传感器、压力传感器、信号变送器以及测厚仪、测 速仪等控制单元构成，如图2 1 4 所示。 监控计