（机械工程专业论文）辊缝控制液压伺服系统.pdf

摘要 摘要 目前，包钢无缝钢管厂辊缝控制液压伺服系统的设计思想是采用液压伺服反 馈控制技术自动调节两轧辊辊缝，从而消除钢管通过轧辊时因管体温度差等原因 所引起的塑性变形以及由此造成的纵向壁厚不均匀现象，以提高钢管整体质量。 论文通过对轧管工艺分析，提出了轧管产生管体纵向壁厚不均的原因以及具 体的解决方案；通过对原有辊缝控制系统的结构及工作原理分析，并结合现场工 程实际，对辊缝控制的液压伺服系统进行了设计计算，给出了液压伺服缸的关键 设计参数；针对液压伺服缸的工作性能，建立了辊缝液压伺服控制系统的动静态 特性数学模型，并进行了动态特性分析：基于p i d 控制理论，对建立的控制系统 进行了校正分析与计算。最后，对液压伺服控制系统的计算机硬件结构进行了选 型与设计。 经现场使用，建立的辊缝控制的液压伺服系统有效的解决了管体纵向壁厚不 均的问题，对提高钢管壁厚精度，改善钢管质量、减少金属消耗、提高成材率、 增加经济效益具有重大的现实意义和推广应用价值。 关键词：液压伺服系统；辊缝；数学建模；接口技术 a b s t r a c t a bs t r a c t t h es t e e lr o l l i n gs e a m l e s so fb a ot o us t e e lc o r p o r a t i o ni si n p u ta tt h e l a s tc e n t u r yf r o mt h es o v i e tu n i o na n dp u ti n t oo p e r a t i o na tt h es e v e n t i e sa sal a r g e s e a m l e s ss t e e l t h ea n n u a ld e s i g np r o d u c t i o nc a p a c i t yo f3 0 0 ，0 0 0t o n s d u et om i l l i t s e l ft h e r ea r es o m ed e f e c t si np r o d u c t st h ee x i s t e n c eo fv e r t i c a lt u b ew a l lt h i c k n e s s u n e v e nt u b e ，s c r a t c ht h eo u t e rs u r f a c eo ft h eb o d y ，h o ta n dc o l dt o o lc o n s u m p t i o na n d o t h e ri s s u e s ，t h eo u t p u ti sn o ts t a b l eu n t i lt h em i d n i n e t i e st om e e tt h ed e s i g n p r o d u c t i o n s i n c e2 0 0 0 ，t h ep l a n ti m p l e m e n t e dat r a n s f o r m a t i o nt w i c e t h e r ea r e m a n yu n c e r t a i nf a c t o r sa b o u tt h ee q u i p m e n t ，e s p e c i a l l yt h et u b ew a l lt h i c k n e s so ft h e u n e v e ni m p a c to fv e r t i c a lp i p eq u a l i t y ，s ot h ea d o p t i o no fe q u i p m e n tm u s tb em o d i f i e d t os o l v et h i sp r o b l e m f a c et ot h i ss i t u a t i o n ，t h es t e e ls e a m l e s sp i p ep l a n th a st a k e n v a r i o u sm e a s u r e s ，b u td i dn o tr e c e i v et h ed e s i r e de f f e c t a tp r e s e n t ，t h er o l lg a p c o n t r o ls y s t e md e s i g no fh y d r a u l i cs e r v om e c h a n i s m t h eu s e db ys t e e ls e a m l e s sp i p e p l a n tc a na d j u s tt h et w os e a mr o l l e rg a pw h e ni tg ot h r o u g ht h ep i p er o l l e r a u t o m a t i c a l l yt oe l i m i n a t et h er e a s o n sf o rd i f f e r e n td e f o r m a t i o n c a u s e db yp l a s t i c d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ，r e s u l t i n gi nv e r t i c a lw a l lu n e v e np h e n o m e n o ni no r d e rt o i m p r o v et h eo v e r a l lq u a l i t yo fs t e e lp i p e t ot h es t e e ls e a m l e s sp i p ep l a n tw i l ll a ya s o l i df o u n d a t i o nf o rd e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r , t h r o u g ht h es t r u c t u r a la n a l y s i so fw o r k i n gp r i n c i p l ea b o u tt h et h e o r i g i n a lr o l lg a pc o n t r o la g e n c i e s ，c o m b i n e dw i t hp r a c t i c a le x p e r i e n c ea tt h es c e n e ， m a i n l yf r o mt h eh y d r a u l i cs y s t e md e s i g n ，t h es e r v os y s t e ms t a t i ca n dd y n a m i c a n a l y s i s ，c o m p u t e rh a r d w a r ei n t e r f a c et e c h n o l o g y ，s u c ha sa s p e c t so ft h er o l lg a p c o n t r o ld e s i g n sas e to fh y d r a u l i cs e r v os y s t e m s i n c e h et h es y s t e mp u ti n t ou s e ，i ts o l u t e dt h et u b ew a i lt h i c k n e s so fv e r t i e a l i n e q u a l i t yp r o b l e me f f e c t i v e l y i ti so fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et ot h et e c h n o l o g y f o ri m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo fp i p ew a l lt h i c k n e s s ，i m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fs t e e lp i p e ， r e d u c i n gt h em e t a lc o n s u m p t i o na n de n h a n c i n gy i e l d ，e n h a n c ee c o n o m i ce f f i c i e n c y k e y w o r d h y d r a u l i cs e r v os y s t e m ；r o l lg a p ；m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g ；i n t e r f a c e t e c h n o l o g l i 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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：豆置盎日期：堡墨：! 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t 学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅d 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：壬跹盘导师签名；丑生羔堡。日期：! 兰 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 概述 据不完全统计，我国无缝钢管机组有1 0 5 套，其中热轧成品轧机机组3 8 套， 占3 6 2 ，连轧管机组有8 套，占无缝钢管轧机机组的7 6 ，冷轧出成品轧机 机组有6 7 套，占轧机机组的6 3 8 ，小机组非常多，而高技术含量、高质量、 高产量的连轧管机组很少。在当前的世界市场经济环境下，产品质量作为主要 竞争手段，低等级低质量的产品生产能力过剩，而高质量高附加值的产品供不 应求。工业发达国家在压缩低等级产品产量的同时，把重点转移到采用新技术 对老厂的改造上，通过扩大品种、提高质量、降低消耗和企业兼并重组或组建 跨国公司等方式来提高自身的竞争优势，发展中国家出于国家的发展战略和自 身的经济利益考虑，也新建了许多轧管机组，而且其中不乏一些技术含量高的 连轧管机组，这使得世界市场中无缝钢管的竞争更加激烈，已成为近年来钢管行 业的主要特点和趋势i i j 。 包钢无缝钢管厂是上世纪五十年代苏联援建项目，七十年代建成投产，生 产的无缝钢管管径从中2 1 9 一4 2 5 ，年设计产量3 0 万吨，采用曼氏二辊斜轧穿 孔机和二辊自动轧管机。轧制工艺流程如图1 1 所示j 管坯在水压机折断后， 通过输送链进入环形炉加热，达到预定温度后，从环行炉出口出来，在双向定心 机上双向定心，然后到达穿孔机进行穿孔，为保证钢管壁厚均匀，采用两次穿 孔技术，穿孔完成后，通过输送辊道运送n - 辊自动轧管机，在二辊自动轧管 机重复进行两次轧制。为使钢管外径达到要求，钢管要经过均整机，为保证钢 管达到轧制温度，要在再加热炉中加热；当钢管温度达到规定值时，再经过最 后一道轧制工艺( - - 辊定径机) ，轧制出的钢管还要在冷床上冷却，然后经过矫 直机矫直，探伤机探伤，符合规定的钢管在切管机上切头切尾，并把钢管切成 用户要求的长度，最后在成品车间打捆、包装【2 1 。 自投产以来，该厂钢管产品一直存在管体横向、纵向壁厚不均，管体内外表 面滑伤，冷热工具消耗大等问题，而且产量也不稳定。针对上述问题，包钢无缝 钢管厂于2 0 0 0 年8 月开始与德国曼内施曼公司合作对轧制生产线进行第一次改 造，即在1 号、2 号穿孔机的设备进行工艺改造的基础上，新建步进式加热炉和 3 号、4 号冷床。2 0 0 1 年9 月进行二期改造工程，完成m4 0 0 机组1 号、2 号钧 整机的设备及工艺改造和1 号、2 号、5 号冷床的改造。改造后的机组设备运行 稳定，生产的产品质量有较大程度提高。但还有一些不确定因素影响着钢管质量， 尤其是从二辊自动轧管机出来的钢管还普遍存在管体纵向壁厚不均现象，从而影 北京工业大学工程硕士学位论文 响钢管质量。 1 1 2 课题来源 本课题来源于包钢无缝钢管厂4 0 0 自动轧管机。上面提到的二辊自动轧管 机，在包钢无缝钢管厂采用的是l 架自动轧管机组轧钢技术，轧制工艺简单，设 备操作维护简单方便，但从自动轧管机出来的钢管普遍存在管体纵向壁厚不均的 现象，如图1 2 所示，钢管管体出口端的壁厚要大于尾端的壁厚。 从上世纪九十年代以来，随着国际、国内市场对无缝钢管的品种、规格、质 量要求的提高，特别在该厂生产的石油套管比例不断增加的情况下，钢管的管体 纵向壁厚不均直接影响了钢管的质量。就包钢热轧钢管而言，y b 2 3 1 7 0 标准对 普通级钢管的壁厚允许偏差为1 5 o + 1 2 5 ，高级钢管为1 2 5 0 ，但生产 中仍出现较多的壁厚超差。据包钢无缝钢管厂统计，2 0 0 5 年生产直径为2 4 4 5 3 3 9 7 毫米的套管，共计2 6 7 1 7 支，由于壁厚不均造成的壁厚超差率为9 3 7 。 另外，2 0 0 6 年上半年生产的巾2 1 9x7 毫米的气瓶管( 共4 9 2 2 t ) ，由于壁厚不均 造成的改判率为3 4 9 。因此，提高钢管壁厚精度，对于改善钢管质量、减少金 属消耗、提高成材率、增加经济效益具有重大的现实意义。同时，对于按a p i 标准生产石油套管，提高产品信誉也至关重要。 为了能生产出高质量的无缝钢管，满足市场需求，在强手如林的无缝管市场 中占有一席之地，解决管体纵向壁厚不均的问题提到了议事日程。但国内对两辊 轧机所造成的纵向管体壁厚不均改造尚无可借鉴的参考资料，国外两辊轧机已淘 汰，寻求国外技术，一是无已成型的使用技术，二是价格昂贵。因此，本课题通 过结合现场生产的实际情况，对两辊轧机设备进行研究，重新设计和改造，以解 决管体纵向壁厚不均的实际问题。 1 1 3 本课题研究的意义 包钢无缝钢管厂巾4 0 0 自动轧管机采用的是两辊轧钢技术，上世纪七十年代 建成，在当时属于轧制工艺比较先进的大型无缝钢管生产机组，该机组采用前苏 联设备和工艺，其年设计产量为3 0 万吨，曾经给国家和包钢的建设立下汗马功 劳。随着市场上对无缝钢管的质量要求也越来越高，特别是高附加值产品需求量 的大量提高，原来的二辊自动轧管机存在许多缺陷，所轧制的无缝钢管普遍存在 管体纵向壁厚不均现象。包钢无缝钢管厂2 0 0 2 年生产钢管3 5 万吨，2 0 0 3 年完 成4 1 万吨，2 0 0 4 年生产4 5 万吨，2 0 0 5 年实际生产5 0 万吨，2 0 0 6 年计划生产 5 2 万吨，2 0 0 7 年预计产量5 0 万吨，而且高附加值产品的比率进一步高，该厂明 年的生产目标是在保持现有产量的基础上进一步加大石油套管的比率。管体纵向 壁厚不均会造成整个管体所能承受的压力不均、无法正常加工螺纹，甚至在开采 石油的钻井中发生事故，造成重大经济损失。质检部门对管体纵向壁厚不均的无 ：；签泪琶嚣 4 剀 ”哪 螓i | l 船 i 枷 i i 忡 器巾 器 ；沸 ，谚_。雅n啦=j黑掣冷0，狲猢 鹱妇婶 爨。 黎 琵 北京工业大学工程硕士学位论文 图1 - 2 管体壁厚不均示意图 f i g u r e1 - 2u n e v e nw a l lt h i c k n e s st u b es c h e m a t i c 缝管一般要求降级、降价甚至从新回炉，给无缝厂造成严重经济损失。也给该厂 未来的发展蒙上了一层阴影。因此，通过本课题的研究，分析无缝管产生管体纵 向壁厚不均的主要原因，并通过对辊缝液压伺服控制系统的再设计，提出具体的 解决措施，以改善钢管质量，减少金属消耗，提高成材率，增加经济效益，给该 厂未来生产高附加值产品打下良好的基础。 1 2 国内外研究现状 1 2 1国外研究现状 围绕热轧钢管壁厚精度问题，国内外科学工作者曾做过大量的研究工作，其 主要是在热轧模拟试验机和小型机组上进行。从发表的文章来看，虽然对产生钢 管壁厚不均的原因看法不尽一致，但对于指导生产，提高钢管质量具有重要的参 考价值。最近几年来，各钢管厂采用新技术、新工艺，以满足愈来愈严格的钢管 壁厚精度要求。日本川崎公司在知多厂1 6 寸自动轧管机组上已采用了计算机控 制技术，使壁厚偏差降低约1 ；日本八蟠无缝钢管厂将新工艺应用于生产，使 钢管平均壁厚不均为3 - 4 ，最大为7 - 8 ，无锡钢铁厂钢管车间采用两次穿孔工 艺，生产的冷拔成品管壁厚精度可达到三辊轧机的水平。随着世界科学技术的发 展，许多科学技术成果被用在无缝管轧制设备上，先后出现了五架连轧机组( 1 0 辊轧钢) 、六架连轧机组( 1 2 辊轧钢) 和限动芯棒轧制技术，轧制技术已趋于成熟， 而国外现已使用的五、六架连轧机组，所轧无缝钢管壁厚不均现象大幅降低【3 】。 1 2 2国内及包钢无缝钢管厂研究现状 近几年我国引进了大量国外先进轧钢和设备，包括五、六架连轧机组。包 钢无缝钢管厂在现有条件下，对钢管壁厚不均问题进行了多次实验研究，以便找 出原因、采取有效措施，提高钢管壁厚精度，先后采取了以下措施【4 】： ( 1 ) 管坯折断前，火焰切口要齐、直，必要时可采用双面切口，切口应达 到一定的深度。从长远考虑，最好采用火焰切割管坯或锯断管坯的方法。 ( 2 ) 热定心机应进行改造，必要时可采用液压定心机进行热定心。 ( 3 ) 二次穿孔机定心辊要调整得当，要防止顶杆偏斜，确保顶头、顶杆中 心线与轧制中心线一致。同时，操作要细心，防止定心辊过早打开。 第l 章绪论 ( 4 ) 在轧管总变形量一定的条件下，适当分配一、二道减壁量，操作中翻 钢要保证在9 0 。，以减少轧管产生的对称性壁厚不均；适当增加均整机变形量， 充分发挥均壁能力。 ( 5 ) 在轧制钢管的过程中，每一变形工序的变形量应合理的分配和控制。 钢管壁厚不均现象虽然有了进一步改善，但钢管纵向壁厚不均现象仍然普遍存 在： 1 3 本章小结 本章提出了本课题的现场来源包钢无缝钢管厂自动轧机组轧制无缝钢管 管体纵向壁厚不均的质量问题。基于轧机组的国际发展趋势，提出了进行技术改 造的现实意义，并了国p 勺# l - 发展现状进行了分析和总结。 第2 章工艺分析及确定解决方案 第2 章工艺分析及确定解决方案 这一章主要通过介绍包钢无缝钢管厂原自动轧管机的特点，分析了造成管体 纵向壁厚不均的原因，提出解决方案和预期目标。 2 1 管体纵向壁厚不均的原因 2 1 1 包钢无缝钢管厂原自动轧管机的特点 目前，包钢无缝钢管厂自动轧管机的辊缝调节机构大都采用原苏联机械式上 压、下压丝杠调整机构，结构比较简单，便于操作和维护，如图2 1 。在轧钢前， 稍板插入后，由操作员通过操作稍板液压缸、上压下丝杠和下压上丝杠装置，使 轧辊有一个预压下量，并调节控制两轧辊辊缝在规定值，调节完毕后锁紧调整机 构，设备开始运行；在轧制过程中无法控制轧辊辊缝，钢管在通过轧管机轧辊时 轧辊辊缝无法随机控制，辊缝是一个不变量。对如前所述原因所造成的管体纵向 壁厚不均现象，无法在轧制过程中控制解决，在整个轧制过程中两轧辊的轧制力 是一个不变值。钢管的壁厚完全取决予钢管各部位的塑性，塑性越高，管壁越薄。 因此，所生产的无缝钢管普遍存在管体纵向壁厚不均现象，特别是钢管尾端，给 包钢无缝钢管厂的后序生产高附加值的产品造成很大困难。 图2 - l 自动轧管机辊缝调解机构示意图 f i g u r e2 la u t o m a t i cp i p er o l l i n gm i l lr o l lg a pm e d i a t i n gb o d yd i a g r a m 北京工业大学工程硕士学位论文 2 1 2 管体纵向壁厚不均的原因分析 在钢管进入二辊自动轧管机前，由于钢管的前端( 约5 - 6 米) 受冷却水冷却时间 较后端长等许多不确定因素原因影响，钢管的前端温度较后端低( 1 0 0 0 c ) ，并且 越接近尾端钢管温度越高，温差最高可达2 0 0 0 c 。因此，钢管前端的塑性低于后 端。在轧制力相同的情况下，钢管各部位壁厚完全取决于钢管各部位的塑性大小， 塑性越高，变形量越大，壁厚越薄，因此通过轧管机两轧辊时前端的塑性变形量要 小于后端。钢管在通过二辊自动轧管机后，越靠近后端钢管壁厚越薄，钢管普遍 存在前端的壁厚大于后端壁厚的现象，即纵向管体壁厚不均的现象，如图1 2 所 示，严重影响产品的质量和成材率。 2 2 管体纵向壁厚不均的解决方案 2 2 1 方案的提出 包钢无缝钢管厂采取了多种措施，但均未收到理想效果。既然钢管在通过二 辊自动轧管机时，由于原轧钢过程中两轧辊的辊缝事先调整好，无法改变，而钢管 管体温度不同塑性不同，在轧制力相同的情况下，造成钢管各部位壁厚不同的主要 原因是管体纵向壁厚，因此，采取在原有二辊自动轧管机设备的基础上进行技术 改造。为节约资金，尽可能利用现有设备，通过对原有辊缝控制机构的工作原理 结构分析，结合现场实际经验，提出相应的解决方案：在原有两辊自动轧管机的 基础上增加一套液压或电气伺服系统，称为轧辊辊缝控制伺服系统。通过伺服系 统控n - 辊自动轧管机两轧辊的压下和抬起，使钢管通过轧管机时自动抬升上轧 辊，通过改变辊缝大小，用减少钢管外径变形量的方法来消除钢管纵向壁后不均 的现象。 2 2 2 方案的确定 微电子技术的发展使微机、超大规模集成电路和传感器技术有突破性进展， 全世界已进入以机电液一体化技术为核心的设备革命阶段。机械设备实现机电液 一体化是其发展的必然趋势。近年来机械的发展主要是操纵和控制机构的改进。 要解决控制问题，只从机械和液压角度来考虑很难使产品有质的飞跃，必须引入 具有良好控制性能和信息处理能力的电子技术或电液转换技术。 液压与电气伺服系统与其它控制方式相比，具有如下优点： ( 1 ) 液压执行元件( 液压缸和液压马达) 的功率一重量比和力矩惯性比小， 加速性好，结构紧凑，体积小，重量轻，惯性小。 ( 2 ) 液压执行元件的响应速度快。 ( 3 ) 抗负载的刚性大、控制精度高。由于油液的压缩性很小，当负载力变 化时引起的油液体积变化很小，所以液压执行元件的刚度很高。另一方面，液压 第2 章工艺分析及确定解决方案 伺服系统的动力输出机构的压力增益大，故系统受负载变化的影响小，即抗负载 的刚性大。 ( 4 ) 液压伺服系统散热容易实现，利用油液流动可以把产生的热量带走。 ( 5 ) 液压油有润滑作用，元件的使用寿命长。 轧机线上的液压控制系统由电动控制发展而来。所不同的是电动系统结构笨 重、响应低、精度差。而液压伺服系统调速范围宽，低速稳定性好；过载保护容 易；液压执行元件有直线式与旋转式两种，提高了液压伺服系统的适应性与使用 范围等。 因此，液压伺服系统具有响应速度快、控制精度高、系统刚性大等特点，依 据二辊自动轧管机轧管设备及现场周围温度较高等现场实际条件，最终确定采用 液压伺服系统进行位置控制的方案。 2 2 3 方案的预期目标 包钢无缝钢管厂辊缝控制液压伺服系统的设计改造的目的是实现在无缝钢 管通过轧管机时自动调节两轧辊辊缝，消除因管体温度差等原因所引起的塑性不 同而造成的纵向壁厚不均匀现象，以提高钢管整体质量，给包钢无缝钢管厂今后 的发展打下良好基础。该系统能根据轧钢前设定的输入参数，在进入塑性逐渐增 大的部位时，上轧辊逐步抬起，实现快速准确的瞬时调整，从而消除钢管壁厚渐 薄现象。 2 3 本章小结 本章经过对轧机组轧制钢管管体纵向壁厚不均的工艺分析，提出了具体的解 决方案。 第3 章辊缝液压伺服系统静态设计 第3 章辊缝液压伺服系统静态设计 本章介绍了辊缝控制液压伺服系统的所要实现的功能、控制方式和控制原 理。通过计算确定液压元件的参数，并对液压系统可行性进行了分析。 3 1 辊缝控制液压伺服系统的控制方式选择 轧机线上的液压控制系统由电动控制发展而来。所不同的是电动系统结构 笨重、响应低、精度差，而液压系统具有高精度、高响应和压下力大，尺寸小、 结构简单等优势。因此，采用液压驱动方式。 液压控制系统的控制方式有：机械控制、电气控制、微机控制三种。其中， 微机液压伺服系统中，偏差信号的检测、校正和初始放大等均由电气、电子元 件来实现；而液压动力元件响应速度快、抗负载刚性大，这是目前比较优良的 伺服系统，它充分发挥了电、液两者的优点，因此，初步选择微机液压伺服系 统。 3 2 辊缝控制液压伺服系统实现的功能设计 改造后的辊缝调节机构不但保持原辊缝调节机构的功能，同时具有在钢管通 过轧管机时，随着管体纵向壁厚的不断增加，上轧辊按照事先设定的参数逐渐抬 升，辊缝逐渐增加，从而减小钢管的变形量，实现对钢管纵向壁厚不均的控制， 以提高钢管轧制质量。 3 3 辊缝控制液压伺服系统的工艺设计要求 辊缝控制液压伺服系统的控制原理图，如图3 1 所示。轧钢前通过电控系统 控制液压系统调节轧管机两轧辊，使两轧辊辊缝达到规定值，锁紧调整机构，轧 管机开始运行，钢管头部进入轧管机，这时光电检测设备开始工作，当钢管进达 到设定长度值时，光电检测设备向电控系统发送反馈信号，电控系统通过液压伺 服系统，使上轧辊按照一定参数逐步抬升，轧辊辊缝逐步增大，当钢管通过自动 轧管机后，稍板缸开始工作抽出稍板，上轧辊辊缝完全打开，钢管被回送到轧钢 前的输送辊道位置，再按上述步骤重新轧制一次，直至工作结束。 北京工业大学工程硕士学位论文 电控系统 上 液压系统 上 轧辊辊缝调整到标准值 1， 上 上轧辊逐 设备运行 步抬升 辊缝逐步 土 增大 钢管进入轧辊机 i 上 光电检测到钢管壁厚变化部位 r 钢管通过轧辊机 1r 稍板缸工作抽出稍板缸 土 上辊轧辊完全抬升 1 r 钢管被回送到轧钢前位置 r 再重新轧制一次 上 结束 图3 1辊缝控制液压伺服系统的控制原理 f i g u r e3 - ! h y d r a u l i cr o l lg a pc o n t r o ls y s t e mc o n t r o lt h e o r y 3 4 总体规划、确定液压执行元件 初步设定在上轧辊两端的轴承箱上部和稍板之间分别安装两个相同的液压 第3 苹辊缝液压伺服系统静态设计 伺服缸，称之压下伺服缸；同时在上下轧辊轴承箱之间安装两个相同的液压缸， 称之上辊平衡缸，如图3 - 2 所示。这样，上工作辊依靠辊箱间的上辊平衡缸支撑， 上辊平衡缸起一个弹簧的作用，它会随着上轧辊上部的液压伺服缸的压力变化， 推动上辊上下移动，以改变辊缝大小，从而实现轧辊过程中壁厚均匀的目的。根 据主机整体结构布局和工艺要求，上述四个液压缸均采用单作用柱塞缸。 图3 2 轧管机示意图 f i g u r e3 - 2s k e t c ho f p i p er o l l i n gm i l l 3 4 1 绘制液压系统工况图 压下伺服缸在一个工作循环中的位移线图( s t 图) 和载荷图( f t 图) ，如 图3 3 所示。由载荷图可知，液压伺服缸在一个工作循环中( 从开始到时间t 2 ) ， 所受负载载荷始终不变，由轧辊的轧制力及上辊平衡缸内的压力形成向上的合力 ( 由于无缝管的温度不均造成的轧制力的微小变化忽略不计) 。 由位移线图可见，压下伺服缸在开始到t l 之前位移是恒定的，从t 1 开始 逐渐上升，压下伺服缸内的压力在电液系统控制下逐渐减小，上工作辊在相当于 弹簧的上辊平衡缸的推力作用下逐渐抬升，辊缝也随之逐渐加大。上升延时时间 t l 和这段位移线图的斜率，即上工作辊随时间逐步抬升的速度，可以根据轧制钢 管的品种和温度不同随时进行调整，也是在加工过程中需要逐步探索的经验值。 直到时间t 2 ，轧制结束，上工作辊停止上升，一个工作循环结束。到t 3 时，另 一个轧制循环开始，上工作辊会在压下伺服缸的压力下预压下8 m m ，辊缝重新 回到开始轧制前的轧钢要求，为下一个循环做好准备。 3 4 2 确定系统工作压力 系统工作压力由设备类型、载荷大小、结构型式和技术水平而定。系统工作 北京丁业大学工程硕七学位论文 压力高、省材料、结构紧凑、重量轻，是液压的发展方向，但除了要考虑高压下 的泄漏、噪声控制和可靠性问题的妥善处理之外，还须注意以下几方面： ( 1 ) 结合对应连接部件的尺寸，设计相应的结构型式，以满足使用要求。 过大的结构会造成不必要的浪费，设计方案对缸体放置空间的要求不高。 ( 2 ) 从载荷大小和活塞行程稳定性考虑，缸径设计不能太细。 ( 3 ) 主机对上轧辊上升的响应速度要求适中即可。 根据参考文献 1 】中的表1 7 2 1 ，选用中压等级( 7 2 1 m p a ) ，初步选定压力为 1 4 m p a ，压下伺服缸最终执行压力为5 5 m p a 。 f s t l 图3 - 3 液压系统工况图 f i g u r e3 - 3f i g u r eh y d r a u l i cs y s t e mo p e r a t i n gc o n d i t i o n s 3 4 3 草拟液压系统原理图 经上述分析，初步拟定液压系统在轧辊机组中的总体控制过程，如图3 - 4 所 示。在轧钢前，稍板插入后，控制伺服阀得电，三位阀转入左位。压力油通过两 个液控单向阀进入液压伺服缸上腔，使柱塞推动上轧辊预压下8 m m ，再调整上 压下和下压上丝杠，直到上下辊缝达到轧钢要求为止。开始轧管一段长度后，需 要辊缝逐步增大时，控制伺服阀右位得电，同时开关阀得电，两位阀转入左位， 压力油通过开关阀，同时接通两个液控单向阀，在轧制力和上辊平衡缸平衡力的 共同向上作用下，伺服缸受压缩，液压油通过可控开口的伺服阀返回油箱，从而 实现了轧机辊缝按工艺要求抬升。 在整个液压系统中，能够实现辊缝控制的部分，如图3 5 所示，依次为减压 阀、开关阀、伺服阀、安全阀以及伺服油缸。由于在整个液压系统中，对压力油 的压力需求不同，通过设置减压阀，以达到系统所要求的压力。开关阀和伺服阀 共同实现电液控制的目的。为了在轧机轧卡或管壁过厚时起到保护系统的目的， 第3 章辊缝液压伺服系统静态设计 在系统中设置了一个安全阀，调定压力为1 4 m p a 对于上辊平衡缸、蓄能器等组成部分，为了简化设计程序，便于理解，其功 能相当于起一个弹簧的作用，所以在图3 5 中以弹簧代替，便于说明工作原理。 图3 4 液压系统总体原理图 f i g u r e3 - 4o v e r a l lh y d r a u l i cs y s t e ms c h e m a t i cd i a g r a m 开洳每一龃珥 图3 - 5 液压系统辊缝控制部分原理图 f i g u r e3 5h y d r a u l i c r o l lg a pc o n t r o ls y s t e md i a g r a m 3 4 4 执行元件一液压伺服缸的关键参数设计 由于在轧钢过程中，压下力很大，且精度和稳定性要求很高，因此，本系统 采用三通阀一不对称缸控制模式，即用标准四通伺服阀当三通阀用，压下缸活塞 腔受控。根据总体设计要求，液压缸结构选择单作用柱塞液压缸。 柱塞缸是一种单作用液压缸，柱塞与工作部件连接，缸筒固定在机体上。当 压力油进入缸筒时，推动柱塞带动运动部件向下运动，但反向退回时必须靠其它 北京工业大学t 程硕二七学位论文 外力或自重驱动。柱塞式液压缸的主要特点是柱塞与缸筒无配合要求，缸筒内孔 不需精加工，甚至可以不加工。运动时由缸盖上的导向套来导向。 缸体采用无缝钢管，材料选用1 5 m n v n 。 3 4 4 1 液压缸内径参数计算 由液压系统工况图可知，液压缸承受的最大压力f m 缸= 1 2 m p a ，所选的供油 压力p s = 5 5m p a 。则缸筒内径r 为 r 蓐 ( 3 1 ) 将各己知条件代入式( 3 1 ) ，得到r 1 5 2 m r n 。则缸简直径应d 3 0 4i l m 。 由参考文献 1 】中的表1 7 6 2 ，选择液压缸的内径d = 矽3 8 0m m 。 3 4 4 2 缸简壁厚万设计计算 1 ) 缸筒壁厚艿设计 由于缸体采用无缝钢管，材料选用1 5 m n v n 。由参考文献【1 】中的表1 7 6 7 可得，其材料的抗拉强度7 5 0 m p a 。参照参考文献 1 d p i 墅j 表1 7 6 8 可得， 当姜= o 0 8 0 3 时的工程化公式： u 磊掣 ( 3 - 2 ) l o p 式中：p m 。x - 缸筒内最高工作压力，即系统压力p s = 5 5m p a ： 艿p 一缸筒材料的许用应力，啦= 皖n ； ( 3 3 ) n 一安全系数，通常取1 1 = 5 。 由式( 3 3 ) 可得，j 。= 7 5 0 5 = 1 5 0m p a 将上述各已知条件代入式( 3 2 ) ，可得：瓯= 7 m m 缸筒壁厚万为 万= 磊+ c l + c 2 ( 3 - 4 ) 式中：c l 一为缸筒外径公差余量，根据产品的加工精度暂定为八级即0 0 2 7 m m ： c 2 一为腐蚀余量。 考虑到以上两项因素对缸筒壁厚的设计影响都不是很大，把缸筒壁厚万直接 确定为1 5 r n m 。依此可得缸筒外径为d - - 3 8 0 + 1 5 + 1 5 = 4 1 0 m m 2 ) 缸筒壁厚艿的验算 对最终采用的缸筒壁厚应进行一下验算： ( 1 ) 额定工作压力p n 应低于一定极限值，以保证工作安全，即 只 o 3 5 掣 ( 3 - 5 ) 工，i 由参考文献 1 】中的表1 7 6 - 7 可得，缸筒材料的屈服强度瓦5 0 0 m p a ，在式 ( 3 5 ) 中，代入各已知条件，可得2 4 6 7 m p a ，远大于系统内部的额定工作压力 p n = 5 5 m p a ，即完全满足式( 3 5 ) 的条件。 ( 2 ) 额定工作压力应与完全塑性变形压力有一定的比例范围，以避免塑性 变形的发生，即 只( o 3 5 - 0 4 2 ) p , l ( 3 6 ) 气2 3 蟊1 0 9l o ( d d d ) ( 3 7 ) 由式( 3 7 ) 可得，最- - 3 7 9 5 m p a 。代入式( 3 6 ) 的右端，最小等于1 3 2 8m p a ， 远大于系统内部的额定工作压力p n = 5 5 m p a ，即完全满足式( 6 ) 的条件。考虑 到系统实际行程最长为8 m m ，所以确定柱塞行程为8 m m 。 3 ) 确定缸简底部厚度万 根据参考文献 1 】中的表1 7 6 8 中的公式： 万0 4 3 3 d 垒 ( 3 8 ) v 以 代入已知条件，可得缸筒底部厚度万= 2 1 m m ，取缸筒底部厚度万= 2 5 m m 。 另外，缸筒其他部位的设计还包括缸筒头部法兰厚度、螺纹连接部分等，此 处不在叙述。 3 4 4 3 柱塞的设计 ( 1 ) 柱塞直径确定 柱塞直径根据参考文献 1 】中的表1 7 6 1 6 得到，柱塞直径d 为 d = ( 0 6 0 7 ) d ( 5 m p a p n f 辊箱向上， 因此，伺服系统的预压下完全可以实现。 3 5 2 伺服缸的抬升 由图3 5 可知，伺服缸的抬升精度是由伺服阀的精确控制得到，而系统正常 工作的一个关键问题，是看轧钢时液控单向阀是否可以打开，只有它能正常打开， 系统才具备使用的条件。经实际测量，在轧制过程中，轧制力对缸的作用力为 8 m p a 。上辊平衡缸的油压为1 4 m p a ，由于两个缸内活塞的直径不同，折算到伺 服缸，对缸的作用力为5 5 m p a 。这样伺服缸内部负载压力为1 3 5 m p a 。根据液 控单向阀的控制压力和负载力特性图图3 7 可见，在负载压力为1 4 m p a 时，控 制压力只需大约4 m p a 即可把单向阀打开。而系统控制压力为5 5 m p a ，因此， 在此系统中，利用开关阀完全能实现对液控单向阀的打开。 第3 章辊缝液压伺服系统静态设计 负载压力m p a 图3 7 液控单向阀特性图 f i g u r e3 - 7p i l o tc o n t r o l l e dc h e c kv a l v ef e a t u r e sm a p 3 6 本章小结 本章对液压系统进行了总体设计，通过元件选择，验算，进行了可行性分析， 初步实现了技术改造的功能。 第4 章辊缝液压伺服系统动态设计 第四章辊缝液压伺服系统动态设计 本章主要介绍了如何选择液压伺服系统的主要元件，建立数学模型，并进行 系统静动态分析，根据分析结果进行p i d 校正。 4 1 选择液压伺服系统主要元件 4 1 1 液压伺服阀的选择 液压伺服阀是液压技术与电气、微机等自动化控制技术结合的产物，是电液 伺服系统中的放大转换元件，它把输入的小功率电流信号，转换并放大成液压功 率输出，实现执行元件的位移、速度、加速度及力控制，是电液控制系统的核心 元件，其性能对整个系统的控制精度有很大的影响。 系统采用的电液伺服阀，查相关产品样本，选用r e x r o t h ( 力士乐) 伺服 阀，型号为4 w 2 e m 6 。该阀最大流量1 0 0 l m i n ，最大输入电流l 。= 2 5 a ，最 高压力3 5 m p a ，阀口压降p = 3 5 m p a ，回程误差0 2 ，频响c o = (取5,65hz 额定输入信号时的相频宽) ，响应时间f 2 5 m s 。该伺服阀的特点为洲 ( 1 ) 采用大电流的单个位置调节型比例电磁铁，以提高前置级的控制精度 ( 减少滞环，提高分辨率) 。 ( 2 ) 采用具有伺服阀特点的阀芯与阀套结构，且阀套为钢质材料，以确保 耐磨性和中位时阀口的精确零遮盖。 ( 3 ) 提供一个安全位( 第四位) ，如图3 3 所示，当系统意外断电时，确保 控制系统的执行元件处于安全状态。这对于解决伺服系统在断电时因零漂问题可 能引起的设备事故特别有用。 ( 4 ) 此阀的特性曲线，如图3 4 所示，由此可以看出其线性度比较高。 ( 5 ) 此阀的控制中位是在比例放大器通电时，由一个零偏信号将阀芯推到 阀口零点获得的。 4 1 2 传感器的选择 由于控制系统有两个被测量，即位移和压力，所以要选择位移传感器和压力 传感器。位移传感器对系统输出的位移进行测量，并将信号迅速准确的反馈给控 制器，如果测量不准确，就不能如实的反映系统的工作情况，将会造成很大的误 差。因此，控制系统中的传感器的作用非常重要。而选择位移传感器主要考虑它 的测量范围和灵敏度。测量范围越宽，测量量程越大，检测误差也越大，所以在 满足量程的前提下，尽量选用较小的测量范围。 位移传感器的灵敏度越高，能感知的被测量的变化量越小，但同时对外界的 影响更加敏感，所以要根据实际情况综合考虑。由于压制产品的精度要求比较高， 北京工业大学工程硕士学位论文 所以对压下油缸位置控制的精度要求也较高【1 9 1 。所以选择i c s1 0 0 内置缸电位 计式传感器，其参数为：o 5 v 输出，重复精度0 0 1 ( 即全行程2 0 0 m m 内绝 对误差为0 0 2 m m ) ，线型度0 0 2 5 ，最高速度l m s 。 压力传感器型号为：y z d 一2 压阻压力传感器。测量范围0 - 一3 0 m p a ，准确 度o 2 ，工作温度一1 0 - - 7 0 ，回程误差0 0 1 ，基本误差0 2 ，输出电压o 5 v 。 4 2 系统数学模型的建立 4 2 1 阀控伺服缸建模 阀控缸的动态特性取决于阀和液压缸的特性并和负载有关。分析时按集中参 数考虑，假定负载是质量、弹簧和粘性阻尼构成的单自由度系统。为了分析简单 和便于应用，采用线性化分析方法，即研究在某一稳态工作点附近作微小运动时 的特性。 4 2 1 1 阀线性化流量方程 滑阀的线性化流量方程吲为 q l = t a x , 一k a p l 将上式拉氏变换后，可得 q = 一k p l ( 4 1 ) 式中：q 一负载流量，骁：鱼善； 疋一比例阀流量增益。 疋一比例阀流量一压力系数； 凡一负载压力，p l = a 一仍。 瓦一比例阀阀芯位移。 4 2 1 2 伺服油缸流量连续性方程 假定所有连接管道都是短而粗的，管道内的摩擦损失、流体质量影响和管道 的动态等均忽略不计；液压缸整个工作腔内各处的压力相同，油液温度和体积弹 性模量可认为是常数；液压缸的内外泄漏为层流流动。 基于上述假设，流入液压缸左腔的流量q 为 q l = 4 鲁吲a 刊+ a + 器 ( 4 - 2 ) 式中：么。一液压缸活塞的有效面积； x 。一活塞的位移； e 。一液压缸的内泄系数； q 2 = 4 鲁吲a 训一a 一黪 ( 4 - 3 ) q = ( q i + q ) 2 2 4 鲁+ ( 昆一见) + 三( a + 见) + 三( 络一羞磐) ( 4 4 ) 骁= 4 。j + 见+ 右见j ( 4 - 5 ) 4 见= m 等+ 纬鲁+ 瓦+ 五 ( 3 6 ) = 帮鑫 第一种情况：只考虑阀芯位移为输入的传递函数( 忽略干扰量咒的输入) 。 x _ q e p = 。善川a p ，。k 妥l k + e c 丽 ， q c 毳川，c 蓦噜川， 一 式中：4 口一液压缸活塞的有效面积，a p = 3 1 2 x l o - 3 m 2