冷连轧机液压压下控制系统中的几个关键问题的理论研究

摘要冷连轧机液压压下控制系统中的几个关键问题的理论研究摘 要随着社会经济的发展，国内外各行业对于薄板材的需求量也越来越大，同时轧钢生产和轧制技术也得到了飞速发展。现代板带钢生产已逐步实现了全连续轧制，并向着提高产量、扩大品种、提高精度、提高自动化程度方向发展。在行业对于钢板的精度要求越来越高，轧机的控制参数越来越复杂，各种高新轧制技术不断出现的形势下，对于轧机理论的深入研究也就更加迫切。本文结合读研期间所做的本钢冷轧薄板厂冷连轧机技术消化合作项目，对于冷连轧机液压压下控制系统（HGC系统）进行了理论性的研究。液压压下控制系统是冷连轧机控制系统中十分重要的组成部分，它主要实现机架辊缝大小的控制，对于轧制板材的板形有着直接的影响。在轧制过程中，HGC系统中很多环节都会引起钢板板形的波动，有些环节直接影响轧机生产的效率和板材的精度，特别是由于轧辊偏心（包括工作辊和支撑辊）、油膜厚度的波动、轧机的弹跳等因素。本文对于液压压下控制系统中存在的偏心补偿、油膜补偿和弹跳补偿进行了深入的理论分析，研究了本钢冷连轧机液压压下控制系统中偏心补偿、油膜补偿、弹跳补偿的数学模型、实现过程，并与国内外相关理论进行了对比，阐述了各自的优缺点。在对偏心补偿理论研究的基础上，利用有限元分析软件重点对轧辊的偏心做了轧制过程的仿真，仿真中分别考虑了工作辊和支撑辊的偏心影响，并针对轧制条件（压下率、轧制速度、摩擦系数、来料厚度、轧辊直径）的不同情况，分别进行了有限元仿真，利用仿真的结果和软件的后处理功能，分别对比分析了工作辊和支撑辊的偏心对于轧制钢板板形的影响，从而为更好地对轧辊偏心进行补偿提供了理论依据。关键词：冷轧机 ；偏心补偿 ；油膜补偿； 弹跳补偿； 有限元分析- II - ABSTRACTTheory Research of Several Bottleneck Problem about Hydraulic Gap Control System in ColdrollAbstractWith the development of social economy, the requirement of flimsy plate become more increasing in every trade at home and abroad .At the same time, the steel rolling production and rolling technology develop at very fast speed. The strip steel production has realized the full continuous rolling step and step, and developed in the direction of increasing output, enlarging variety, improving precision and automatization degree. In the case of more and more higher precision of armor plate, more and more complex control parameter of rolling mill and the emergence of all sorts of high and new rolling technology, it is more exigent to research in-depth the theory of rolling.This paper integrates the item of BENGANG technology assimilation, researches the theory of Hydraulic Gap Control System (HGC system). HGC system is the important component in the control system of coldroll, it can control the rolling gap size of stand, and direct effect the shape of plate. In the process of rolling, some factors affect directly the production efficiency of coldroll and the precision of plate, special is the factor due to eccentric of roller (work roller and back-up roller), fluctuate of oil film and stretch of coldroll.This paper analyses in-depth the eccentricity compensation, oil film compensation and stretch compensation, and expatiates the mathematical model, implementation procedure of three compensations and the excellence and shortcoming of respective theory at home and abroad. In particular, finite element analysis technology is applied in the simulation of roller eccentricity on the base of threoy research. Take into account the infection of eccentricity of work roller and back-up roller. Respectively simulate in the different condition of rolling (for example : transformative rate、velocity of rolling、frictionfactor、thickness of plate、diameter of roller). Compare the infection of plate shape on account of eccentricity of work roller and back-up roller by virtue of the simulation result and the ability of background processing , the analysis results become the theoretical document for compensating the eccentricity.Keywords: Coldroll, Eccentricity compensation, Oil film compensation, Stretch compensation, Finite element analysis.- IV - 目录目 录声 明I摘 要IIAbstractIII第一章 绪 论11.1 论文的选题背景11.2 带钢冷连轧机的发展历程和发展趋势11.2.1 带钢冷连轧机的发展历程11.2.2 带钢冷连轧机在国内的发展概况21.2.3 带钢冷连轧机的发展趋势31.3 论文的主要工作6第二章 液压压下控制系统总论72.1 液压压下控制系统简介72.2 液压压下控制系统组成分析72.3 液压压下控制系统功能分析92.3.1 作用分配简介102.3.2 HGC系统组件主要参数102.3.3 作用分配102.4 液压压下控制系统数据交换13第三章 液压压下控制系统中主要补偿形式及其实现173.1 引言173.2 偏心补偿173.2.1 轧辊偏心的定义和起因173.2.2 轧辊偏心的补偿方法193.2.3 本钢冷连轧机偏心补偿介绍及控制过程的实现203.3油膜补偿303.3.1 油膜补偿的意义303.3.2 油膜厚度对AGC系统的影响313.3.3国内外油膜补偿的研究现状323.3.4 本钢冷轧机油膜补偿的的实现353.4 弹跳补偿363.4.1 轧机弹跳补偿的原因363.4.2 弹跳补偿的模式的选择363.4.3 弹跳补偿的数学模型37第四章 弹塑性有限元理论及其应用384.1 有限元法简介384.1.1 有限元法的发展历史384.1.2 有限元的基本思想384.1.3 有限元法求解的基本过程394.2 有限元法在金属塑性加工模拟领域中的应用394.2.1 有限应变弹塑性有限分析394.2.2 非线性有限元求解的基本流程和方法394.3.2 SuperForm2004软件介绍40第五章 轧辊偏心的有限元模拟与仿真455.1 轧辊偏心的模拟455.1.1 模拟参数和模拟软件的选择455.1.2 轧制模型的简化465.1.3 边界条件和接触的定义475.1.4 材料模型的选择495.2 偏心模拟结果与后处理分析505.2.1 工作辊偏心模拟结果分析505.2.2 支撑辊偏心模拟结果分析61第六章 结论与建议706.1 结论706.2 建议71参考文献72致谢75VII 第一章 绪论第一章 绪 论1.1 论文的选题背景该课题是针对导师刘杰教授的本溪钢铁公司冷轧薄板厂技术消化项目提出的，该课题的主要任务是对冷连轧机轧制过程中存在的偏心补偿、油膜补偿和弹跳补偿进行深入的理论研究，并重点对轧辊偏心进行有限元仿真，以研究轧辊偏心对板材的影响。冷轧薄板(带)广泛用于汽车制造、食品包装、家用电器、机械、轻工、仪表、通讯和军事工业等各领域，是非常重要的通用钢材之一。为了生产出更高精度的板带材产品，占领国际市场，各国相继投入了大量的人力、物力，开展研制了多种现代化大型轧机。具有代表性的有日本日立公司研制的工作辊可轴向移动的HC轧机，德国西马克公司研制的连续可变凸度CVC轧机，中间辊即可弯曲又可移动的UC轧机，日本三菱公司研制的成对轧辊交叉式的PC轧机，德国曼内斯曼得马克公司的UPC轧机等。这些轧机配以现代化控制手段，可实现多功能精密轧制，生产出微米级精度的板带材产品。整个冷轧机是一套组成复杂，技术含量高的控制系统，控制系统的任何一个环节都对轧制出的板材有着很大的影响。控制系统补偿包括所有要求响应特性和消除不稳定因素的方法。对补偿问题最常用的方法是在控制系统前回路中应用滞后补偿，这种补偿通过调节位置调节器来达到最优动态特性。偏心补偿、油膜补偿、弹跳补偿正是基于这种考虑。1.2 带钢冷连轧机的发展历程和发展趋势1.2.1 带钢冷连轧机的发展历程冷轧带钢轧机最初是以单机架可逆轧制方式进行生产的，但这种轧机的速度低，最高只有1012m/s,产量低。因此，大规模、高效率地生产优质冷轧薄带钢，目前主要是在连续式冷轧机上进行的。据不完全统计，到1987年为止，世界上拥有辊径大于860mm的冷轧机约有458套，其中冷连轧机196套，占42.8%；单机架可逆式冷轧机159套，占34.7%；森吉米尔多辊轧机103套，占22.5%。根据带钢冷连轧机的生产工艺和轧机的装备水平不同，其发展过程大致可分为三个时期，或称之为“三代”。既：1960年以前为第一代。该时期技术上还不成熟，轧制速度低，1928年在美国威尔顿钢铁厂最早投产的五机架带钢冷连轧机组的速度只有102m/min，直到40年代才达到1000m/min。因此，冷连轧机的产量不高。60年代初至末期为第二代。这一时期由于机械、电气、轧辊冷却等一系列技术问题得到相应解决，其轧制速度由1000m/min增至2000m/min，冷轧带钢的最大卷重由16.3t增至46t。同时，带钢冷连轧机的自动化也进入了一个新阶段。主机的调速系统由电动机放大机发电机电动机调速系统，发展到晶闸管电动机的调速系统；对工艺参数的控制，也由人工手动加上单机自动化阶段进入到单机自动化和计算机并存的新时期。此外，还采取增加连轧机组机架的架数、引入厚度自动控制、弯辊装置以及快速换辊等技术，来增加轧机的产量和提高成品带钢的质量。60年代末或70年代初至现在为第三代。这一时期，带钢冷连轧机已进入高速(六机架轧速高达2520m/min)、巨型轧机的领域，轧机的年产量已高达250万t。不仅在工艺和设备等方面有很大的进步，而且还采用了许多新技术。如全液压压下轧机，全连续式轧机，整个生产过程全部采用计算机控制，使高速、高精度的过程控制成为现实。另外，由于精度高、反映灵敏的测量、测压、测张等检测装置技术的发展，使自动控制更加可靠，更加精确。为了保证成品带钢厚度均匀一致，已由不断完善厚度自动控制系统(简称AGC(Auto-matic Gauge Control)，发展到了板厚板形综合自动控制系统了；为了改善板形，开发了具有良好板形控制能力的HC、CVC 、HVC等新型结构的轧机和VC轧辊系统；由于板形检测仪的应用，实现了板形在线闭环自动控制；为了实现全连续式轧制，采用了动态规格变化新技术和在开卷机后设置联合闪光对焊机，同时设置了能储存一定带钢量的活套装置，以保证焊接时轧制仍能继续进行。上述带钢冷连轧机，均系宽带钢轧机。所谓宽带钢时相对窄带钢而言的，一般宽度等于或小于600mm的带钢成为窄带钢，而宽度大于600mm的带钢则成为宽带钢。因各国的习惯不同，其间并无固定的明显界限。如美国是以635mm，欧洲一些国家是以500mm，日本和我国基本上是以600mm作为宽带钢和窄带钢划分界限的。就轧辊而言，是以辊身长度为864mm作为宽带钢和窄带钢轧机划分界限的。一般辊身长度大于900mm的轧机，均称为宽带钢轧机。1.2.2 带钢冷连轧机在国内的发展概况冷轧带钢是带材的主要成品工序，其所生产的冷轧薄板属于高附加值钢材品种，是汽车、建筑、家电、食品等行业所必不可少的原材料。我国冷轧薄板缺口较大，国产冷轧板只占有47.2%市场(普通冷轧板占有率52.3%，镀锌镀锡板仅43%左右)，每年需要大量进口，供需矛盾突出。随着近年来一批新建热连轧机的投产，冷连轧建设的迫切性进一步加大。目前国内已建成或将要投产的热连轧机有15套，年产热轧钢卷3000万t以上。而冷连轧机全国仅有8套，年产量约800多万t(如表1.1)，冷轧板卷年进口量达到500多万t，其中主要是厚度较薄的各种镀层薄板、汽车板及家电面板。表1.1 我国现有冷连轧机的基本参数Table.1.1 Basic parameter of cold rolling mill in china序号企业轧机形式辊系尺寸/(mm/mmmm设计能力/万t备注1鞍钢1676mm五机架冷轧机600/152517001502000年已改造完2武钢1700mm五机架冷轧机610180)正在改造3宝钢2030mm五机架冷轧机615/155020302104宝钢1420mm五机架酸洗-轧机联机500/12501420420/540/1250142070四辊六辊冷连轧5宝钢1550mm五机架六辊酸洗-轧机联机425/490/142015501006宝钢益昌1220mm五机架酸洗-轧机联机533/13551220501999年已改造完7本钢1676mm四机架酸洗-轧机联机560钢1220mm四机架六辊冷连轧460/490/10901220502000年国内需要的冷轧板将有1/3需要进口，预测2005年如能按计划新建5套冷连轧，使总产量达到1200多万t则仍需要进口400多万t左右。因此，在今后10年内冷连轧机及与其配套的镀层等处理线将是我国冶金工业的重点建设项目。1.2.3 带钢冷连轧机的发展趋势60年代以来，带钢冷连轧机不仅再数量上增长很快，而且在生产技术上的发展也是非常迅速的。其特点是：设备大型化、生产高速化、工艺连续化和控制自动化；提高质量，扩大品种；改造轧机，挖掘潜力；大量采用新工艺、新技术。但70年代末期以后，由于世界钢铁工业不景气，轧机开工率低，新建巨型冷轧机的速度放慢了，着重旧轧机的改造。此时，技术发展的重点是围绕节约能源、提高成材率和产品质量、扩大品种规格以及降低成本等方面的新技术发展。这一发展趋势最近几年来又有所改观，不少国家开始新建或准备新建一些自动化水平高的大型全连续式带钢冷连轧机。近年来，汽车制造、家用电器、食品等工业对冷轧板、带材的质量提出了更加严格的要求，进一步促进了冷轧生产技术的发展。冷连轧机生产技术发展的主要特点表现在卷重加大、轧速提高、机架数增加、快速换辊、液压装置、自动控制等几个方面。1.2.3.1 钢卷重量增加最早的带钢冷连轧机，由于热轧带钢卷的重量很小，因此冷轧带钢卷的重量只有10t左右。随着热轧带钢卷重量的增加，冷轧带钢卷重已增大到3645t以上，甚至高达60t。这样，就相对缩短了轧制周期的辅助时间，增加了纯轧制时间，从而提高了轧机的机时产量。同时，由于卷重的增加，对于常规式带钢冷连轧机来说，相对减少了穿带次数和因穿带而发生的事故，提高了作业率。因此，卷重的加大使产量有较大幅度的增加。据计算，五机架1700mm带钢冷连轧机的卷重由25t增加到45t，其产量将提高3035%，产品质量也因增加了稳定轧制时间而得到改善。因此，增加带钢冷连轧机卷重，已成为提高轧机产量和产品质量的有效措施之一。1.2.3.2 轧制速度提高轧制速度决定着连轧机的生产能力，也标志着连轧机的技术水平。目前，常规式五机架带钢冷连轧机末架轧速约为15002250m/min,六机架末架最大轧速一般为21602280m/min，个别轧机的设计速度已高达24002520m/min。轧制速度的提高，必将导致主电机总功率的增加。目前，五机架带钢冷连轧机电动机的总功率已达3103kW，六机架的达4103kW。1.2.3.3 机架数量增加根据成品厚度的不同，连续式冷轧机组的机架数目也各异。早期出现的三机架带钢冷连轧机，主要用来生产厚度为0.62.0mm的汽车钢板，所用原料厚度为2.54mm，总压下率达60%。五、六十年代开始发展适应性较强的四机架带钢冷连轧机，生产规格扩大到厚度为0.352.7mm，总压下率达7080%，逐渐取代了已有的3机架带钢冷连轧机。四机架带钢冷连轧机辊身长度约14002500mm。从60年代开始，还发展了专用六机架带钢冷连轧机，用它来专门生产镀锡原板，产品厚度可以薄到0.09mm，辊身长度一般不大于1450 mm。近年来，为生产特薄镀板(厚0.065 0.15 mm),有的在冷轧车间中专门设置了二机架或三机架的二次冷连轧机，故六机架带钢冷连轧机已经很少建了。1.2.3.4 采用液压压下装置现代带钢冷连轧机，全部采用液压压下装置来取代常规的电动压下装置。例如，1975年建成的美国威尔顿厂1370 mm五机架全连续式带钢冷连轧机，1989年建成投产的我国宝钢2030 mm五机架全连续式带钢冷连轧机，均全部采用液压压下系统。在轧制过程中，通过液压压下装置对有载辊缝进行自动调节，不仅惯性小、响应速度快，而且厚调精度高，故液压压下装置载现代带钢冷连轧机上被广泛采用。1.2.3.5 全连续式冷连轧机的出现和发展为了使冷轧生产达到高产、优质、低成本，在冷轧机的设计制造和操作上作了极大努力，并取得了很大的成就。到目前为止，冷连轧机大致经历了四个发展阶段，既60年代以前的常规式冷连轧机；70年代以后逐步发展为单一全连轧机；联合式全连轧机；最近增在发展中的完全联合式全连轧机组。联合式全连轧机组的出现，是冷连轧机发展上的一个飞跃。它既具有单一全连轧机组的许多共同有点，同时又可省去许多重复设备和车间面积，特别是缩短生产周期。随着轧制工序的连续化，冷连轧生产中的辅助工序也起了极大的变化，出现了一些列连续机组，如连续酸洗、连续电镀锌、连续镀锡、连续退火和连续横剪及连续纵剪机组等，使冷轧的生产率得到了极大的提高，一个现代化的冷连轧厂年产量可达100250万t。1.2.3.6 控制板形新型轧机相继出现板形控制的方法很多，传统的方法又初始轧辊凸度和冷却液控制法。自70年代以来研制和开发了一些更能有效地控制板形的新型轧机。这些新型轧机的出现，为板形控制增添了信的手段。(1)HC(High Crown)轧机HC轧机是70年代发展起来的具有良好板形控制能力的新型轧机。它由日立钢铁公司和日立有限公司联合研制成功，于1974年在八幡(yawata)工厂首次安装成功。它的出现是板形控制的一个新的突破。(2)HVC(Horizontal Vertical Control)轧机HVC轧机是西德施罗曼西马克公司在HC轧机的基础上进一步发展的水平垂直控制轧机。其特点施除中间辊能够轴向移动外，工作辊还能够水平移动，可通过水平和垂直调节机构进行最佳辊缝控制。它的控制范围逼HC轧机宽，而且能校正复杂的板形缺陷，主要用于轧制薄板与极薄带钢。(3)CVC(Continuously Variable Crown)轧辊系统CVC(连续变化凸度)轧辊系统施西德施罗曼西马克公司与1982年研制成功的一种新型的轧辊系统，其结构特点是将一对轧辊(如工作辊)磨成“S”形，在轧机上互成180放置。通过CVC轧辊的轴向移动和工作辊弯曲以及压下的有效配合，可实现对辊缝形状的有效调节。(4)VC(Variable Crown)轧辊系统VC轧辊系统是日本住友工业有限公司为满足辊型的可变性，避免因生产不同产品频繁更换轧辊而发展起来的。该系统于1974年研制成功，1977年正式用在日本鹿岛钢铁厂热轧平整机上，现已普遍用于热、冷板带钢轧机。(5)FFC(Flexible Flatness Control) 轧机FFC轧机既平直度易控轧机，是由日本钢管公司和石川岛播磨工业公司联合研制的一种五辊式新型冷轧机。该轧机于1982年首次在日本钢管公司福山钢铁厂冷轧车间建成投产，作为二次冷轧机使用。1.3 论文的主要工作本论文了结合本溪钢铁公司冷轧薄板厂技术消化项目，对冷轧机中液压压下控制系统中存在的三个补偿方式进行了理论性的研究，并对板材轧制过程中始终存在的轧辊偏心进行了有限元的仿真，因此本论文的主要完成了以下的内容：(1) 液压压下控制系统(HGC系统)是冷连轧机控制系统中尤为重要的部分，它直接控制着机架辊缝的大小，进而影响来料板材的厚度和精度，本文首先对HGC系统进行了概括性的介绍。(2) 针对液压压下控制系统中存在的偏心补偿、油膜补偿、弹跳补偿进行了理论性的分析和研究，分别阐述了三个补偿的数学模型、控制过程、并根据已有国内外相关的研究，进行比较，阐述各自的优缺点。(3) 针对轧制过程中普遍存在的轧辊偏心现象，利用有限元分析软件进行仿真，以此更好地理解轧辊偏心对板材的影响。并在理论研究的基础上，对于不同轧制条件下，轧辊偏心对于板材的影响分别进行了模拟和数据后处理，为更好地对轧辊偏心进行补偿提供了实际性的依据。- 6 - 第二章 液压压下控制系统总论第二章 液压压下控制系统总论2.1 液压压下控制系统简介液压压下控制(Hydraulic Gap Control)系统是冷连轧机的主要控制系统，它的主要任务是按数学模型计算出来的轧制压力或压下位置设定值对工作辊进行辊缝调节。液压压下控制系统是机、电、液综合系统，由于采用电液伺服技术，使液压压下动态响应速度得以大幅度提高，厚度控制所需的时间大大缩短。正由于液压压下具有快速响应的特点，所以它在厚度控制过程中对提高成品带钢的精度具有重要的现实意义。由于液压压下系统实现轧机刚度的动态调节，这样不仅可以做到在轧制过程中的实际辊缝值固定不变，即“恒辊缝控制”，从而保证了实际轧制厚度不变，并且还可以根据生产实际情况的变化，相应地控制轧机刚度来获得所要求的轧出厚度。液压压下控制系统的动作执行机构是液压缸及其控制元件伺服阀，伺服阀用于控制进入液压缸的液体流量，然后通过液压缸及机架内的有关机构来控制上支撑辊和上工作辊的上下移动，进而达到控制轧制压力和压下位置的目的。与电动压下相比液压压下具有以下优点：(1)响应速度快；(2)控制系统的分辨精度(分辨率)高；(3)轧机机座的刚度可调；(4)能够容易实现过载保护，保证产品质量和安全生产。2.2 液压压下控制系统组成分析液压压下控制系统主要包括两个部分，一个就是软件部分也就是所说的DIGIGAGE，它主要通过软件来对硬件进行操作，发送信号，来控制整个液压压下系统；另一部分就是硬件部分，也就是整个液压控制系统，它主要是接受到控制计算机的命令信号，来控制伺服阀，完成压下的功能。如图2.1所示。在DIGIGAGE的机柜中，装有基于多总线的24个插槽，CPU板卡和I/O板卡都安装在这个机柜中，通过多总线处理器能够访问I/O端口和共享内存(双通道RAM)。在DIGIGAGE中，主要由六部分构成：4个CPU：CPU1主要完成两个机架之间的通讯。CPU2主要完成一个机架除图2.1 液压压下控制系统示意图Fig.2.1 Sketch map of Hydraulic Gap Control system偏心补偿外的所有HGC作用和弯辊作用。CPU3：主要完成另一个机架除偏心补偿外的所有HGC作用和弯辊作用。CPU4：主要完成两个机架的偏心补偿。1个ADAS/ICM150：完成模拟量输入读取。连接到接口模块，在全差动模式下能够32位的模拟量输入。1个ADAS/ICM212：完成脉冲输入，连接到STB212接口模块，能够进行12位的脉冲记数。4个ADAS/ICM812：完成模拟量输出。能够进行32位模拟量输出。2个iSBC519：能够完成数字输入读取。连接到接口模块PB24上，能够进行72位数字输入和24位数字输出。1个JS/KLIO：用来连接OPTOBUS和JS设备。2.3 液压压下控制系统功能分析液压压下控制系统主要功能如图2.2所示：图2.2 液压压下控制系统主要功能图Fig.2.2 Function picture of Hydraulic Gap Control system2.3.1 作用分配简介HGC系统的主要作用是调整辊缝的大小，本钢连轧机采用四机架配置形式，在每一个机架的每一端安装了一个液压缸，系统通过伺服阀来控制进入液压缸的液体流量，然后通过液压缸及机架内的有关机构来控制上支撑辊和上工作辊的上下移动，进而达到控制轧制压力或压下位置的目的。在液压缸中安装了位移传感器和压力传感器。液压缸位于机架的上部，每一个液压缸通过位置闭环控制(机架4采用压力闭环控制)。2.3.2 HGC系统组件主要参数液压泵：流量：170l/mn；压力：305bar ； 数目：3(一个备用)。伺服阀：额定流量：95l/mn ；数目：每个机架2个。液压缸：直径：800mm ；截面面积：5026cm ；工作压力：260bar；总行程：138mm ；最大轧制力：1300T；短程速度(加速情况下)：2mm/s，长程速度：1mm/s ；数目：每个机架2个。压力传感器：测量范围：420mA，05000PSI位置传感器：类型：数字；行程：138mm；精度：1微米。2.3.3 作用分配作用分配分为5个部分，其关系如图2.3所示：2.3.3.1主回路液压缸通过位置/压力闭环控制，为了消除油液压缩的影响，通过把活塞维持在一个固定的位置或者维持在一个固定的压力值上，相对液压缸的活塞的位置可以通过数字位置传感器来测量，液压缸中的压力可以通过压力传感器来测量。设定位置(压力)和测量位置(压力)的差值作为一个误差信号反馈给位置(压力)控制回路。为了使整个回路线性化，位置或压力回路的增益应随着轧制力的变化和液压缸的运动方向而相应的调整。事实上，油液流量(Q)主要依赖于伺服阀中的压力降。Q 在液流中压力每降低P的相应流量；Qn 理想液流中压力每降低P的相应理想流量；图2.3 作用分配关系框图Fig.2.3 Relation diagram of functional distribution为了减小控制回路的误差信号，控制回路通过给伺服阀的扭矩电机发送电信号来改变液压缸的油液流量。2.3.3.2运动合成通过考虑零位校正的参量处理、换辊的参量处理以及不同补偿的总的校正值，来生成符合抬辊、压下、倾斜速度请求的主回路的位置参量(及机架4的压力参量)。人工和自动抬辊、压下的速度加上不同补偿的速度校正值生成一个总运动速度，总运动速度能够转化为平均位置参量。考虑零位校正处理的最后结果是一个传送到主回路中的平均绝对参量。倾斜速度合成的参量也被传送到主回路中。在换辊过程中，参量校正改变了抬辊和压下速度合成的结果。为了在压力控制回路中(仅机架4)产生平均压力参量，在轧制压力测量中应采取过滤平均值。2.3.3.3机架调整这一部分主要是允许操作员在轧制、零位校正、换辊、预设定值和位置参量人工改变过程中来调整机架的结构。（1）人工/自动命令这一功能能够使操作员人工改变HGC液压缸的倾斜和位置，也能通过命令来自动运动，它主要有两个工作界面，一个是抬辊和压下运动的控制器，一个是倾斜运动的控制器。操作员能够在两个速度标准下来改变位置参量，并能在一个速度标准下来改变倾斜参量。这些参量有以下限制：位置参量：0行程最大值倾斜参量：+2mm倾斜参量允许同时移动液压缸，如果在压下操作端倾斜命令被请求，将会完成两个运动，一个是压下端压下 ，另一个是抬辊端同样幅度抬起。在伺服阀饱和的情况下，为了避免产生反馈位置和参量的差异，在自动命令中(零位校正、换辊、卸载荷和压靠)，操作命令应事先设定好。 （2）换辊调整液压压下系统和弯辊系统的伺服阀能够进行工作辊或支撑辊的换辊。在HGC系统中，换辊主要由以下4部分组成：轧制模式停止(带钢板调零)换辊前机架准备(压下运动)弯辊调整轧制前机架准备(无钢板调零)图2.4辊缝定位实现框图Fig.2.4 Realization diagram of roll gap positioning（3）零位调整在更换轧辊以后，由于轧辊的直径不同而导致在零位辊缝时压下位置记数不同，为此必须进行压下位置校正。压下位置校正有两种方式：空辊缝(无带钢)位置校正和有带钢位置校正。在常规轧制换辊后或在连续轧制更换支撑辊后需要进行空辊缝校正，以确定压下位置零点，目的是保持在轧机正常工作时工作辊之间的辊缝恒定。在连续轧制状态下，在轧机内有带钢时进行更换工作辊后，要进行有带钢校正，以确定压下位置零点，目的是保持更换工作辊前后的辊缝不变。（4）卸荷作用当机架停止在操作员要求的位置时，系统将储存总轧制力、轧制力差、平均位置和位置差。然后执行自动运动，当达到低压力极限时停止。当机架启动了，自动运动能够使机架回到储存的位置。（5）重新定位此作用的目的主要是在轧机准备过程中调整辊缝的参考值。当机架停止或轧制过程中都可以进行轧机准备。辊缝定位实现过程如图2.4所示。2.3.3.4补偿作用在轧机液压压下控制系统中主要有三个补偿，分别是：偏心补偿、油膜补偿、弹跳补偿。三个补偿之间的关系如图2.5所示。图2.5 三个补偿关系图Fig.2.5 Relation picture of three compensation2.4 液压压下控制系统数据交换数据交换主要包括：（1）DIGIGAGE与MASTER之间的数据交换。（2）DIGIGAGE与AGC/ATC之间的数据交换。（3）GIGIGAGE与PLANICIM之间的数据交换。（4）DIGIGAGE中4个CPU之间的数据交换。如图2.6所示。图2.6 液压压下控制系统数据交换框图Fig.2.6 Data exchange diagram of Hydraulic Gap Control system 图2.7 BDB1数据交换图Fig.2.7 Data exchange picture of BDB1为了实现四个CPU之间以及CPU和不同网络之间的数据交换，在DIGIGAGE中安装了9个数据库。数据库1位于CPU2和CPU3中的双通道RAM中，其余数据库都位于CPU1的双通道RAM中。9个数据库介绍：BDB1：实现两个机架HGC中的液压位置/压力闭环和T10中的参考值进行数据交换(对CPU2和CPU3)，如图2.7所示。BDB2：实现从机架1和机架2处理任务到OPTOBUS之间的数据交换(对CPU2和CPU3)，如图2.7所示。图2.8 BDB2数据交换图Fig.2.8 Data exchange picture of BDB2BDB3：实现从OPTOBUS到机架1和机架2处理任务的数据交换(对CPU2和CPU3)，如图2.8所示。 图2.9 BDB3数据交换图 Fig.2.9 Data exchange picture of BDB3BDB4：通过以太网，实现从PLANICIM到机架1和机架2的信息交换。(对CPU2和CPU3)传递信息包括：倾斜校正弯辊校正PLANICIM运行状态BDB5：通过以太网，实现从机架1和机架2到MMI(人机界面)的信息交换。BDB6：通过以太网，实现从机架3和机架4处理任务到MMI和PLANICIM的数据交换。BDB6和BDB5给MMI的信息都相同，只不过是不同的机架。DIGIGAGE到PLANICIM交换的数据有：轧制力总和弯辊力人工调整BDB7：实现机架1及机架2和偏心补偿(CPU4)的信息交换，如图2.10所示。BDB8：实现一般作用和机架1及机架2处理任务的数据交换。BDB9：实现机架1及机架2处理任务和通讯作用的数据交换。图2.10 BDB7数据交换图Fig.2.10 Data exchange picture of BDB7- 78 - 第三章 液压压下控制系统中主要补偿形式及其实现第三章 液压压下控制系统中主要补偿形式及其实现3.1 引言在冷轧工艺中, 液压压下装置的主要功能是控制轧制力和辊缝位置, 轧制中实际辊缝形状决定了板带横向厚度差和板形, 因此, 要综合考虑影响辊缝形状的因素。影响辊缝形状的因素有如下几条:（1） 轧辊热膨胀。轧制时轧件变形而产生的热量, 轧件与轧辊的摩擦而产生的热量使轧辊受热, 由于轧辊受热不均, 使轧辊产生热凸度, 影响辊缝形状。（2） 轧辊的磨损。轧件与工作辊之间及支持辊之间相互摩擦, 会使轧辊磨损不均匀, 使支持辊同轴不同心，致使轧辊出现偏心的现象，从而影响辊缝位置。（3）轴承油膜厚度的变化。在轧制过程中，由于轧制速度的变化会使动压轴承油膜的厚度发生变化，从而影响辊缝的大小。（4）轧辊的弹性变形。由于在轧制过程中, 机架牌坊拉伸, 产生弹性变形, 因此影响辊缝位置。为了弥补轧辊热膨胀、磨损和弹性变形以及轴承油膜厚度变化对辊缝的影响, 使轧辊在受力和受热轧制时, 仍能保持平直和恒定的辊缝, 采用偏心补偿、油膜补偿、弹跳补偿方式来进行补偿。3.2 偏心补偿3.2.1 轧辊偏心的定义和起因从广义上讲，由于轧辊轴承形状的不规则(如图3.1所示)而造成的轧辊偏心会导致轧件厚度周期变化。这些不规则形状包括以下几个方面(见图3.2)：(1) 相对于辊身或轴承与轴承之间，支撑辊轴承偏心e；(2) 工作辊和支撑辊辊身最大直径D和最小直径d之间的差值而引起的轧辊椭圆度；(3) 相对于轧辊轴承和辊身，支撑辊轴承旋转套筒的偏心；(4) 辊身圆周的不均匀性；(5) 轴承圆周的不均匀性；(6) 支撑辊轴承旋转套筒圆周的不均匀性；(7) 轧辊轴承中轴径的不均匀性；图3.1 轧辊修磨和测量中使用的支撑辊表面Fig.3.1 Used surface of back-up roll on milling and measuring图3.2 轧辊横段面类型Fig.3.2 Type of roll transecta偏心；b椭圆形(双周期)；c三周期；d实际形状1辊身转动中心；2轴颈转动中心；3辊身和轴颈转动中心由于以上不规则变化而引起的周期性辊缝变化通常称为轧辊偏心。其起因可归纳为以下五类36：(1) 设计不当。这主要是指轴承设计能力，例如油膜轴承中的键会造成支撑辊轴承旋转套筒圆周上的局部不均匀。(2) 修磨不当。修磨设备的缺陷及操作和维护方法不当而造成修磨误差。(3) 装配不当。当拆卸和装配轴承以及在轧辊和轴承座之间安装轴承时，常会产生划伤和异物介入等造成的误差。(4) 轧辊和轴承变形。当载荷超过轧辊和轴承的设计能力后，轧辊和轴承就会发生塑性变形和金属破坏。镶套式支撑辊过载后，支撑辊发生几何变形就会引起辊套相对心轴产生移动。此外，轧辊和轴承圆周上发生不均匀磨损也会造成轧辊偏心。(5) 辊缝控制不当。根据辊缝控制类型的不同，轧辊偏心的影响可能被抑制、放大或不发生变化。3.2.2 轧辊偏心的补偿方法理论分析和实验结果表明，轧辊的偏心反映在辊缝、轧制力和带钢厚度上，是一种频率随着轧制速度变化而变化的高频周期波。轧辊的偏心对带钢厚度的影响可归纳为两个方面363738：一是辊缝的周期性变化造成带钢厚度的周期性波动；二是使常规压力厚度控制系统的调节质量恶化。通常，偏心信号混杂在各种扰动和随机噪声之中，偏心补偿的关键就是设法获取偏心信号或其主要成分，进行控制。主要补偿方法分为以下几类35：3.2.2.1从机械方面进行偏心补偿改善工作辊和支撑辊的重磨和装配精度。从根本上消除轧辊偏心。轧辊偏心是制造、重磨和装配的综合反映，受磨床精度，轴承精度等多种因素的限制，国外有的已采用激光打磨技术。(1) 开环偏心补偿法用一个与支撑辊的角速度和位置相关的谐波信号对轧辊的相应位置进行补偿。轧机在恒压靠力闭环状态下进行辊缝零位调整后，对支撑辊的偏心量进行测量并记忆。当轧机进入轧制状态后，在相应的位置上，用记忆的偏心信号分别对轧辊辊缝进行实时调节。此法假设偏心信号是由正弦波组成，而实际情况下偏心信号都含有高次谐波并有较严重的失真。因而此法只有一般补偿效果。(2) 张力调节偏心补偿法此法适用于采用前馈厚度控制系统的连续冷轧机组。通过改变机组上游轧辊的速度来调节中间支架的张力，补偿带材出口厚度的波动。其响应速度较快，适用于各种方式的压下系统。但易造成厚度控制系统的不稳定。3.2.2.2传统的反馈偏心补偿法(1) 恒轧制力闭环下的偏心补偿法 恒轧制力是轧制压力全闭环负控制，其特性在P-H图上为平行于横坐标的直线。但恒轧制力闭环控制对入口厚度偏差不具备消差能力，入口厚度偏差将如实反映到出口厚度上。若既要消除轧辊偏心影响又要消除入口厚度波动的影响，可采用微机预控和轧机本身工作在软特性的轧制工艺。此法是在轧制力信号发生波动后才能进行偏心补偿，因而有滞后现象，所以要求测量回路延时小和系统响应快。(2) 位置闭环下的偏心补偿法 将位移传感器安装于工作辊轴承座之间，则位置反馈信号中含有支撑辊轴承座之间，则位置反馈信号中含有支撑辊的偏心信号。恒位置反馈信号中含有支撑辊的偏心信号。恒位置反馈系统能保证位置信号趋于恒定，所以辊缝也趋于恒定，保证出口带材厚度厚度不受支撑辊偏心的干扰。此方案不仅可补偿支撑辊偏心引起的辊缝变化，而且提高了轧机刚度，并实现轧机刚性可调。只要缺点一是无法补偿工作辊的偏心；二是位置检测机构的安装调整比较复杂且容易受到轧辊的冲击。3.2.2.3傅立叶变换法傅立叶变换法是对包含偏心周期分量的信号进行频谱分析，估算出偏心信号的频率、振幅、相角等参数值，然后进行相应的补偿。(1) 普通傅立叶变换法 从包含轧辊偏心分量的轧制力中，根据与轧辊旋转角速度相同步的脉冲信号，进行傅立叶分析，算出轧辊偏心的周期分量。并以此信号补偿轧制压力，从而消除偏心对出口厚度的影响。此法的运算速度慢，偏心补偿系统的滞后较大。通常其假设轧辊偏心信号为一正弦波且只补偿偏心信号的基波成份。但偏心信号一般都含有高次谐波且失真较大。所以用此法的偏心补偿效果不明显。