高速重軌平立復(fù)合矯直控制工藝模型研究*

但斌斌，陳 滿

(武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動化學(xué)院,湖北 武漢430081）

鐵路提速對重軌尺寸精度和平直度的要求有了明顯提高，國產(chǎn)重軌如何適應(yīng)需求是一個具有重大意義的課題，尤其對于高速鐵路建設(shè)這一問題更加突出[1]。

本文以高速重軌矯直為實(shí)際背景，研究了影響矯直效果的決定因素，建立了高速重軌平立復(fù)合矯直控制工藝模型，以實(shí)際生產(chǎn)的歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了較好效果。

1 背景介紹

1.1 矯直過程簡介

重軌生產(chǎn)工藝流程如圖1所示，高爐煉鐵—平爐煉鋼—模鑄—初軋開坯—坯料清理—鋼坯加熱—開坯粗軋—精軋—鋸切—機(jī)械打印—緩冷—矯直—銑頭鉆孔—超聲波探傷—高頻淬火檢查—分級入庫。

重軌在軋制和冷卻過程中，因相變應(yīng)力和熱應(yīng)力等原因，必然發(fā)生彎曲變形。為了得到平直的重軌，必須經(jīng)過矯直工序。

矯直過程如圖2所示。從圖中可看出隨著鋼軌進(jìn)鋼，三點(diǎn)彎曲矯直關(guān)系建立，進(jìn)行一次彎曲矯直。矯直過程就是不斷彎曲使鋼軌經(jīng)歷彈塑性彎曲變形，達(dá)到平直?？煞謩e計算作用在各個輥?zhàn)由系某C直力，要得到作用在各輥?zhàn)由系膲毫?，必須先確定各個輥?zhàn)犹幍膹澗亍澗厝Q于彎曲變形量的大小。在輥式矯直機(jī)上，重軌隨著矯直輥的轉(zhuǎn)動不斷前進(jìn)并反復(fù)彎曲。因此，矯直輥上的扭矩按照功能相等的原理確定，即重軌彎曲變形所作的功應(yīng)該與矯直輥在矯直扭矩的作用下使重軌前進(jìn)所作的功相等。

1.2 高速重軌矯直的核心控制工藝

平立式復(fù)合矯直機(jī)的核心控制工藝是通過對鋼軌型號、鋼軌成分、外形尺寸、軋制速度等參數(shù)分析，擬定立式矯直機(jī)和水平矯直機(jī)各壓下輥的軋制力和合理壓下量的分配比例，通過控制系統(tǒng)對各壓下輥進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)鋼軌矯直[2]。

矯直機(jī)的基本參數(shù)包括：矯直輥徑、矯直輥距、矯直輥數(shù)、矯直輥身長度。這些基本參數(shù)的正確選擇對重軌的矯直質(zhì)量、設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸和功率消耗等都有重要的影響。由于上述些參數(shù)在設(shè)備改造完畢后基本上已經(jīng)確定，因此需要制定適應(yīng)設(shè)備和產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，即確定上述的平立式復(fù)合矯直機(jī)的核心控制工藝。

2 總體建模及模型簡化

平立復(fù)合矯直參數(shù)模型是通過矯直過程中各參數(shù)和變量之間所存在的某種數(shù)量相互之間的關(guān)系，采用形式化語言，概括或近似表達(dá)出來的一種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。從建模方法角度看，參數(shù)化模型可分為理論模型、理論統(tǒng)計模型和統(tǒng)計模型。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，所應(yīng)用的模型一般是根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)觀測的基礎(chǔ)上，經(jīng)過回歸分析方法建立的理論統(tǒng)計模型。建立模型的過程如下：

（1）確定問題系統(tǒng)及變量關(guān)系。在對目標(biāo)系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，確定描述問題的變量及相互關(guān)系以及問題所屬系統(tǒng)、模型大概的類型，提出相關(guān)假說。

（2）確定最佳的試驗(yàn)方案和方法。由于工程技術(shù)問題均具有很強(qiáng)的工藝性，因此除少數(shù)試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行外，應(yīng)特別重視生產(chǎn)性試驗(yàn)。在進(jìn)行試驗(yàn)時，必須配置性能穩(wěn)定，具有一定精度的檢測裝置，而且要嚴(yán)格保持試驗(yàn)條件穩(wěn)定，精心操作，詳細(xì)記錄，對數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的判斷、篩選和分析。

（3）確定合理的模型結(jié)構(gòu)。模型結(jié)構(gòu)反映了實(shí)際過程的內(nèi)在規(guī)律，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合精度有本質(zhì)的影響，有些情況下應(yīng)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多種模型結(jié)構(gòu)的擬合，從中選出最合適模型的表達(dá)形式。

（4）確定模型中的最佳參數(shù)。目前廣泛采用最小二乘識別的回歸分析方法來確定模型中的最佳參數(shù)。

實(shí)現(xiàn)黨的組織和工作全覆蓋，要按照有利于加強(qiáng)黨的領(lǐng)導(dǎo)、有利于開展黨的組織生活、有利于黨員教育管理監(jiān)督的原則，解放思想，打破思維定勢，實(shí)行屬地管理、行業(yè)管理、協(xié)會管理、條塊管理、部門管理、掛靠管理等多種管理模式，構(gòu)建區(qū)域內(nèi)黨組織之間的縱向領(lǐng)導(dǎo)和橫向協(xié)作關(guān)系。推進(jìn)黨的組織體系向基層延伸、向末端拓展，把黨建工作的鏈條延伸到每一個領(lǐng)域，確保黨組織建到生產(chǎn)一線上、產(chǎn)業(yè)鏈上、項(xiàng)目上、班組上，努力做到成熟一個、組建一個、鞏固一個、帶動一批，達(dá)到應(yīng)建盡建、能建快建、建就建好，提升黨組織的覆蓋面。

（5）檢驗(yàn)修改模型。模型只有在被檢驗(yàn)、評價、確認(rèn)基本符合要求后，才能被接受，否則需要修改模型，這種修改有時是局部的，有時甚至要全部推倒重來。

建模完成后，需要進(jìn)一步對模型簡化，其步驟是：

（1）除去一些變量。在機(jī)理分析中的一定條件下，常將描述分布參數(shù)系統(tǒng)的偏微分方程簡化為集中參數(shù)的常微分方程。在統(tǒng)計分析中，則采用主成分分析法、向后回歸法（淘汰法）和逐步回歸方法，以減少變量個數(shù)。或在建模之前，采用正交試驗(yàn)方法，在眾多因素（變量）中找出對指標(biāo)有顯著影響的少量因素，再進(jìn)行優(yōu)選試驗(yàn)，進(jìn)而建立模型。

（2）合并一些變量。在構(gòu)造模型時，把性質(zhì)相同或相似的變量合并成少數(shù)有代表性的變量。盡管這樣會降低模型的精度，但只要能滿足建模的基本要求，就是可行的。

（3）改變變量的性質(zhì)。常用的方法是把某些非主要的或暫時的變量看作常量，把連續(xù)變量看作離散變量，或把離散變量看作連續(xù)變量。

（4）改變變量之間的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)處理非線性問題遇到困難時，或建模精度要求不高時，常將非線性函數(shù)在某點(diǎn)處展開，取消兩項(xiàng)作為近似表達(dá)式，即用線性關(guān)系逼近非線性關(guān)系式，這一線性化方法在工程界被廣泛采用。

（6）模型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。若某種模型在理論上很漂亮，但求解很困難，甚至無法求解；或者某種模型，要求具備某種數(shù)據(jù)，而這種數(shù)據(jù)不具備或不易得到，只有改用其他形式的模型，即改變模型的結(jié)構(gòu)。模型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，需要在對問題透徹理解和想象的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)視角的轉(zhuǎn)換，即從不同的角度觀察問題，進(jìn)而采用不同的數(shù)學(xué)工具描述同一問題。

3 控制工藝模型

控制工藝模型是重軌矯直過程中各參數(shù)和變量之間所存在的某種數(shù)量相互之間的關(guān)系，采用形式化語言，概括或近似表達(dá)出來的一種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)[3]。從建模方法角度看，參數(shù)化模型可分為理論模型、理論統(tǒng)計模型和統(tǒng)計模型。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，所應(yīng)用的模型一般是在現(xiàn)場數(shù)據(jù)觀測的基礎(chǔ)上，經(jīng)過回歸分析方法建立的理論統(tǒng)計模型[4]。以科學(xué)理論和生產(chǎn)實(shí)踐為基礎(chǔ)，研究建立重軌鋼矯直過程中理論統(tǒng)計型模型的方法和程序。

控制工藝模型的基本任務(wù)是根據(jù)來料條件及對成品的要求，通過數(shù)學(xué)模型的計算，確定各輥的壓下量、矯直力、速度等，以保證獲得盡可能符合要求的重軌鋼成品[5]。模型計算流程圖如圖3所示。

根據(jù)圖3所示的計算要求，可知平立復(fù)合矯直參數(shù)模型包含如下幾個部分：

（1）結(jié)構(gòu)參數(shù)模型。用于計算和分析平立復(fù)合矯直過程中的輥徑，由此確定各輥預(yù)壓下量，是最重要的控制模型之一。

（2）力能參數(shù)模型。用于計算矯直力和工作轉(zhuǎn)矩。

（3）工藝參數(shù)模型。用于計算和分析平立復(fù)合矯直各輥的壓彎量。

（4）平直度模型。用于計算在初始設(shè)定參數(shù)的情況下，模型能夠得到的矯直效果。

（5）自學(xué)習(xí)模型。用于從數(shù)據(jù)庫中存儲的歷史數(shù)據(jù)中智能學(xué)習(xí)參數(shù)相互之間的關(guān)系，給出優(yōu)化的調(diào)整值。

（6）應(yīng)力應(yīng)變模型。自學(xué)習(xí)模型的智能化需要大量樣本庫數(shù)據(jù)的支持。樣本數(shù)據(jù)可來源于實(shí)測數(shù)據(jù)庫，但實(shí)測數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)并不一定能反映最佳的力學(xué)性能。應(yīng)力應(yīng)變模型的作用是通過運(yùn)用ANSYS有限元軟件分析數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對重軌鋼力學(xué)性能的影響，優(yōu)化自學(xué)習(xí)模型中的樣本庫。

設(shè)計開發(fā)從重軌軋制工藝的能耗、前滑、矯直壓力、平直度、應(yīng)力應(yīng)變五個方面為突破口的控制工藝模型。其中，能耗模型的主要作用是進(jìn)行負(fù)荷分配，確定初始壓下量，它是計算矯直力矩的前提，因而是最重要的控制模型之一。前滑模型用于計算矯直輥轉(zhuǎn)速。矯直壓力模型是設(shè)備最重要的工藝參數(shù)，是制定工藝制度的依據(jù)。矯直壓力模型也是能耗模型、前滑模型和平直度模型的基礎(chǔ)。平直度模型用于計算在初始設(shè)定參數(shù)的情況下，模型能夠得到的矯直效果。應(yīng)力應(yīng)變模型的作用是通過運(yùn)用ANSYS有限元軟件分析數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對重軌鋼力學(xué)性能的影響。參數(shù)模型不僅從軋制工藝的各個主要方面實(shí)現(xiàn)了復(fù)合矯直工藝控制，也很好地滿足了對多規(guī)格重軌工藝參數(shù)的控制需求[6]。

4 模型的檢驗(yàn)

根據(jù)所開發(fā)的平立復(fù)合矯直參數(shù)模型，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用情況，對不同重軌型號、不同矯直輥壓下量進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算和實(shí)測的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

從表中可以看出，運(yùn)用所開發(fā)的模型，能夠準(zhǔn)確地計算出不同規(guī)格重軌的壓下分配量，所預(yù)測的平直度數(shù)值與實(shí)測數(shù)據(jù)相符合，達(dá)到了控制工藝模型設(shè)計初始的參數(shù)要求。

重軌質(zhì)量得到提高，不但可以延長重軌使用壽命、提高重軌成材率、代替進(jìn)口節(jié)約大量外匯，還可以提高列車運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性、乘坐的舒適性。矯直是重軌生產(chǎn)過程中所必須的最后形變工藝，也是保證重軌質(zhì)量的重要工序，而重軌的平直度、殘余應(yīng)力的大小和分布狀態(tài)之間的相互聯(lián)系是由重軌矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和矯直工藝參數(shù)決定的。因此對重軌矯直進(jìn)行全面、綜合的深入研究，對提高重軌的質(zhì)量、提高成材率、延長使用壽命和節(jié)約外匯等具有重要意義。

表1 實(shí)測數(shù)據(jù)

[1]張偉.板帶軋機(jī)自動厚度控制模型的研究[J].中國機(jī)械工程，2008，19（1）：95-98.

[2]李培玉.一種智能故障診斷系統(tǒng)的研制[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2006，48(10)：60-61.

[3]魏天斌.高速重軌生產(chǎn)線及武鋼重軌生產(chǎn)線的建設(shè)[J].武鋼技術(shù)，2005，43(5)：25-27.

[4]張凱.重軌孔型CAD系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].軋鋼，2006，23(4)：54-57.

[5]孫一鋒.武鋼重軌生產(chǎn)工藝設(shè)備改造及產(chǎn)品開發(fā)[J].軋鋼，2005，22(4)：45-47.

[6]Senturia S n Micm—system Design[M].Boston：Klu—wet Academic Publishers，2001.