1600mm多用途爐卷試驗(yàn)軋機(jī)液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓呂昌

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，全球范圍內(nèi)銅、鋁、鎂、鈦等金屬及其合金廣泛應(yīng)用于家電產(chǎn)品及汽車領(lǐng)域，消費(fèi)量迅猛增長。要在一臺(tái)設(shè)備上滿足上述多用途、多規(guī)格產(chǎn)品的生產(chǎn)，多用途爐卷(試驗(yàn))軋機(jī)無疑是一種最經(jīng)濟(jì)的選擇。說它是試驗(yàn)軋機(jī)，就目前而言在我公司是第一臺(tái)。

黑色金屬行業(yè)的爐卷軋機(jī)技術(shù)代表了當(dāng)前爐卷軋機(jī)的新水平。其在軋制產(chǎn)品中具有多重優(yōu)點(diǎn)，一方面可以滿足中厚板軋制到帶材帶卷軋制的厚度變化；另一方面又能滿足不同材料的軋制需求，黑色金屬如低碳鋼、高強(qiáng)度鋼、不銹鋼板等，有色金屬如銅、鋁、鎂、鈦等金屬及其合金等；是一種產(chǎn)品規(guī)格變化靈活、適應(yīng)性廣的設(shè)備。

通過多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累，我國的爐卷軋機(jī)在黑色金屬行業(yè)從生產(chǎn)工藝、機(jī)械設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)、電氣和自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造方面，都達(dá)到了世界一流的水平。現(xiàn)代爐卷軋機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

●所需設(shè)備少、建筑面積?。?/p>

●建設(shè)工作量少，建設(shè)周期短、上馬快、管理容易；

●是單機(jī)架也可以是多機(jī)架可逆式生產(chǎn)，適于生產(chǎn)用途規(guī)格多、單位批量少的產(chǎn)品；

●生產(chǎn)過程中帶材是在保溫爐中保溫，帶材邊部溫度較高，軋制時(shí)不易發(fā)生裂邊現(xiàn)象；

●適于軋制生產(chǎn)高強(qiáng)度材料及合金材料；

●采用層流冷卻技術(shù)改善產(chǎn)品的機(jī)械性能；

●由于采用了現(xiàn)代技術(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜上所述，爐卷軋機(jī)在黑色金屬行業(yè)中已經(jīng)很成熟，而在我公司才剛剛起步。

1 1600mm多用途爐卷試驗(yàn)軋機(jī)簡介

1600mm多用途爐卷試驗(yàn)軋機(jī)是一種生產(chǎn)熱軋帶材的可逆式單機(jī)架雙爐卷軋機(jī)，可逆式單機(jī)架軋機(jī)的兩側(cè)配置兩臺(tái)帶有爐內(nèi)卷筒的加熱爐，在板坯往復(fù)軋制過程中對(duì)坯料進(jìn)行補(bǔ)充加熱，提高軋制效率，可減少軋機(jī)數(shù)量，投資少、收益高。具備銅、鋁、鎂、鈦及其合金在高溫下帶張力爐卷熱軋條件，適應(yīng)多用途小批量金屬軋制工藝的試驗(yàn)要求，簡稱多用途爐卷試驗(yàn)軋機(jī)，如圖1所示。

2 機(jī)組主要技術(shù)特點(diǎn)

●軋機(jī)采用長行程油缸全液壓壓下，改進(jìn)了機(jī)械電動(dòng)壓下加液壓壓上的控制模式。現(xiàn)代化的液壓自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)具有快速掃描和響應(yīng)速度,為帶材厚度控制提供了強(qiáng)有力的保障；

●軋機(jī)可實(shí)現(xiàn)2輥、4輥、3輥不同輥系軋制，滿足不同試驗(yàn)條件。2輥軋制時(shí)利用兩個(gè)支承輥直接驅(qū)動(dòng)；4輥軋制時(shí)利用兩個(gè)支承輥直接驅(qū)動(dòng)，中間再放入兩個(gè)工作輥；3輥軋制時(shí)利用兩個(gè)支承輥直接驅(qū)動(dòng)，中間再放入一個(gè)工作輥；

●軋機(jī)配置有軋邊輥，可參與多道次滾邊，控制寬展、減少裂邊；

●配置在線淬火冷卻裝置，控制帶材溫度，改善帶材質(zhì)量；

1-淬火及冷卻裝置；2-剪前導(dǎo)尺；3-重型液壓剪；4-左卷取(加熱爐)機(jī)；5-左送料裝置；6-左夾送偏導(dǎo)裝置；7-工作輥道；8-導(dǎo)尺；9-軋機(jī)本體(帶軋邊輥，左右機(jī)架輥)；10-輕型液壓剪；11-右夾送偏導(dǎo)裝置； 12-右送料裝置；13-右卷取(加熱爐)機(jī)；14-夾送偏導(dǎo)裝置；15-成品卷取機(jī)；16-卸卷車

●配置左右卷取加熱爐，改善帶材頭尾溫差,確保終軋溫度。底部封閉的爐子設(shè)計(jì)，節(jié)能并可更好地控制爐內(nèi)溫度,減少帶材氧化、改善帶材表面質(zhì)量，具備鎂鈦及其合金的帶張力爐卷熱軋條件，適應(yīng)多用途金屬軋制工藝的試驗(yàn)要求；

●配置成品卷取機(jī)，兼顧爐卷熱軋的試驗(yàn)需求及其產(chǎn)業(yè)化的擴(kuò)展；

●軋制線采用墊塊梯度調(diào)整；

●液壓系統(tǒng)采用國產(chǎn)元器件；

●機(jī)組電控系統(tǒng)預(yù)留二級(jí)系統(tǒng)接口，現(xiàn)代二級(jí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)可根據(jù)來料情況、軋機(jī)限制、軋制動(dòng)態(tài)參數(shù)，利用數(shù)學(xué)模型來制定最佳道次分配等工藝策略?，F(xiàn)代自動(dòng)化控制系統(tǒng)都有較好的自適應(yīng)功能和響應(yīng)速度，極大地改善了張力控制、穿帶速度、穿帶準(zhǔn)確率、前饋層流冷卻控制和板型控制。

3 液壓伺服系統(tǒng)的主要特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)

1600mm多用途爐卷試驗(yàn)軋機(jī)液壓伺服系統(tǒng)由泵站、伺服閥臺(tái)、壓下油缸和其它電器控制裝置等組成。采用恒壓變量泵+蓄能器作為油源，其中泵站包含高位油箱、整體底盤、泵站閥組、過濾器組和泵電機(jī)裝配等；伺服閥臺(tái)包含伺服閥、電磁溢流閥、過濾器和蓄能器等。液壓伺服系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：

●系統(tǒng)流量大，每個(gè)壓下油缸采用流量大小不同的兩個(gè)伺服閥控制，壓下油缸空載工作時(shí)兩個(gè)伺服閥同時(shí)工作，有載工作時(shí)小流量伺服閥工作，這樣既滿足了壓下油缸空行程時(shí)的快速移動(dòng)又保證軋制時(shí)輥縫精確控制；

●該試驗(yàn)軋機(jī)采用全液壓壓下伺服系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，降低了機(jī)座的總高度，減少了廠房的投資。

3.1 液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件

上支承輥平衡油缸：Ф180/Ф125×1030 mm

工作輥油缸：4-Ф110/Ф80mm

上支承輥總量：220kN

壓下速度：≤15mm/s

軋制力：25000kN

最大彎輥力：1250kN

3.2 液壓伺服系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算方法

3.2.1 最大負(fù)載力計(jì)算

按公式(1)力平衡方程計(jì)算負(fù)載壓力：

PLA=Ma+BPVP+P+Pf+P0+Pw+P1

(1)

式中，PL為軋制時(shí)的負(fù)載油壓；A為壓下油缸活塞面積；M為算到壓下油缸上(包括油缸)所有移動(dòng)部分的質(zhì)量，M=G/g；G為折算到壓下油缸上所有移動(dòng)部分的重量；g為重力加速度；a為壓下加速度；BP為壓下油缸的粘性阻力系數(shù)；VP為壓下速度；P為一個(gè)壓下油缸所承受的最大軋制力；Pf為可動(dòng)部分的摩擦力；P0為軋機(jī)每側(cè)上支承輥組過平衡力；PW為軋機(jī)每側(cè)上工作輥正彎力；P1為壓下油缸活塞桿腔液壓背壓壓力。

公式(1)中，BP和式中其它力相比很小，因此在進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)；可動(dòng)部分摩擦力Pf為壓下油缸活塞及其驅(qū)動(dòng)的軋機(jī)上輥系運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力，在整個(gè)液壓伺服控制系統(tǒng)中，摩擦力是一個(gè)非線性量，它將導(dǎo)致控制系統(tǒng)的非線性和滯后，影響系統(tǒng)控制精度，故在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備制造時(shí)，對(duì)摩擦力均有嚴(yán)格的要求。根據(jù)有關(guān)資料，軋機(jī)上輥系運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生摩擦力應(yīng)小于正常軋制壓力的0.5%。(1)式中Pf可按(2)式估算：

Pf=B+0.005P

(2)

式中，B為壓下油缸本身摩擦力。根據(jù)(1)和(2)，可計(jì)算出不同軋制力下的負(fù)載壓力，軋制力達(dá)到最大時(shí)，得到伺服閥的最大負(fù)載壓力PLmax，但考慮到壓下油缸的空行程較長，可按兩個(gè)壓力等級(jí)來設(shè)計(jì)系統(tǒng)泵站供油壓力，即低壓大流量和高壓小流量組成的系統(tǒng)，考慮伺服閥閥口自身的壓降，可初步確定系統(tǒng)油源的工作壓力P1高和P1低。

3.2.2 最大負(fù)載流量的計(jì)算及系統(tǒng)泵站流量的確定

每個(gè)壓下油缸的最大負(fù)載流量為QLmax=VPmax×A；式中，A為壓下油缸活塞腔面積；VPmax為每個(gè)壓下油缸的最大壓下速度。在軋制過程中，油缸并不是時(shí)刻都以最大速度動(dòng)作，也不是所有壓下油缸都同時(shí)以最大速度動(dòng)作。例如根據(jù)質(zhì)量流控制原理，控制帶材厚度，除了輥縫控制外還主要依靠機(jī)組的速度控制和張力控制，在軋制過程中，壓下油缸的調(diào)整量非常小，其瞬間流量主要靠蓄能器來補(bǔ)充；同時(shí)彎輥控制系統(tǒng)是一個(gè)壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，在軋制過程中的調(diào)節(jié)主要是彎輥力的調(diào)節(jié)，所需流量很小，泵站流量只需滿足兩個(gè)壓下油缸最大壓下速度即可。

3.3 液壓伺服系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

系統(tǒng)高壓壓力P1高： 31MPa；

系統(tǒng)高壓流量： 172L/min；

系統(tǒng)低壓壓力P1低： 17MPa；

系統(tǒng)低壓流量： 740L/min；

背壓壓力： 2/5 MPa；

循環(huán)(背壓)流量： 296 L/min。

3.4 伺服閥的選擇方法

伺服閥是液壓伺服系統(tǒng)中最關(guān)鍵的元件之一，其作用是將電氣控制系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接起來，伺服閥性能的好壞直接影響液壓伺服系統(tǒng)的控制精度。伺服閥的最大負(fù)載流量QL=VPmax×A；式中，VPmax為每個(gè)壓下缸的最大壓下速度；A為壓下油缸活塞面積。

根據(jù)上述計(jì)算得到的最大負(fù)載流量、負(fù)載壓力、伺服閥壓降及伺服閥額定流量等參數(shù)，采用雙伺服閥來控制。

3.5 伺服閥臺(tái)原理及控制

圖2為伺服閥臺(tái)原理圖。其控制方法為：(1)軋機(jī)靠零，兩個(gè)伺服閥2和3同時(shí)工作，電磁溢流閥1關(guān)閉；(2)軋機(jī)開輥縫、正常調(diào)節(jié)、閉輥縫，高壓小流量伺服閥2工作，低壓大流量伺服閥3和電磁溢流閥1關(guān)閉；(3)軋機(jī)快速卸荷，兩個(gè)伺服閥2和3同時(shí)工作，電磁溢流閥1打開。

1-電磁溢流閥；2-高壓小流量伺服閥；3-低壓大流量伺服閥；4-壓力閥

3.6 壓下油缸固有頻率的計(jì)算方法

自動(dòng)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度受系統(tǒng)中組成元件的最低固有頻率，即壓下油缸固有頻率的限制。因此，壓下油缸固有頻率是液壓伺服系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)?？捎脠D3所示的簡化模型示意圖，列出如下方程：

圖3

(3)

(4)

V10=A×(SW+2.5)

(5)

V1=AS1×L1

(6)

V20=AR×(SWmax-SW-2.5)

(7)

V2=AS2×L2

(8)

式中，K1為壓下油缸活塞腔液壓彈簧剛度；βe為系統(tǒng)的有效體積彈性模數(shù)；V10為壓下油缸活塞腔液體體積；V1為伺服閥至壓下油缸活塞腔連接管路內(nèi)液體體積；K2為壓下油缸活塞桿腔液壓彈簧剛度；AR為壓下油缸活塞桿腔環(huán)形面積；V20為壓下油缸活塞桿腔液體體積；V2為壓力閥至壓下油缸活塞桿腔連接管路內(nèi)液體體積；SW為壓下油缸工作所需的工作行程；AS1為伺服閥至壓下油缸活塞腔連接管路過流面積；L1為伺服閥至壓下油缸活塞腔連接管路長度；SWmax為壓下油缸工作所需的最大行程；AS2為壓力閥至壓下油缸活塞桿腔連接管路過流面積；L2為壓力閥至壓下油缸活塞桿腔連接管路長度。

為了在壓下油缸下降到其最大行程時(shí)，活塞不直接接觸油缸蓋，同時(shí)考慮到換輥的需要，壓下油缸實(shí)際工作最大行程比工作時(shí)需要的最大行程要大5mm，活塞腔和活塞桿腔各為2.5 mm。根據(jù)圖3可知，壓下油缸總的液壓彈簧剛度為：

Kh=K1+K2

(9)

壓下油缸的液壓固有頻率可按公式(10)計(jì)算：

(10)

由式(3)、(4)、(5)、(7)、(9)和(10)可以得到(11)式：

(11)

從(11)式中可看出，壓下油缸液壓固有頻率ωh的大小取決于伺服系統(tǒng)的有效體積彈性模數(shù)βe、壓下油缸活塞面積A和壓下油缸活塞桿腔環(huán)形面積AR、壓下油缸實(shí)際工作最大行程SWmax、伺服閥至壓下油缸活塞腔連接管路內(nèi)液體體積V1、壓力閥至壓下油缸活塞桿腔連接管路內(nèi)液體體積V2，折算到壓下油缸上所有移動(dòng)部分的重量G等因素的影響，要提高壓下油缸的液壓固有頻率，必須增大βe、A和AR，減小SWmax、V1、V2和G，但增大A和AR往往受到軋機(jī)牌坊窗口的限制；同時(shí)A取得過大，液壓系統(tǒng)流量和伺服閥相應(yīng)增大，這是不經(jīng)濟(jì)的。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)壓下油缸的直徑一般是根據(jù)軋機(jī)牌坊窗口尺寸和最大軋制力要求來確定。為了減小V1、V2，在設(shè)計(jì)液壓伺服系統(tǒng)時(shí)盡量把伺服閥臺(tái)放置在靠近壓下油缸比較近的位置。同時(shí)，設(shè)計(jì)壓下油缸實(shí)際工作最大行程SWmax時(shí)在滿足換輥、最小輥徑等要求的前提下，盡可能取小值。βe值取決于系統(tǒng)的連接管路和液壓油中氣體的濃度等，要提高βe取值，必須提高連接管路和油缸工作腔的機(jī)械剛度，同時(shí)盡可能排盡油液中的氣體。

4 結(jié)束語

本文著重介紹了1600mm多用途爐卷試驗(yàn)軋機(jī)液壓伺服系統(tǒng)的主要特點(diǎn)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算方法。通過壓下油缸的受力分析及其液壓固有頻率計(jì)算公式的推導(dǎo)，指出了影響壓下油缸固有頻率的因素。本文的闡述可為今后軋機(jī)液壓伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

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