自動定心輥及輥組的糾偏控制原理及應用

曹憲勇 吳 強

(中冶京誠工程技術有限公司 北京100176)

·技術分析·

自動定心輥及輥組的糾偏控制原理及應用

曹憲勇①吳 強

(中冶京誠工程技術有限公司 北京100176)

介紹了4種基本形式的勞林(Lorig)自動定心輥及由其組成的定心輥組，能起到帶材自動調(diào)心作用，這種定心輥組特別適用于寬而薄的帶材，是一種非常經(jīng)濟、有效的定心方法。

圓柱形輥 鼓形輥 凹形輥 糾偏輥 自動調(diào)心輥 定心輥組

帶鋼連續(xù)生產(chǎn)線上，帶鋼跑偏的原因多種多樣，如：①帶鋼板形不平直；②旋轉輥子的制造精度低；③輥子安裝偏差較大等原因均會使帶鋼出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象。下面介紹4種輥型調(diào)心輥和由其組成的調(diào)心輥組，能夠起到自動調(diào)心的作用，可以解決帶鋼跑偏問題，這種輥型特別適用于寬而薄的帶鋼(也適用于其他金屬帶材、塑料、紡織品等)，是一種很經(jīng)濟有效的定心方法(本文中出現(xiàn)的“糾偏”和“定心”意思相同)。

1 帶鋼跑偏原因

1.1 幾種常見板形對定心的影響

以下是生產(chǎn)中遇到的多種板形如圖1所示，并且多種板形存在同一卷鋼卷中的情況也是常有的事。從表1可以看出，鐮刀彎帶鋼(圖1中圖a、d、f)和瓢形帶鋼(圖1中圖g)，對定心影響較大。一般來說，冷軋帶鋼板形好于熱軋帶鋼板形，對跑偏影響會小些。

1.2 旋轉輥表面對定心的影響

除了輥子軸線不平行度對跑偏有很大影響外，輥子表面形狀對定心也有一定影響。如輥面凹度會使帶鋼出現(xiàn)跑偏。尤其是在高速機組中，凹面輥常常會使帶鋼出現(xiàn)左右交替的跑偏現(xiàn)象，這是無法控制的。

1.3 設備安裝偏差對定心的影響

設備安裝精度低，會使各輥軸線產(chǎn)生不平行及不垂直，這樣就使帶鋼出現(xiàn)跑偏。輥子軸承座的剛度太小也是帶鋼跑偏的原因。

此外，帶鋼橫向剛性小(t(輥距)/b(帶寬)值小)、機組速度高、機組長度長、張力小等都是影響帶鋼跑偏的因素。帶鋼連續(xù)生產(chǎn)線上，帶鋼跑偏是客觀存在的，是不可避免的，往往由于跑偏問題沒有得到解決，影響到正常生產(chǎn)，給企業(yè)造成損失，如何采取有效措施減少帶材跑偏，使跑偏量控制在允許范圍內(nèi)，滿足生產(chǎn)要求，多年來，許多科技工作人員一直在為之努力。

圖1 生產(chǎn)中幾種常見板形

序號圖形帶材板形帶材運行狀況運行特點大張力對運行情況的影響備注1a平直帶材好跑偏依然存在跑偏減少,但仍不能完全消除理想狀態(tài),幾乎沒有2b鐮刀彎型差單側跑偏跑偏減少,但不能消除,且形成波浪3c直的兩邊波浪型最好交錯傾斜、比平直帶鋼還好幾乎沒有影響4d鐮刀彎加波浪型差易跑偏有可能破壞帶材5e中心加邊部波浪型較差不能穩(wěn)定運行可改善運行狀況6f鐮刀彎加中心、邊部波浪型最差易跑偏,運行困難有可能破壞帶材7g瓢性帶材最差運行困難作用不大

盡管加大張力可以減少帶材跑偏，張力增大，設備重量及能耗也要增加，投資相應增加，過大的張力還會使帶鋼產(chǎn)生永久變形，拉傷帶鋼，靠加大張力減少帶材跑偏不是好的方法。

2 帶材在圓柱形輥子上運行的基本原理

在定義“平面作用原理”和“螺旋作用原理”之前，先解釋幾個名詞。

1)圓平面：與圓柱體輥子軸線相垂直所截的平面，稱為圓平面。

2)輥子線：圓平面的外輪廓線稱為輥子線，如圖2所示。

3)輥身長度元素：兩個相鄰無窮相近的圓平面之間的距離，稱為輥身長度元素，用ΔL表示，如圖2所示。

圖2 帶鋼在圓柱輥子上運行

4)帶材素線：平直的帶材上，平行于帶材中心線的線條，稱為帶材素線，見圖3。

5)窄條元素：兩個相鄰無窮相近的帶材素線之間的距離，稱為窄條元素，用Δb表示，見圖3。

平面作用原理：假設帶材在圓柱形輥子表面上運行，不出現(xiàn)跑偏時，帶材素線與輥子線完全吻合，就是所謂的“平面作用原理”。

螺旋作用原理：假設帶材上任何素線相對于輥子線有任何偏移時，帶材在輥子上就按螺旋線路運行，帶材素線與輥子線之間夾角“θ”稱為螺旋角，就是所謂的“螺旋作用原理”，見圖4。

用“平面作用原理”和“螺旋作用原理”可以解釋：①凹形輥不具有定心作用。②被動狀態(tài)下的理想普通圓柱形輥子具有定心作用，但是理想普通圓柱形輥子是不存在的，因為輥子使用一段時間后，輥面會成為凹形，所以普通圓柱形輥子是不能起到定心作用的。③鼓形輥具有定心作用。這里略掉論證過程。

圖3 帶鋼寬度方向示意圖

圖4 帶鋼按螺旋運行

3 自動調(diào)心輥的基本形式及定心原理

下面介紹的4種輥型是勞林定心輥的基本輥型，分別稱之為，Ⅰ型自動定心輥、Ⅱ型自動定心輥、Ⅲ型自動定心輥和Ⅳ型自動定心輥，其定心原理皆可以用“螺旋作用原理”解釋。

3.1 Ⅰ型自動定心輥

圖5 Ⅰ型自動定心輥

圖6 帶材在Ⅰ型自動定心輥上定心作用

Ⅰ型自動定心輥通常設計成自由輥，見圖5，其肘彎軸是固定不動的，該軸上裝有兩段錐形輥筒(或圓筒形輥筒)，錐形輥筒的錐度很小，通常不大于2°。當帶材與輥子接觸時，帶材線與輥子線形成夾角“θ”，根據(jù)螺旋作用原理，形成兩個指向中心的軸向力F1和F2，見圖6，力的大小與接觸面積成正比，使帶鋼移動，直至F1等于F2，從而起到定心的作用。這種輥子的定心作用取決于帶材與輥子接觸時的摩擦力，加大張力對Ⅰ型自動定心輥的影響不大，這種定心輥子在高速下運行，有良好的定心作用。他的結構特點使其也能夠承受大的張力。它的糾偏能力取決于肘彎軸的夾角，夾角越小糾偏能力越強，通常肘彎軸的夾角設計成160°～170°，其特定的結構使制造成本較高。

3.2 Ⅱ型自動定心輥

圖7 Ⅱ型自動定心輥

Ⅱ型自動定心輥是在包膠的輥子上刻槽，也稱為刻槽輥，見圖7。帶鋼與膠輥接觸時，由于張力的作用，對膠輥產(chǎn)生壓力，由于槽是對稱開的，對帶鋼產(chǎn)生的摩擦力是指向中心的。所以，刻槽輥是可以自動定心的。特別注意，輥子中心線上的槽是直的，兩側是對稱的，并且傾角向內(nèi)?？滩圯伨哂猩嵝Ч茫谝欢◤埩ο?，帶鋼與輥子的接觸良好，故定心效果也良好。這類輥子無論用于主動輥還是被動輥，均能起到定心作用，經(jīng)常用做張力輥和沉沒輥。Ⅱ型自動定心輥具有諸多優(yōu)點，得到廣泛的應用，尤其用于沉沒輥效果極佳。

3.3 Ⅲ型自動定心輥

圖8 Ⅲ型自動定心輥

Ⅲ型自動定心輥是由兩段圓錐形輥筒(或圓筒形輥筒)組成，見圖8，也可以稱為雙段輥，通常設計成自由輥。其定心原理，可根據(jù)螺旋作用原理解釋。這類定心輥結構簡單，適用于小張力薄帶材。特點是結構簡單、定心效果好。

3.4 Ⅳ型自動定心輥

Ⅳ型自動定心輥由三段輥組成，結構如圖9。

通常設計成自由輥。其定心原理，可根據(jù)螺旋作用原理解釋。這類定心輥適用于小張力寬帶材，且無論高速和低速定心效果均良好。該輥允許兩端輥制成包膠輥，中間段制成光亮鋼輥。這種輥型允許兩端輥子的傾角不一樣，更有利于快速定心。

圖9 Ⅳ型自動定心輥

3.5 窄身輥

圖10形狀的輥子稱為窄身輥，通常設計成自由輥，中間段輥身長度要小于帶鋼寬度，這類輥子也稱為短體輥。各段尺寸可用下列關系確定：

A=(0.6-0.8)b(b：帶鋼寬度)

B=0.05b

C=(L-A-2B)/2

D-d=0.5～0.6

圖10 窄身輥

窄身輥不屬于自動定心輥，定心作用介于普通圓柱輥和自動定心輥之間，它對于被糾偏的帶材能起到穩(wěn)定的作用，經(jīng)常被設置在糾偏裝置之后。這類輥子適用于立式活套內(nèi)或連退爐內(nèi)的轉向輥。窄身輥成本低廉，價格便宜；窄身輥有一個小的阻尼作用，可引起帶鋼在輥子上有向前或向后的趨勢。

3.6 定心輥組

在連續(xù)生產(chǎn)線上，采用自動定心輥與窄身輥的組合結構形式，稱之為定心輥組，見圖11。這一組合通常是由兩個窄身輥和一個自動定心輥配置而成，也稱為“標準定心輥組”?！皹藴识ㄐ妮伣M”必須滿足：①自動定心輥與入口窄身輥的距離必須大于自動定心輥與出口窄身輥的距離，即L1>L2。②帶材在各輥子上的包角必須大于90°?！皹藴识ㄐ妮伣M”經(jīng)常會配置在立式活套或連退爐的入口處和出口處，是即經(jīng)濟又有效的糾偏裝置，且無論機組的速度高低，張力大小，均能獲得理想的糾偏效果。

圖11 標準定心輥組

3.7 鼓形輥和鼓形彈性輥

圖12 鼓形彈性輥

前面提到鼓形輥具有定心作用。要使帶鋼與鼓形輥有較大的接觸面積，必須要有足夠大的張力，由于帶鋼彈性非常有限，包在輥子上的帶鋼的橫斷面上的各點應力不一樣，也就是帶鋼縱向變形不一樣，即帶鋼中心變形大于兩邊邊部變形，在包角90°時，中心變形增量為π(R2-R1)/2，假如金屬帶鋼采用大的張力，并用金屬鼓形輥調(diào)心，帶鋼中心部位將有可能產(chǎn)生永久變形。

那么，帶鋼在包膠的鼓形彈性輥上會如何？帶鋼在鼓形輥上，中心部位帶鋼的拉力會大于邊部拉力，如果鼓形輥包有彈性較大的橡膠時，在鼓形輥中部會產(chǎn)生包膠凸出部分，見圖12，輥子凸出部分與帶鋼產(chǎn)生相對滑動，至使鼓形彈性輥中部磨損較快，同時凸出部分與鋼輥本體產(chǎn)生蠕動、揉搓現(xiàn)象，這也是鼓形彈性輥中部易產(chǎn)生裂紋損壞較快的原因。所以，鼓形橡膠輥具有調(diào)心作用，但損壞較快。鼓形輥適用于具有彈性的撓形帶傳動，有良好的調(diào)心作用，不適用于不包膠的鼓形輥傳動。

4 糾偏輥裝置定心及控制系統(tǒng)

糾偏輥裝置特指擺動輥裝置，通常情況下，擺動輥處于被動狀態(tài)下工作，即進口張力T2小于出口張力T1，見圖13。帶鋼與擺動輥面的總摩擦力ΔF，總是與輥子線相重合，并指向進口端，見圖15。當帶鋼產(chǎn)生偏移時，見圖14，擺動輥向右擺動一定角度，見圖15，此時，在帶鋼與擺動輥輥面所產(chǎn)生的摩擦力ΔF的分力ΔF1使帶鋼向上移動，達到帶鋼定心的效果。

圖13 帶鋼繞過擺動滾T1>T2

圖14 帶鋼出現(xiàn)跑偏

擺動輥定心作用是依靠帶鋼與輥面摩擦力來糾偏的，摩擦力越大，糾偏效果越好，而摩擦力的大小與接觸面積有關，即包角和輥型有關，所以，建議擺動輥用于包角大于90°場合，同時，擺動輥輥型采用圓柱形輥型會好于鼓型輥和窄身輥。為了增大摩擦系數(shù)，擺動輥通常會選用包膠輥。糾偏輥裝置配有專用的自動控制系統(tǒng)，定心精度極高，可控制在±2mm內(nèi)。單輥擺動輥糾偏裝置見圖16、17。

圖15 進行帶鋼糾偏時受力

圖16 擺動輥糾偏裝置

圖17 擺動輥糾偏裝置的俯視圖

該自動控制系統(tǒng)為一閉環(huán)電液伺服控制系統(tǒng)，采用一個對中糾偏探測器。該探測器布置于糾偏輥架的帶鋼出口側，并且應緊靠糾偏輥布置，以使系統(tǒng)獲得最優(yōu)的控制性能，見圖18。機組運行時，光感(或電感)探測器連續(xù)監(jiān)測帶材兩邊的位置變化，并將帶材位置轉化為與之成比例的模擬電信號(或數(shù)字信號)輸出到控制放大器?？刂破鲗⒋诵盘柡皖A先設定的帶材糾偏基準點信號相比較，兩者之間若有任何偏差都將使控制器輸出一偏差糾正信號至液壓伺服閥系統(tǒng)，驅使液壓系統(tǒng)推動擺動輥支架作相應的移動，直至帶材重新對中于探測器探測范圍的中心線。如此往復動作，從而確保在整個機組運行過程中，帶材都能持續(xù)地運行在機組中心線上，不致出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象。擺動輥裝置定心精度高，結構復雜，成本高。

圖18 糾偏裝置控制系統(tǒng)

5 結語

1)目前，連續(xù)帶鋼生產(chǎn)線上糾偏的主要方法：

(1)采用帶自動控制系統(tǒng)的糾偏輥裝置

(2)采用帶自動控制系統(tǒng)的浮動開卷機

(3)采用帶自動控制系統(tǒng)的浮動卷取機

(4)采用定心輥和定心輥組等

2)自動控制系統(tǒng)的糾偏輥裝置雖然有定心精度高，使用效果好，但其畢竟價格昂貴，該裝置適用于要求糾偏精度較高的位置，如切邊圓盤剪前定心。 實際上，在生產(chǎn)中，使用價格低廉，并且能夠滿足工藝要求，不失為一種好的方法。在連續(xù)帶鋼生產(chǎn)線上，立式活套的進出口均配備糾偏輥裝置，該糾偏裝置只要保證帶鋼不跑出輥身長度之外就可以，采用定心輥和定心輥組完全可以滿足這樣的定心要求，它具有：①定心效果好，結構簡單，成本低，免維護。②即可用于低速也可用于高速生產(chǎn)線。③較小的張力也能定心良好。定心輥組也可以裝在連續(xù)退火爐的進出口位置用于帶鋼定心。生產(chǎn)線上，在需要糾偏的位置，依據(jù)糾偏精度的要求，選用合適的糾偏裝置。

[1]周國盈.帶鋼精整設備[M].北京：機械工業(yè)出版社，1979.

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Principium and Application of Deviation Control for Automatic Centering Roll and Roll Set

Cao Xianyong Wu Qiang

(MCC Capital Engineering & Research Incorporation Limited, Beijing 100176)

The four sorts of Lorig automatically aligne roll that compose aligner roll group were discussed, it perform a automatically aligner function for steel strip. Such as aligner roll group apply to wide and thin steel strip, it is a very economical and effective sort of method for aligner.

Cylindrical roll Crowned roll Concave roll Correct roll Lorig aligner Aligner group

曹憲勇，男，1962年出生，畢業(yè)于北京科技大學冶金機械專業(yè)，學士，高級工程師，現(xiàn)從事軋鋼設備設計工作

TG333.17

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.06.007

2014-09-16)