鋁板帶熱連軋機(jī)液壓壓下系統(tǒng)動態(tài)特性分析

鋁板帶熱連軋機(jī)液壓壓下系統(tǒng)動態(tài)特性分析

王建國

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司設(shè)計(jì)研究院，四川618000)

摘要：分析了鋁板帶熱連軋機(jī)液壓壓下系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及功能，建立了液壓壓下系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析了液壓壓下位置閉環(huán)控制系統(tǒng)的時域和頻域動態(tài)性能，為設(shè)計(jì)及現(xiàn)場調(diào)試奠定了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：熱連軋機(jī)；液壓壓下系統(tǒng)；動態(tài)特性

中圖分類號：TG333.7+1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014—10—16

作者簡介：王建國(1970—)，男，高級工程師，主要從事液壓與潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究工作。

DynamicCharacteristicsAnalysison

HydraulicPressDownSystemforHotAluminiumStripMill

WangJianguo

Abstract：Structural constitutes and function of hydraulic press down system for hot aluminium strip mill have been analyzed, and mathmatics models of the hydraulic system have been established as well, further dynamic characteristics of time domain and frequency domain for closed loop control system on the position of hydraulic press down have been analyzed, which provided theoretical basis for design and site commissioning.

Keywords：hotstripmill；hydraulicpressdownsystem；dynamiccharacteristics

由于現(xiàn)在的軋機(jī)自動化水平提高及對鋁板帶材的質(zhì)量要求越來越高，對液壓輥縫控制系統(tǒng)的控制要求也越來越高，即對液壓壓下系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和控制精度的要求也越來越高。因此，對液壓壓下系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行分析研究具有重要意義。

1液壓AGC系統(tǒng)的主要功能

液壓AGC系統(tǒng)具有位置控制和壓力控制的功能。位置控制是根據(jù)給定指令位置信號與位移傳感器實(shí)時檢測的液壓缸位置信號比較，采用反饋控制，產(chǎn)生驅(qū)動伺服閥的控制電信號，使液壓壓下油缸快速、準(zhǔn)確動作，實(shí)現(xiàn)壓下油缸位置的閉環(huán)調(diào)節(jié)。壓力控制是比較給定指令壓力信號與油壓傳感器實(shí)時檢測的液壓缸壓力信號后，采用反饋控制，產(chǎn)生驅(qū)動伺服閥的控制電信號，實(shí)現(xiàn)壓下油缸輸出壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)。

軋機(jī)液壓壓下系統(tǒng)是機(jī)、電、液綜合系統(tǒng)。在現(xiàn)代熱連軋機(jī)組中，液壓APC一般作為液壓AGC的內(nèi)環(huán)，執(zhí)行厚度外環(huán)液壓AGC控制向其輸出位置(或軋制力)的動態(tài)調(diào)節(jié)量，即輥縫調(diào)節(jié)量，液壓APC是液壓AGC的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。液壓壓下系統(tǒng)還用于軋輥精確預(yù)擺輥縫。

在軋制狀態(tài)下，液壓AGC系統(tǒng)通過對軋機(jī)壓下機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整以及其他一些補(bǔ)償措施，動態(tài)消除在軋制過程中沿軋件長度方向的因各種原因產(chǎn)生的產(chǎn)品厚度偏差,保證成品鋁板帶的縱向厚度滿足精度要求。

2液壓AGC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

液壓AGC系統(tǒng)由液壓泵站、液壓控制閥站、連接管路、伺服液壓油缸及相應(yīng)檢測元件組成。伺服液壓缸是動力執(zhí)行裝置，壓下AGC缸位于軋機(jī)機(jī)架窗口的上部，在上支承輥軸承座上面。液壓泵站由高壓泵裝置、油箱裝置、蓄能器裝置及過濾裝置組成。液壓控制閥臺由電液伺服閥、各類控制閥門及檢測元件組成。連接管路由不銹鋼鋼管、接頭及管夾等組成。

3軋機(jī)液壓壓下系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

3.1伺服閥的傳遞函數(shù)

伺服閥的線性化流量方程為：

Qsv=KqXv-KcPl

式中，Kq是流量系數(shù)；Kc是流量壓力系數(shù)；Xv是閥芯位移；Pl是負(fù)載壓力。

電液伺服閥的頻率遠(yuǎn)高于系統(tǒng)響應(yīng)頻率，因此電液伺服閥的傳遞函數(shù)可以用一個二階環(huán)節(jié)來表示：

式中，Ksv是伺服閥增益；ξv是伺服閥阻尼系數(shù)；ωv是伺服閥固有頻率；s是拉氏算子。

3.2液壓缸的流量連續(xù)方程

液壓缸的流量連續(xù)方程為：

式中，Ap是液壓缸活塞面積；Ck是液壓缸的內(nèi)泄漏系數(shù)；β是油液的彈性模量；Vt是液壓缸初始等效容積；Xp是液壓缸位移，dt是時間微分。

3.3軋機(jī)輥系負(fù)載方程

在工程實(shí)際生產(chǎn)中機(jī)械負(fù)載特性相當(dāng)復(fù)雜，很難完全按照實(shí)際情況進(jìn)行描述。軋機(jī)負(fù)載是多自由度系統(tǒng)，但是為了系統(tǒng)分析方便，而將其簡化為單自由度系統(tǒng)。在考慮軋機(jī)壓下系統(tǒng)彈性負(fù)載時，應(yīng)分別考慮軋機(jī)機(jī)械彈性負(fù)載力和液壓彈性負(fù)載力。油缸及其負(fù)載可簡化為如圖1所示的力學(xué)模型。

軋機(jī)輥系負(fù)載方程為：

圖1　油缸及其負(fù)載的力學(xué)模型

式中，Mt是負(fù)載質(zhì)量；Bp是負(fù)載阻尼系數(shù)；Kx是負(fù)載彈性系數(shù)；Fl是外負(fù)載力。

3.4閥控缸的傳遞函數(shù)

聯(lián)立以上各式，消去中間變量得閥控制缸的傳遞函數(shù)方程，經(jīng)簡化后為：

式中，Kce是總流量-壓力系數(shù),Kce=Kc+Ck。

根據(jù)以上各單元的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，軋機(jī)液壓AGC系統(tǒng)位置控制方式的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)簡化框圖如圖2所示。

4液壓壓下系統(tǒng)動態(tài)特性分析

液壓壓下系統(tǒng)是電液伺服系統(tǒng)，具有快速、穩(wěn)定及高精度的性能，其中最重要的是穩(wěn)定性，它是保證系統(tǒng)正常工作的前提。因此，分析系統(tǒng)的動態(tài)特性必須在系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行。由于在建立各元件的數(shù)學(xué)模型中作了必要的簡化，忽略了一些次要因素，并且運(yùn)用了線性化方法推導(dǎo)方程,各運(yùn)動方程中的參數(shù)有可能與實(shí)際不完全一致，因此，各參數(shù)選取及簡化越接近實(shí)際，得出的結(jié)果就越準(zhǔn)確。

4.1系統(tǒng)時間響應(yīng)特性分析

根據(jù)液壓壓下系統(tǒng)主要元件的數(shù)學(xué)模型及控制框圖，得出系統(tǒng)階躍響應(yīng)時間圖(圖3)。從圖3可以看出，系統(tǒng)的超調(diào)量為7%，響應(yīng)時間約為0.029 6 ms,響應(yīng)時間很好，若適當(dāng)加上校正，性能指標(biāo)會更好。

4.2系統(tǒng)頻域響應(yīng)特性分析

根據(jù)液壓壓下系統(tǒng)主要元件的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)開環(huán)的Bode圖如圖4所示。由圖4可以看出，在以位移反饋的壓下系統(tǒng)中，開環(huán)系統(tǒng)的幅值裕量為8.76 dB，相位裕量為60.6°，由此得出此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。且幅值穩(wěn)定裕度和相位穩(wěn)定裕度均符合要求。系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好。

圖2　液壓AGC系統(tǒng)位置控制方式的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)框圖

圖3　液壓壓下系統(tǒng)階躍響應(yīng)時間圖

5結(jié)論

本文建立了液壓AGC系統(tǒng)各主要元件的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而建立了液壓AGC系統(tǒng)的動態(tài)模型，分析了壓下系統(tǒng)的動態(tài)特性。通過對液壓壓下系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)的分析，掌握了影響壓下系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)的因素，為壓下系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

圖4　液壓壓下系統(tǒng)開環(huán)的Bode圖

參考文獻(xiàn)

[1]雷天覺.液壓工程手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.4.

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[3]王春行.液壓控制系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.5.

編輯杜敏

1改造方案

1.1數(shù)控系統(tǒng)改造

數(shù)控系統(tǒng)采用西門子828D控制系統(tǒng)，同時控制兩軸，并具有直線、圓弧和螺紋插補(bǔ)功能，最小分辨率為0.001 mm，根據(jù)加工要求選配系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)功能和增設(shè)功能。

標(biāo)準(zhǔn)功能主要有：控制面板上的用戶自定義鍵、通訊UBS接口、絕對值/增量值編程、自動坐標(biāo)系設(shè)定、調(diào)用子程序、直線插補(bǔ)功能、曲線插補(bǔ)功能、螺紋插補(bǔ)功能、螺距誤差補(bǔ)償和反向間隙補(bǔ)償、系統(tǒng)誤差補(bǔ)償功能等。

增設(shè)功能主要有：實(shí)時模擬功能、刀庫刀具管理功能、3D動畫演示功能、工步編程、執(zhí)行程序中途換刀和主軸停止功能等。

以上功能的開發(fā)，方便職工操作，使生產(chǎn)軋輥的數(shù)控車床操作及專業(yè)功能達(dá)到最優(yōu)化，節(jié)約了加工準(zhǔn)備時間，提高了機(jī)床的使用效率和加工效率。

1.2進(jìn)給系統(tǒng)改造

X、Z軸進(jìn)給傳動采用直徑大、精度高的滾珠絲杠，具有摩擦損失小、傳動效率高、精度高、軸向剛度高等特點(diǎn)，還可以實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給和高速進(jìn)給，確保運(yùn)動和位置精度，尤其適合加工高硬度成品軋輥。

進(jìn)給系統(tǒng)添加導(dǎo)軌、滾珠絲杠等自動潤滑系統(tǒng)，全程強(qiáng)制潤滑，降低系統(tǒng)摩擦系數(shù)，延長機(jī)床的使用壽命。

X、Z軸進(jìn)給均采用西門子1FK7系列同步進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動。為保證Z軸的進(jìn)給精度，Z軸進(jìn)給增加高精度減速箱，精度等級3弧分，減速比1∶4，確保機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)具有最佳的慣量匹配。機(jī)床采用激光檢測進(jìn)行動態(tài)精度檢測和補(bǔ)償，具有較高的定位精度，徹底解決加工高硬度軋輥時出現(xiàn)的退刀問題。

1.3機(jī)床電氣系統(tǒng)改造

機(jī)床電氣系統(tǒng)改造主要包括電器箱改造、進(jìn)給控制以及線路改造，主要有以下幾方面：

(1)嚴(yán)格控制電氣元件質(zhì)量，保證機(jī)床具有較高的可靠性、穩(wěn)定性和較長的使用壽命。

(2)電器箱使用恒溫空調(diào)，目的是隔絕灰塵并降低箱內(nèi)溫度。

(3)所有控制電器的輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)均經(jīng)過內(nèi)部PMC處理，機(jī)床計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)對所有控制部分的自我診斷。

1.4尾座單元改造

尾座單元進(jìn)行旋轉(zhuǎn)芯軸改造，旋轉(zhuǎn)單元的軸承為NSK高速回轉(zhuǎn)軸承，實(shí)現(xiàn)尾座回轉(zhuǎn)精度≤0.015 mm，具有壽命長、精度高、承重大等特點(diǎn)。

1.5主軸單元改造

為了滿足高速度高精度加工，更換原主軸單元的齒輪、軸及相應(yīng)的零部件。利用原主軸箱體，設(shè)計(jì)高剛性主軸結(jié)構(gòu)；軸承采用高精密圓柱滾子軸承及高速斜角接觸滾珠軸承，可承受徑向、軸向及復(fù)合的負(fù)荷。主軸內(nèi)部密閉式潤滑,可保證主軸高速平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

采用交流伺服主軸電機(jī)，并配備1∶8高精密主軸減速箱,實(shí)現(xiàn)在全程速度范圍內(nèi)無級變速且高扭矩的輸出，適合高精加工。主電機(jī)與機(jī)床床身分離，大大降低了噪音及震動。主軸電機(jī)與主軸采用高韌性同步齒型帶進(jìn)行有效傳動，防止打滑。對皮帶輪做消音處理，使高速重切削時噪音降至最低。

采用630 mm四爪手動卡盤裝夾工件，方便、安全可靠。粗加工時采用硬爪，精加工時可采用軟爪。

1.6安全保護(hù)改造

由于數(shù)控機(jī)床是由數(shù)控系統(tǒng)控制操作，安全設(shè)計(jì)特別重要。當(dāng)機(jī)床遇到意外突然斷電或自身故障時，由于控制電路的特殊設(shè)計(jì)，機(jī)床的可動進(jìn)給軸、冷卻電機(jī)等可以直接由啟動狀態(tài)自動進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，未啟動部分則保持原狀，確保了機(jī)床安全。機(jī)床具有報警裝置及緊急停止安全按鈕，可防止各種突發(fā)故障給機(jī)床造成的損壞。機(jī)床整體改造設(shè)計(jì)符合人體工程學(xué)，使操作者更容易操作和了解機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

1.7潤滑系統(tǒng)改造

整機(jī)增加自動潤滑系統(tǒng)，包括進(jìn)給部分、床身部分的潤滑，能夠保證機(jī)床的最大壽命，滿足機(jī)床的潤滑需要。

2實(shí)施效果

(1)C8463車床實(shí)施數(shù)控化改造之后，通過程序控制可完成縱、橫向進(jìn)刀的復(fù)合運(yùn)動和進(jìn)給補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)軋輥上各種幾何形狀的加工功能。

(2)通過數(shù)控化改造，實(shí)現(xiàn)了車床的自動控制，降低了操作者的勞動強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了“一人多機(jī)” 的工作模式。

(3)改造后的車床加工的軋輥表面光潔度提高了，單槽軋制量提高了10%～20%左右。

(4)鋼材的負(fù)差率波動范圍有所減小，成材率、定尺率得到了提高，增加了企業(yè)效益。

(5)高硬度的軋輥加工效率得到了提升，解決了企業(yè)加工軋輥的瓶頸。

編輯李韋螢