板帶軋機(jī)不同摩擦力影響下液壓缸性能變化研究

樊 鵬

（山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 033000）

在鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行板帶鋼生產(chǎn)的過程中，隨著煉鋼生產(chǎn)效率的提升，板帶鋼軋制的速度也隨之不斷提升[1]，因此，對(duì)板帶軋機(jī)的效率和控制精度提出了較高的要求。在板帶軋機(jī)作業(yè)過程中，主要通過液壓系統(tǒng)對(duì)板帶的厚度及精度進(jìn)行控制，鋼板進(jìn)行軋制的過程是復(fù)雜的非線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程[2]。在板帶軋機(jī)的液壓系統(tǒng)中，液壓缸作為重要的執(zhí)行元件，其作用力性能的變化對(duì)板帶軋機(jī)的控制精度具有重要的影響。在液壓缸的應(yīng)用過程中，液壓缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)的磨損及異常，影響自身摩擦力的大小[3]，從而造成液壓缸性能的變化。針對(duì)板帶軋機(jī)應(yīng)用過程中液壓缸摩擦力的變化，搭建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，依據(jù)摩擦力的變化對(duì)液壓缸的性能變化進(jìn)行分析[4]，從而對(duì)液壓缸的維護(hù)使用提供指導(dǎo)，保證液壓缸的使用，提高板帶軋機(jī)的控制精度。

1 板帶軋機(jī)液壓缸摩擦力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

液壓缸作為板帶軋機(jī)液壓控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件，內(nèi)部摩擦力的變化對(duì)液壓缸的速度及位移等性能具有不同的影響作用。搭建摩擦力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，從而分析摩擦力的影響作用[5]。液壓缸摩擦力實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括液壓部分、電路部分及軟件控制部分，通過液壓泵驅(qū)動(dòng)液壓缸運(yùn)動(dòng)[6]，在溢流閥的作用下進(jìn)行供油壓力的調(diào)節(jié)，通過壓力傳感器進(jìn)行液壓缸內(nèi)部壓力信號(hào)的采集，并通過采集卡傳輸?shù)诫娔X中。依據(jù)系統(tǒng)軟件給定的信號(hào)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，控制液壓閥的動(dòng)作，從而控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)[7]，并在液壓缸中安裝位移傳感器進(jìn)行位移信號(hào)的采集。

圖1 液壓缸摩擦力實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用板帶軋機(jī)使用的SDL1型無載液壓缸，活塞直徑為25 mm，活塞桿直徑為14 mm，行程為200 mm，采用DBD型號(hào)溢流閥進(jìn)行控制，最大工作壓力為630 MPa，最大流量為330 L/min。實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)液壓缸數(shù)據(jù)的采集是重要的內(nèi)容，采用拉線式位移傳感器SH700進(jìn)行位移的測(cè)量，測(cè)量行程為0～700 mm，可實(shí)現(xiàn)1 000 mm/s往復(fù)速度下的準(zhǔn)確測(cè)量，具有較高的檢測(cè)精度及較高的使用壽命[8]。壓力傳感器進(jìn)行液壓缸左右兩側(cè)腔室內(nèi)的壓力檢測(cè)，將壓力的動(dòng)態(tài)變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，具有較高的測(cè)量精度，并能夠抵抗較高的沖擊力作用。實(shí)驗(yàn)過程中，將壓力傳感器安裝在液壓缸的管路上，盡量縮短安裝時(shí)使用的液壓軟管長(zhǎng)度，減小管路的變化對(duì)壓力產(chǎn)生的變化作用。

采用LabVIEW軟件進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的測(cè)試，通過軟件完成對(duì)液壓缸數(shù)據(jù)的采集，并控制相關(guān)硬件運(yùn)動(dòng)。通過LabVIEW與NI數(shù)據(jù)采集卡相結(jié)合[9]，形成閉環(huán)控制，并對(duì)液壓缸的摩擦力進(jìn)行測(cè)定分析。

2 板帶軋機(jī)液壓缸摩擦力變化對(duì)性能變化的影響

液壓缸的摩擦力是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的重要參數(shù)，在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信號(hào)中存在著摩擦力的動(dòng)態(tài)變化。為簡(jiǎn)化對(duì)摩擦力的控制，對(duì)系統(tǒng)輸入正弦信號(hào)，在變化周期內(nèi)采集液壓缸的速度及位移變化數(shù)據(jù)[10]。由于摩擦力的存在，液壓缸的運(yùn)行變化如下頁圖2所示，伺服閥控制液壓缸的正弦信號(hào)，在換向的過程中，由于控制力不足會(huì)造成在速度值為零附近位置處非線性摩擦引起位移誤差。

圖2 輸入信號(hào)的位移變化

在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中對(duì)于液壓缸的速度無法采用速度傳感器進(jìn)行采集，通過位移信號(hào)進(jìn)行速度及加速度的計(jì)算，會(huì)對(duì)速度及加速度信號(hào)有一定的干擾，需對(duì)速度進(jìn)行一定的降噪處理。對(duì)系統(tǒng)輸入圖2所示的正弦信號(hào)，在不同的信號(hào)下得到液壓缸的摩擦力及位移、速度的變化曲線如圖3所示。在圖3中對(duì)不同階段的正弦信號(hào)進(jìn)行分析，系統(tǒng)的摩擦力可以分為A、B兩個(gè)階段。在速度變化過程中，摩擦力逐漸增加至最大值的階段即為A階段（預(yù)滑動(dòng)階段）；在速度及位移變化過程中，摩擦力由最大值逐漸減小的階段即為B階段（宏觀滑動(dòng)階段）[11]。在預(yù)滑動(dòng)階段中，液壓缸的速度在零值附近，此時(shí)速度由負(fù)轉(zhuǎn)正，此時(shí)的位移量最小，在液壓缸內(nèi)部的接觸表面上發(fā)生彈性或者塑性變形，其變形產(chǎn)生的作用力即為液壓缸的摩擦力。此時(shí)的液壓缸速度最小，摩擦力達(dá)到最大值，最大值即為最大摩擦力[12]。隨著速度的增加，液壓缸內(nèi)部的關(guān)聯(lián)點(diǎn)發(fā)生斷裂，此時(shí)進(jìn)入宏觀滑動(dòng)階段，則摩擦力呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，下降的變化曲線與液壓缸內(nèi)部的材質(zhì)相關(guān)。

圖3 液壓缸摩擦力、速度、位移的變化曲線

在摩擦力由A階段的預(yù)滑動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)锽階段的宏觀滑動(dòng)時(shí)，存在著摩擦過沖的現(xiàn)象，即圖3中的C階段。此時(shí)液壓缸的速度由零值增加，摩擦力會(huì)達(dá)到極值，即最大靜摩擦力。然后，摩擦力突然減小，稱之為摩擦過沖。摩擦力的變化引起液壓缸位移的變化，而摩擦力的變化會(huì)滯后于位移的變化，這種現(xiàn)象稱之為摩擦滯回。摩擦力變化過程中EF之間的位移變化為預(yù)滑動(dòng)位移，摩擦滯回曲線與位移變化的關(guān)系如圖4所示。

圖4 摩擦力-位移摩擦滯回曲線

由圖4可知，在液壓缸運(yùn)行過程中，摩擦力始終伴隨著位移的變化，液壓缸的運(yùn)行位移為135 mm，液壓缸在15 mm位置處開始動(dòng)作。由于摩擦力的存在，造成初始信號(hào)作用下，液壓缸的位移沒有變化，位移瞬間變化，此時(shí)摩擦力達(dá)到最大靜摩擦力約200 N。隨著位移的增加，最大靜摩擦力減小，此時(shí)系統(tǒng)中庫(kù)倫摩擦力起主要作用，同時(shí)引起液壓缸運(yùn)行速度的變化。由此可知，液壓缸內(nèi)部摩擦力的變化，對(duì)液壓缸運(yùn)行的位移及速度均有不同的影響，特別是最大靜摩擦力對(duì)液壓缸的運(yùn)行速度及位移的變化具有較大的影響，在實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)對(duì)液壓缸的內(nèi)部進(jìn)行及時(shí)的檢修，盡量減小摩擦力的影響，從而保證液壓缸的精度，保證板帶軋機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)語

板帶軋機(jī)是煉鋼廠進(jìn)行鋼鐵軋制的重要設(shè)備，軋機(jī)通過液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，對(duì)于液壓缸的運(yùn)行精度具有較高的要求。在液壓缸的使用過程中，由于長(zhǎng)時(shí)間的使用或磨損，內(nèi)部的摩擦力產(chǎn)生變化，對(duì)液壓缸的運(yùn)行速度及位移造成影響。針對(duì)摩擦力的影響作用，采用搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)系統(tǒng)的位移及壓力進(jìn)行信號(hào)采集，并轉(zhuǎn)化為速度信號(hào)。采用LabVIEW控制軟件輸入正弦變化的速度信號(hào)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液壓缸的摩擦力與運(yùn)行位移之間存在著摩擦滯回的現(xiàn)象，特別是最大靜摩擦力的影響作用較大。在進(jìn)行液壓缸的使用過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)液壓缸的檢修，減小摩擦力的作用，提高液壓缸運(yùn)行的精度，保證板帶軋機(jī)的運(yùn)行。