重卷機(jī)組中糾偏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

屈子路，呂慶秋，王 麗，丁建國(guó)

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司冷軋部，河北 唐山 063200)

0 前言

重卷機(jī)組是冷軋鋼卷出廠前最后一道工藝機(jī)組，通過開卷機(jī)將帶鋼展開，完成切邊、分卷、檢查、打磨、涂油等工藝操作，再通過卷取機(jī)卷取為成品卷。由于帶鋼來料板型缺陷、輥系設(shè)備安裝精度誤差以及長(zhǎng)期使用后輥身磨損不平衡等因素，使帶鋼運(yùn)行過程中不可避免的發(fā)生偏移。機(jī)組跑帶速度越快，偏移越大；重卷機(jī)組運(yùn)行速度最高可達(dá)150～750 m/min，而且尤其高端板帶產(chǎn)品如汽車板、家電板、硅鋼板，用戶對(duì)成品卷的塔型、層間差等邊部質(zhì)量有很高的要求，如果對(duì)帶鋼在高速運(yùn)行下的偏移不加以糾正，成品鋼卷邊部卷取質(zhì)量無法滿足最終用戶的產(chǎn)品需求，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生重大的碰撞事故，損害設(shè)備，危害操作和設(shè)備人員。因此，為生產(chǎn)出合格鋼卷產(chǎn)品，除了保證設(shè)備的安裝精度以外，機(jī)組還必須設(shè)計(jì)配置專門的精度高、響應(yīng)快的自動(dòng)糾偏系統(tǒng)。

本文對(duì)某鋼廠汽車外板的冷軋帶鋼重卷機(jī)組設(shè)計(jì)過程中自動(dòng)糾偏對(duì)中/對(duì)邊系統(tǒng)的布置、結(jié)構(gòu)以及特點(diǎn)進(jìn)行分析。

1 汽車外板重卷機(jī)組

某汽車外板重卷檢查機(jī)組全長(zhǎng)44.5 m，機(jī)組運(yùn)行最高速度200 m/min。帶鋼來料規(guī)格：厚度0.4～2.5 mm，寬度800～2 080 mm，帶鋼強(qiáng)度σymax=780 MPa。沿帶鋼運(yùn)行方向，布置三套自動(dòng)糾偏系統(tǒng)如圖1所示，包括開卷機(jī)自動(dòng)糾偏對(duì)中(1#CPC)、圓盤剪自動(dòng)糾偏對(duì)中(2#CPC)和卷取機(jī)自動(dòng)糾偏對(duì)邊(EPC)。分別對(duì)開卷時(shí)、進(jìn)圓盤剪切邊前和卷取時(shí)的帶鋼進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和糾偏對(duì)中/對(duì)邊，以滿足工藝需求、保證機(jī)組連續(xù)高速生產(chǎn)時(shí)的卷取質(zhì)量。

圖1 某精整機(jī)組糾偏布置示意圖

2 糾偏系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)組成

2.1 自動(dòng)糾偏系統(tǒng)的控制原理

目前帶鋼連續(xù)生產(chǎn)機(jī)組板帶對(duì)中廣泛采用由光電式/電感式測(cè)量傳感器、數(shù)字控制器、直線行程傳感器、伺服閥、糾偏液壓缸和糾偏設(shè)備等構(gòu)成的光電液控制系統(tǒng)。糾偏系統(tǒng)控制原理如圖2所示，該系統(tǒng)是一個(gè)連續(xù)的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，傳感器連續(xù)的測(cè)量行進(jìn)帶鋼的位置變化，將帶鋼的位置偏差信號(hào)輸入到數(shù)字控制器，電控系統(tǒng)的輸出與伺服閥相連。伺服閥驅(qū)動(dòng)糾偏缸帶動(dòng)機(jī)架進(jìn)行左右移動(dòng)或擺動(dòng)，使帶鋼側(cè)向移動(dòng)，以調(diào)整跑偏帶鋼回到預(yù)定的中心線上，實(shí)現(xiàn)帶鋼自動(dòng)糾偏對(duì)中功能。控制過程一般采用位置反饋來實(shí)現(xiàn)跟蹤糾偏，位置傳感器安裝在糾偏液壓缸上，要求糾偏控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好，靈敏度高，反應(yīng)迅速。

圖2 糾偏系統(tǒng)控制原理簡(jiǎn)圖

2.2 開卷機(jī)自動(dòng)糾偏 (1#CPC)

開卷機(jī)自動(dòng)糾偏對(duì)中系統(tǒng)布置如圖3所示。光電傳感器布置在入口轉(zhuǎn)向輥后，可同時(shí)檢測(cè)帶鋼兩側(cè)邊位置從而確定帶鋼中心，傳感器的預(yù)設(shè)電氣中心設(shè)為機(jī)組中心。機(jī)組建立張力后傳感器投入工作，檢測(cè)到帶鋼中心實(shí)時(shí)偏移量后反饋到控制器，控制器比較帶鋼實(shí)時(shí)中心和預(yù)設(shè)中心的差值，通過液壓伺服閥驅(qū)動(dòng)安裝在開卷機(jī)中的糾偏液壓缸推拉卷筒和卷筒上的鋼卷，使帶鋼中心從來料方向上進(jìn)行糾正。

圖3 開卷機(jī)自動(dòng)糾偏對(duì)中系統(tǒng)布置

鋼卷上卷過程中，通過鋼卷小車自帶的編碼器可以保證鋼卷中心和卷筒中心對(duì)齊。因此，開卷處糾偏對(duì)中主要克服來料鋼卷自身的板帶中心偏差，重卷機(jī)組來料鋼帶同一卷內(nèi)寬度允許變化值在0～3 mm，塔型公差小于20 mm，1#CPC對(duì)中精度±2 mm。開卷機(jī)糾偏量即液壓缸行程設(shè)計(jì)為±150 mm，能夠滿足使用需要。通過傳感器檢測(cè)實(shí)際帶鋼中心位置，由糾偏缸驅(qū)動(dòng)著時(shí)刻與固定的機(jī)組中心一致。當(dāng)1#CPC檢測(cè)到帶鋼跑偏時(shí)，糾偏液壓缸驅(qū)動(dòng)開卷機(jī)框架移動(dòng)。理論上卷筒的偏移位移與監(jiān)測(cè)到帶鋼偏移量比接近于1∶1，也就是說檢測(cè)到的偏移量δ即為糾偏液壓缸的行程輸入量ΔSt，二者為反向值。1#CPC的創(chuàng)新點(diǎn)在于：光電傳感器布置在入口轉(zhuǎn)向夾送輥后方，如圖3所示，開卷機(jī)的糾偏橫移框架與入口轉(zhuǎn)向夾送輥的框架通過硬連接方式連接在一起，并和入口轉(zhuǎn)向夾送輥框架同時(shí)移動(dòng)，防止由于糾偏動(dòng)作而造成的擦劃傷缺陷。如果光電傳感器布置在開卷機(jī)和入口轉(zhuǎn)向夾送輥之間，開卷機(jī)進(jìn)行糾偏動(dòng)作時(shí)，帶鋼和入口轉(zhuǎn)向夾送輥之間會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這就要求提高入口轉(zhuǎn)向夾送輥表面光潔度而不致于產(chǎn)生擦劃傷，而提高輥?zhàn)颖砻婀鉂嵍葧?huì)帶來輥?zhàn)哟蚧娘L(fēng)險(xiǎn)，造成傳動(dòng)系統(tǒng)異常。

2.3 圓盤剪自動(dòng)糾偏(2#CPC)

圓盤剪自動(dòng)糾偏裝置(2#CPC)布置在圓盤剪前，其布置在機(jī)組中間位置，與1#CPC相比，其糾偏精度要求更高，對(duì)中精度±1 mm，其主要作用是與圓盤剪配合，實(shí)現(xiàn)切邊的精準(zhǔn)控制?？紤]到糾偏效果良好、機(jī)組長(zhǎng)度的經(jīng)濟(jì)性以及帶鋼通道線標(biāo)高一致性等因素，本重卷機(jī)組采用一種三輥的、雙連桿機(jī)構(gòu)糾偏輥，糾偏輥?zhàn)詣?dòng)糾偏對(duì)中布置圖如圖4 所示。傳感器布置在圓盤剪前并盡量靠近，糾偏輥距圓盤剪有一定距離，糾偏輥動(dòng)作時(shí)能夠保證帶鋼有足夠的糾正行程。傳感器檢測(cè)到帶鋼中心位置的偏移，控制器接收到信號(hào)并與預(yù)定的機(jī)組中心信號(hào)比較分析，輸出到糾偏液壓缸，液壓缸動(dòng)作推拉擺動(dòng)機(jī)架以帶動(dòng)糾偏輥“抓住”帶鋼反方向偏移，達(dá)到糾偏效果。

圖4 圓盤剪自動(dòng)糾偏裝置布置圖

三輥糾偏裝置如圖5所示，擺動(dòng)機(jī)架通過兩根等長(zhǎng)連桿與固定機(jī)架連接，糾偏缸缸體安裝在固定機(jī)架上，伸縮桿與擺動(dòng)機(jī)架通過鉸軸相連，點(diǎn)S、點(diǎn)B、點(diǎn)C構(gòu)成擺動(dòng)機(jī)架。糾偏缸動(dòng)作，油缸鉸點(diǎn)B伸出或縮回并繞油缸耳軸擺動(dòng)，擺動(dòng)點(diǎn)B和擺動(dòng)點(diǎn)C分別在以固定點(diǎn)A和固定點(diǎn) D為圓心，以連桿長(zhǎng)度為半徑的圓軌跡上移動(dòng)，糾偏缸動(dòng)作停止時(shí)，擺動(dòng)機(jī)架擺動(dòng)位置唯一，糾偏輥相對(duì)于機(jī)組中心線偏移一定距離，即為糾偏輥對(duì)帶鋼的糾偏量δ。研究發(fā)現(xiàn)，糾偏輥擺動(dòng)時(shí)中心近似在以帶鋼來料方向機(jī)組中心線上的某點(diǎn)為圓心、半徑為R的圓軌跡上擺動(dòng)，因此，在設(shè)計(jì)糾偏輥前夾送輥設(shè)備的間距時(shí)需考慮此R值。三輥式糾偏輥的糾偏量由糾偏缸行程實(shí)現(xiàn)和保證。

圖5 糾偏裝置簡(jiǎn)圖

糾偏輥輥徑計(jì)算考慮兩種極限情況：一是帶鋼完全包絡(luò)在輥?zhàn)由蠒r(shí)不產(chǎn)生塑性變形，如圖6所示；二是假想如圖7所示的簡(jiǎn)支梁模型，在兩托輥間帶鋼中心處施加一向下的集中載荷，根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，帶鋼段中心處產(chǎn)生的內(nèi)力矩最大，當(dāng)最大內(nèi)力矩Mmax達(dá)到帶鋼彈性變形極限力矩時(shí)，對(duì)應(yīng)中心處最大撓度h。當(dāng)帶鋼中心處的壓下量小于h時(shí)，無論壓下輥輥徑大小，帶鋼均不會(huì)發(fā)生塑性變形。

圖6 帶鋼完全包絡(luò)輥?zhàn)忧闆r

圖7 簡(jiǎn)支梁模型

糾偏輥糾正帶鋼是依靠帶鋼和輥面摩擦力來實(shí)現(xiàn)的。摩擦力越大，糾偏效果越好。因此，糾偏輥處包角應(yīng)根據(jù)計(jì)算值盡量放大；同時(shí)，由f=μ×Fn可知，在同等條件下，增大摩擦系數(shù)，可增大摩擦力。糾偏動(dòng)作時(shí)，輥面和帶鋼之間會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)?？紤]到汽車外板重卷機(jī)組表面要求高，為避免帶鋼二次劃傷的風(fēng)險(xiǎn)，此處糾偏輥的材質(zhì)一般不采用大粗糙度的碳化鎢輥或鍍鉻輥，而采用輥面包膠處理。

2.4 卷取機(jī)自動(dòng)糾偏(EPC)

卷取機(jī)自動(dòng)糾偏裝置(EPC)做為重卷機(jī)組最后一個(gè)調(diào)整手段，對(duì)卷取成品質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。如圖8所示卷取機(jī)自動(dòng)糾偏對(duì)邊布置，傳感器連續(xù)實(shí)時(shí)檢測(cè)帶鋼被檢測(cè)單邊的位置，反饋到控制器，控制器比較分析后通過液壓伺服閥驅(qū)動(dòng)液壓缸，液壓缸帶動(dòng)卷筒跟隨帶鋼移動(dòng)，達(dá)到精確卷取的目的。卷取機(jī)的糾偏方式與開卷機(jī)和圓盤剪的CPC糾偏方式不同，傳感器應(yīng)放置在出口轉(zhuǎn)向輥前。卷取機(jī)是對(duì)帶鋼單邊位置進(jìn)行跟蹤，而不是對(duì)帶鋼位置的偏差進(jìn)行糾正。因此，卷取機(jī)與開卷機(jī)處糾偏原理和元件布置是相反的。

圖8 卷取機(jī)自動(dòng)糾偏對(duì)邊布置

EPC自動(dòng)糾偏對(duì)邊的精度保證值為≤±0.5 mm，塔形及溢出邊要求≤2.0 mm 。卷取機(jī)要求在檢測(cè)到入帶位置并保持不變，通過改變卷取機(jī)位置完成對(duì)邊，因此要求出口轉(zhuǎn)向輥能“抓牢”帶鋼，所以轉(zhuǎn)向輥須固定且?guī)т撛谵D(zhuǎn)向輥處要有較大的包角。當(dāng)出口轉(zhuǎn)向輥和卷取機(jī)芯軸距離一定時(shí)，弧長(zhǎng)公式為

式中，n為帶鋼包角；D為夾送輥直徑。

可知，帶鋼與出口轉(zhuǎn)向輥的接觸面積與帶鋼的包角和轉(zhuǎn)向輥的直徑有關(guān)。因此，出口轉(zhuǎn)向輥設(shè)計(jì)為大輥徑，可增大帶鋼的包角，提高糾偏效果。本重卷機(jī)組的轉(zhuǎn)向輥輥徑設(shè)計(jì)直徑800 mm,大于首鋼京唐其它重卷機(jī)組的轉(zhuǎn)向輥輥徑。同時(shí)，為滿足上下卷取的需求，出口轉(zhuǎn)向輥與卷取機(jī)芯軸標(biāo)高設(shè)計(jì)相同，經(jīng)使用驗(yàn)證，效果良好。

另外，從機(jī)組的布置位置上看，糾偏液壓缸布置在卷取機(jī)橫移底座上，EPC的檢測(cè)單元布置在出口轉(zhuǎn)向輥之前，這意味著，在帶頭卷取到芯軸并建張之前，EPC裝置不能投用，因此，要求EPC的檢測(cè)單元至卷取機(jī)的距離必須盡可能短，以盡量減小由于帶頭偏移造成的內(nèi)圈塔形缺陷。

3 結(jié)論

本文結(jié)合汽車板重卷機(jī)組對(duì)成品高要求，分別闡述了某重卷機(jī)組糾偏系統(tǒng)的開卷機(jī)糾偏、圓盤剪糾偏、卷取機(jī)糾偏的不同特點(diǎn)。對(duì)圓盤剪自動(dòng)糾偏裝置的模型和糾偏輥的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用情況來看，本機(jī)組配置的三套糾偏裝置對(duì)于提高產(chǎn)線的卷取質(zhì)量和減少因糾偏導(dǎo)致的劃傷缺陷等方面起到了良好的效果。