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)軋機(jī)無疑是一種最經(jīng)濟(jì)的選擇。說它是試驗軋機(jī)，就目前而言在我公司是第一臺。

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。

通過多年實踐經(jīng)驗積累，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、液壓系統(tǒng)、電氣和自動化系統(tǒng)設(shè)計和制造方面，都達(dá)到了世界一流的水平?，F(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??；

●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多用途爐卷試驗軋機(jī)簡介

1600mm多用途爐卷試驗軋機(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)配置兩臺帶有爐內(nèi)卷筒的加熱爐，在板坯往復(fù)軋制過程中對坯料進(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要求，簡稱多用途爐卷試驗軋機(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)械電動壓下加液壓壓上的控制模式。現(xiàn)代化的液壓自動厚度控制系統(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)可實現(xiàn)2輥、4輥、3輥不同輥系軋制，滿足不同試驗條件。2輥軋制時利用兩個支承輥直接驅(qū)動；4輥軋制時利用兩個支承輥直接驅(qū)動，中間再放入兩個工作輥；3輥軋制時利用兩個支承輥直接驅(qū)動，中間再放入一個工作輥；

●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，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要求；

●配置成品卷取機(jī)，兼顧爐卷熱軋的試驗需求及其產(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)留二級系統(tǒng)接口，現(xiàn)代二級自動化控制系統(tǒng)可根據(jù)來料情況、軋機(jī)限制、軋制動態(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

1600mm多用途爐卷試驗軋機(jī)液壓伺服系統(tǒng)由泵站、伺服閥臺、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，每個壓下油缸采用流量大小不同的兩個伺服閥控制，壓下油缸空載工作時兩個伺服閥同時工作，有載工作時小流量伺服閥工作，這樣既滿足了壓下油缸空行程時的快速移動又保證軋制時輥縫精確控制；

●該試驗軋機(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)計算方法

3.2.1 最大負(fù)載力計算

按公式(1)力平衡方程計算負(fù)載壓力：

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

(1)

式中，PL為軋制時的負(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)所有移動部分的質(zhì)量，M=G/g；G為折算到壓下油缸上所有移動部分的重量；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為一個壓下油缸所承受的最大軋制力；Pf為可動部分的摩擦力；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)計算時可忽略不計；可動部分摩擦力Pf為壓下油缸活塞及其驅(qū)動的軋機(jī)上輥系運(yùn)動時產(chǎn)生的摩擦力，在整個液壓伺服控制系統(tǒng)中，摩擦力是一個非線性量，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)計和設(shè)備制造時，對摩擦力均有嚴(yán)格的要求。根據(jù)有關(guān)資料，軋機(jī)上輥系運(yùn)動時產(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)，可計算出不同軋制力下的負(fù)載壓力，軋制力達(dá)到最大時，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，可按兩個壓力等級來設(shè)計系統(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)載流量的計算及系統(tǒng)泵站流量的確定

每個壓下油缸的最大負(fù)載流量為QLmax=VPmax×A；式中，A為壓下油缸活塞腔面積；VPmax為每個壓下油缸的最大壓下速度。在軋制過程中，油缸并不是時刻都以最大速度動作，也不是所有壓下油缸都同時以最大速度動作。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；同時彎輥控制系統(tǒng)是一個壓力閉環(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 伺服閥臺原理及控制

圖2為伺服閥臺原理圖。其控制方法為：(1)軋機(jī)靠零，兩個伺服閥2和3同時工作，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，兩個伺服閥2和3同時工作，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算方法

自動控制系統(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，活塞不直接接觸油缸蓋，同時考慮到換輥的需要，壓下油缸實際工作最大行程比工作時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)計時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)計液壓伺服系統(tǒng)時盡量把伺服閥臺放置在靠近壓下油缸比較近的位置。同時，設(shè)計壓下油缸實際工作最大行程SWmax時在滿足換輥、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多用途爐卷試驗軋機(jī)液壓伺服系統(tǒng)的主要特點(diǎn)、系統(tǒng)設(shè)計和參數(shù)計算方法。通過壓下油缸的受力分析及其液壓固有頻率計算公式的推導(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)計提供參考。

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