趙寶華

（寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201900）

0 前言

在冷軋軋制時(shí)，要求軋制線始終保持在固定的高度位置[1]。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了保證帶鋼表面質(zhì)量，生產(chǎn)一段時(shí)間就需要對(duì)軋輥進(jìn)行磨削，加上軋制過程中軋輥的磨損，軋輥的輥徑就會(huì)不斷地變小，從而導(dǎo)致軋制線高度發(fā)生變化。為了保持軋制線高度的恒定，就需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整，軋制線調(diào)整裝置就是用來(lái)補(bǔ)償軋輥磨削變小，保證軋制線高度不變的裝置。軋制線調(diào)整裝置有很多種，按驅(qū)動(dòng)力分為液壓式、電動(dòng)式以及液壓-電動(dòng)聯(lián)合式等，結(jié)構(gòu)也有很多種，有調(diào)整墊式和斜楔式。調(diào)整墊式就是每次磨輥后根據(jù)輥?zhàn)拥哪ハ髁坑?jì)算出調(diào)整墊的厚度，然后根據(jù)需要在支撐輥軸承座與牌坊窗口之間添加調(diào)整墊，使保持軋制線高度恒定。斜楔式是通過動(dòng)力裝置推動(dòng)帶有斜面的斜板運(yùn)動(dòng)，從而改變墊在支撐輥軸承座和牌坊窗口之間斜板的有效厚度變化實(shí)現(xiàn)保持軋制線高度恒定的目的。階梯墊調(diào)整需要先把支撐輥軸承座與牌坊窗口之間預(yù)留出空隙，加上調(diào)整墊后再靠緊，還需要調(diào)整調(diào)整墊的厚度，動(dòng)作比較復(fù)雜費(fèi)時(shí)，但是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整量大。理論上斜楔調(diào)整的變化量是連續(xù)無(wú)須可調(diào)的，調(diào)整精度高，但是由于受空間和自鎖角度限制，斜楔不能做得很長(zhǎng)，因此調(diào)整量有限。斜楔式調(diào)整更方便，由于隨著軋輥熱處理能力的加強(qiáng)，軋輥的磨輥量越來(lái)越大，單憑斜楔已經(jīng)無(wú)法滿足調(diào)整量的需求[2]，因此出現(xiàn)了斜楔和階梯墊復(fù)合式調(diào)整機(jī)構(gòu)，這種新的結(jié)構(gòu)具有大調(diào)整量和精確調(diào)整2種特點(diǎn)，所以很快得到了普遍應(yīng)用。斜楔和階梯墊復(fù)合式設(shè)備結(jié)構(gòu)的軋制線調(diào)整裝置是我們討論的主題。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

斜楔和階梯墊復(fù)合式結(jié)構(gòu)的軋制線調(diào)整裝置一般安裝在機(jī)架的頂部，位于上支撐輥軸承座和牌坊窗口之間，主要由上部的斜楔和下部的階梯墊組成，2個(gè)部分之間通過“T”形滑槽相連。斜楔和階梯墊的尾部分別安裝了1個(gè)油缸，通過油缸推動(dòng)斜楔和階梯墊橫向移動(dòng)，達(dá)到調(diào)整軋制線標(biāo)高的目的。階梯墊用于粗調(diào)，其高度方向分為幾個(gè)臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階為固定高度值，并且等差，因此只能階躍式地調(diào)節(jié)固定高度值。斜楔用于精調(diào)，其高度方向?yàn)?個(gè)連續(xù)斜面，可以無(wú)極調(diào)節(jié)階梯墊1個(gè)臺(tái)階高度值之間的任意值。兩者相互配合，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的無(wú)極調(diào)節(jié)，滿足補(bǔ)償新舊軋輥?zhàn)兓鸬娜我廛堉凭€高度變化值，達(dá)到精確定位軋制線高度的目的。

不同的調(diào)節(jié)范圍的斜楔和階梯墊復(fù)合式結(jié)構(gòu)的軋制線調(diào)整裝置的參數(shù)略有不同，但是都大同小異，為了研究方便，該文以某廠的平整機(jī)軋制線調(diào)整裝置為目標(biāo)進(jìn)行研究。

斜楔主要參數(shù)包括以下3個(gè)：1） 斜度。tanα=1/20；行程為750 mm。2） 高度調(diào)節(jié)范圍。ΔH2=80 mm～117.5 mm。3） 推動(dòng)油缸規(guī)格為Φ125/Φ70×800 mm（行程）。

階梯墊主要參數(shù)包括以下3個(gè)：1） 每個(gè)階梯高度。ΔH=37.5 mm。2） 臺(tái)階數(shù)。n=4階。3） 高度調(diào)節(jié)范圍為60.0 mm、97.5 mm、135.0 mm，172.5 mm；相鄰臺(tái)階水平方向間隔為l1=180 mm；推動(dòng)油缸規(guī)格為Φ80/Φ45×720 mm（行程）。

斜楔和階梯墊調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。軋機(jī)牌坊頂部的下方安裝了與斜楔斜面配合的固定斜塊，上支撐輥軸承座頂部安裝了與階梯墊接觸的弧形板。在圖1中，D1為上支撐輥直徑，D2為上中間輥直徑，D3為上工作輥直徑，H1、H4為固定值。軋制線調(diào)整裝置的目的為通過調(diào)整斜楔H2、階梯墊H3來(lái)補(bǔ)償D1、D2、D3的變化，保證H值不變。

2 控制數(shù)學(xué)模型

2.1 斜楔控制數(shù)學(xué)模型

如圖2所示，H2值的變化是通過斜楔油缸推動(dòng)斜楔移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。H2的具體值由位移傳感器測(cè)量斜楔移動(dòng)的距離S2，然后通過斜楔的斜度可以計(jì)算得到，具體表達(dá)式如公式（1）和公式（2）所示。

根據(jù)公式 （1）和公式（2）可以得到新的表達(dá)式，如公式（3）所示。

式中：H20為斜楔S=0時(shí)的初始值，為1個(gè)固定值80 mm。

斜楔的斜度為tanα=1/20，由此可得研究對(duì)象斜楔高度H2的表達(dá)式，如公式（4）所示。

2.2 階梯墊控制數(shù)學(xué)模型

如圖3所示，H3值的變化通過階梯墊油缸推動(dòng)階梯墊移動(dòng)實(shí)現(xiàn)。H3的具體值由位移傳感器測(cè)量階梯墊移動(dòng)的距離，然后通過測(cè)量數(shù)值確定臺(tái)階的數(shù)量計(jì)算得到。具體表達(dá)式如公式（5）所示。，可求得S1數(shù)值，

式中：H0為S1=0時(shí)的初始值，為1個(gè)固定值60 mm；ΔH為階梯墊相鄰2個(gè)臺(tái)階之間的高度差，也為1個(gè)固定值37.5 mm。

n由公式求得，n的取值為正整數(shù)。研究對(duì)象的S1的變化量mm，由此可得新表達(dá)式，如公式（6）所示。

2.3 斜楔和階梯墊控制數(shù)學(xué)模型

圖1 斜楔和階梯墊調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)圖

由圖1斜楔和階梯墊的結(jié)構(gòu)可以得到表達(dá)式，如公式（7）所示。

通用公式中一般H、H1、H20、α、H0、H4以及都是常量，只有S1、S2、D3個(gè)量是變量。該通用公式既適用于六輥軋機(jī)和平整機(jī)，也適用于四輥的軋機(jī)和平整機(jī)軋制線調(diào)整裝置。

通過上式可以看出，式中H為要保證的恒定值，為了保證H數(shù)值不變，需要通過調(diào)整S1和S2數(shù)值的變化來(lái)抵消D的變化。如果ΔD為輥徑相對(duì)于最大輥徑時(shí)的磨輥量，整數(shù)部分取為n值，由小數(shù)部分乘以即為ΔH2值，由公式（9）

可求得S2數(shù)值。S1即為階梯墊的移動(dòng)距離，通過階梯墊油缸推動(dòng)，位移傳感器測(cè)量監(jiān)控，使階梯墊到達(dá)要求位置，完成階梯墊的調(diào)整。但是一般為了簡(jiǎn)化計(jì)算，直接列出D的取值范圍與S1的對(duì)應(yīng)關(guān)系表格，根據(jù)表格中D值所在的范圍對(duì)應(yīng)得到S1的值。S2即為斜楔的移動(dòng)距離，通過斜楔油缸推動(dòng)，位移傳感器測(cè)量監(jiān)控，使斜楔到達(dá)要求位置，完成斜楔的調(diào)整。研究對(duì)象的S1、S2數(shù)值的具體確定方法如下。

由于研究對(duì)象的H1=105 mm；H4=920 mm；將H2、H3代入上式，可得表達(dá)式，如公式（10）所示。

其中S1的取值為-200 mm、0 mm、180 mm、360 mm和540 mm 5個(gè)值，換輥時(shí)取S1=-200 mm，其他具體取值情況由上支撐直徑D1、上中間輥直徑D2、上工作輥直徑D3決定，換輥前通過測(cè)量得到D1、D2、D3的值，并輸入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過計(jì)算結(jié)果，根據(jù)D數(shù)值大小按表1取值。

圖2 斜楔調(diào)整原理圖

圖3 階梯墊調(diào)整原理圖

表1 輥徑與斜楔行程對(duì)應(yīng)表

從表1中取得的S1數(shù)值，即為階梯墊的移動(dòng)距離，通過階梯墊油缸推動(dòng)，位移傳感器測(cè)量監(jiān)控，使階梯墊到達(dá)要求位置，實(shí)現(xiàn)研究對(duì)象階梯墊的調(diào)整。

斜楔移動(dòng)距離S2，如公式（11）所示。

求得的S2數(shù)值后，通過斜楔油缸推動(dòng)，位移傳感器測(cè)量監(jiān)控，使斜楔到達(dá)要求的位置，完成研究對(duì)象斜楔的調(diào)整。

3 液壓和電氣控制

斜楔和階梯墊調(diào)整都是由尾部的油缸推動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，高的調(diào)整速度可以節(jié)省調(diào)整所用的時(shí)間，同時(shí)調(diào)整到位時(shí)停止定位精度不高，影響了整個(gè)軋制線調(diào)整裝置的精度，尤其是斜楔的調(diào)整精度。低的調(diào)整速度可以得到高的停止定位精度，但是整個(gè)調(diào)整過程要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間，無(wú)法滿足機(jī)組對(duì)換輥時(shí)間的限制要求。為了兼顧短時(shí)間和高精度2個(gè)特點(diǎn)，斜楔和階梯墊的調(diào)整采用了2個(gè)閥相配合的方式進(jìn)行高速和低速控制。當(dāng)斜楔和階梯墊調(diào)整時(shí)，離目標(biāo)位置較遠(yuǎn)時(shí)采用高速調(diào)整；當(dāng)接近目標(biāo)位置時(shí)，采用低速調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)短時(shí)間高精度調(diào)整的目的。

3.1 液壓控制

斜楔和階梯墊調(diào)整液壓控制系統(tǒng)都采用2組三位四通電磁閥并聯(lián)控制同一個(gè)油缸的方式進(jìn)行控制，通過控制液壓缸的動(dòng)作可以滿足斜楔和階梯墊快速大行程粗調(diào)整和低速精確停止定位要求。斜楔和階梯墊的液壓控制原理相同，具體液壓原理如圖4所示，電磁閥動(dòng)作順序表見表2。

表2 電磁閥動(dòng)作順序表

圖4液壓原理圖中有1組三位四通電液液壓控制閥D3H-1，有1組三位四通電磁液壓控制閥D3H-2，2組液壓閥結(jié)構(gòu)和功能基本一致。這2組電磁閥根據(jù)需要共同控制同一個(gè)液壓缸的動(dòng)作，另外，原理圖中的2組液壓閥回路中都有液控單向閥，在斜楔和階梯墊達(dá)到調(diào)整目標(biāo)之后可以用來(lái)鎖住液壓缸，防止液壓缸位置發(fā)生變動(dòng)，影響調(diào)整成果。

圖4 斜楔和階梯墊調(diào)整液壓原理圖

從表2可以看出，液壓缸低速調(diào)整時(shí)僅使用電液閥D3H-01進(jìn)行控制，此時(shí)電磁閥D3H-02處于中位位置，該回路上的液控單向閥處于鎖緊位置，無(wú)液壓油通過；液壓缸高速調(diào)整時(shí)電磁閥D3H-01和D3H-02共同起作用，由于動(dòng)作相同，起到了增加流量的作用，因此提高了液壓缸動(dòng)作的速度，達(dá)到高速調(diào)整的目的；液壓缸處于停止位置時(shí)，電磁閥D3H-01和D3H-02都處于中位位置，此時(shí)2個(gè)回路上的液控單向閥都處于鎖緊位置，無(wú)液壓油進(jìn)出油缸，油缸處于液壓鎖緊狀態(tài)。

3.2 電氣控制

軋制線調(diào)整裝置電氣控制采用西門子S7-400可編程控制器和ET200分布式遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)。S7-400的CPU負(fù)責(zé)邏輯運(yùn)算，ET-200輸入、輸出模塊及PROFIBUS總線負(fù)責(zé)信號(hào)的采集和命令輸出。整個(gè)程序最大循環(huán)周期為200 ms。新輥輥徑數(shù)據(jù)在磨完輥后由人工輸入HMI得到，根據(jù)新輥徑數(shù)據(jù)和軋制線調(diào)整數(shù)學(xué)模型可以計(jì)算得到斜楔和階梯墊的調(diào)整量?？刂葡到y(tǒng)通過控制電磁閥的開斷時(shí)間來(lái)控制斜楔和階梯墊調(diào)整液壓缸的行走距離，而位移傳感器則用來(lái)測(cè)量斜楔和階梯墊的實(shí)際位置，起到確認(rèn)位置并反饋的作用。位移傳感器采用MTS的RH系列磁致伸縮線性位移傳感器，測(cè)量行程900 mm，分辨率0.001 mm，程序的控制流程如圖5所示[3]。

圖5 流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)軋制線調(diào)整裝置的斜楔和階梯墊的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行分析，分別得到斜楔和階梯墊的調(diào)整數(shù)學(xué)模型；然后將斜楔和階梯墊的數(shù)學(xué)模型結(jié)合起來(lái)，得到了斜楔階梯墊軋制線調(diào)整裝置控制通用的數(shù)學(xué)模型；最后從液壓和電氣2個(gè)方面對(duì)控制原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，提供了1種斜楔階梯墊軋制線調(diào)整裝置通用的控制方法，并且對(duì)該結(jié)構(gòu)的軋制線調(diào)整裝置的控制有了全面的認(rèn)識(shí)和理解，為進(jìn)一步改進(jìn)和提高控制系統(tǒng)精度提供了條件。