樊 鵬

（山西工程職業(yè)學院，山西 太原 033000）

在鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)進行板帶鋼生產(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，對板帶軋機的效率和控制精度提出了較高的要求。在板帶軋機作業(yè)過程中，主要通過液壓系統(tǒng)對板帶的厚度及精度進行控制，鋼板進行軋制的過程是復雜的非線性系統(tǒng)動態(tài)過程[2]。在板帶軋機的液壓系統(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板帶軋機的控制精度具有重要的影響。在液壓缸的應用過程中，液壓缸內(nèi)部結(jié)構的磨損及異常，影響自身摩擦力的大小[3]，從而造成液壓缸性能的變化。針對板帶軋機應用過程中液壓缸摩擦力的變化，搭建相應的實驗平臺，依據(jù)摩擦力的變化對液壓缸的性能變化進行分析[4]，從而對液壓缸的維護使用提供指導，保證液壓缸的使用，提高板帶軋機的控制精度。

1 板帶軋機液壓缸摩擦力實驗系統(tǒng)搭建

液壓缸作為板帶軋機液壓控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件，內(nèi)部摩擦力的變化對液壓缸的速度及位移等性能具有不同的影響作用。搭建摩擦力實驗系統(tǒng)采集相應的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)信號進行處理，從而分析摩擦力的影響作用[5]。液壓缸摩擦力實驗原理如圖1所示，實驗臺包括液壓部分、電路部分及軟件控制部分，通過液壓泵驅(qū)動液壓缸運動[6]，在溢流閥的作用下進行供油壓力的調(diào)節(jié)，通過壓力傳感器進行液壓缸內(nèi)部壓力信號的采集，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，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號，控制液壓閥的動作，從而控制液壓缸的運動[7]，并在液壓缸中安裝位移傳感器進行位移信號的采集。

圖1 液壓缸摩擦力實驗臺示意圖

實驗系統(tǒng)采用板帶軋機使用的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型號溢流閥進行控制，最大工作壓力為630 MPa，最大流量為330 L/min。實驗過程中對液壓缸數(shù)據(jù)的采集是重要的內(nèi)容，采用拉線式位移傳感器SH700進行位移的測量，測量行程為0～700 mm，可實現(xiàn)1 000 mm/s往復速度下的準確測量，具有較高的檢測精度及較高的使用壽命[8]。壓力傳感器進行液壓缸左右兩側(cè)腔室內(nèi)的壓力檢測，將壓力的動態(tài)變化轉(zhuǎn)化為電信號，具有較高的測量精度，并能夠抵抗較高的沖擊力作用。實驗過程中，將壓力傳感器安裝在液壓缸的管路上，盡量縮短安裝時使用的液壓軟管長度，減小管路的變化對壓力產(chǎn)生的變化作用。

采用LabVIEW軟件進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的測試，通過軟件完成對液壓缸數(shù)據(jù)的采集，并控制相關硬件運動。通過LabVIEW與NI數(shù)據(jù)采集卡相結(jié)合[9]，形成閉環(huán)控制，并對液壓缸的摩擦力進行測定分析。

2 板帶軋機液壓缸摩擦力變化對性能變化的影響

液壓缸的摩擦力是系統(tǒng)動態(tài)特性的重要參數(shù)，在系統(tǒng)的動態(tài)信號中存在著摩擦力的動態(tài)變化。為簡化對摩擦力的控制，對系統(tǒng)輸入正弦信號，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，液壓缸的運行變化如下頁圖2所示，伺服閥控制液壓缸的正弦信號，在換向的過程中，由于控制力不足會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 輸入信號的位移變化

在實驗系統(tǒng)中對于液壓缸的速度無法采用速度傳感器進行采集，通過位移信號進行速度及加速度的計算，會對速度及加速度信號有一定的干擾，需對速度進行一定的降噪處理。對系統(tǒng)輸入圖2所示的正弦信號，在不同的信號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中對不同階段的正弦信號進行分析，系統(tǒng)的摩擦力可以分為A、B兩個階段。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（預滑動階段）；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（宏觀滑動階段）[11]。在預滑動階段中，液壓缸的速度在零值附近，此時速度由負轉(zhuǎn)正，此時的位移量最小，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。此時的液壓缸速度最小，摩擦力達到最大值，最大值即為最大摩擦力[12]。隨著速度的增加，液壓缸內(nèi)部的關聯(lián)點發(fā)生斷裂，此時進入宏觀滑動階段，則摩擦力呈現(xiàn)下降的趨勢，下降的變化曲線與液壓缸內(nèi)部的材質(zhì)相關。

圖3 液壓缸摩擦力、速度、位移的變化曲線

在摩擦力由A階段的預滑動轉(zhuǎn)變?yōu)锽階段的宏觀滑動時，存在著摩擦過沖的現(xiàn)象，即圖3中的C階段。此時液壓缸的速度由零值增加，摩擦力會達到極值，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滑動位移，摩擦滯回曲線與位移變化的關系如圖4所示。

圖4 摩擦力-位移摩擦滯回曲線

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

3 結(jié)語

板帶軋機是煉鋼廠進行鋼鐵軋制的重要設備，軋機通過液壓系統(tǒng)進行控制，對于液壓缸的運行精度具有較高的要求。在液壓缸的使用過程中，由于長時間的使用或磨損，內(nèi)部的摩擦力產(chǎn)生變化，對液壓缸的運行速度及位移造成影響。針對摩擦力的影響作用，采用搭建實驗系統(tǒng)的方式進行實驗分析，對系統(tǒng)的位移及壓力進行信號采集，并轉(zhuǎn)化為速度信號。采用LabVIEW控制軟件輸入正弦變化的速度信號，經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，液壓缸的摩擦力與運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。在進行液壓缸的使用過程中，應加強對液壓缸的檢修，減小摩擦力的作用，提高液壓缸運行的精度，保證板帶軋機的運行。