1600mm多用途炉卷试验轧机液压伺服系统设计.pdf

第 4 3卷第2期 2 0 1 4年 4月 有色金属加工 NONF ERROUS MET AL S PROCES Sl NG VO 1 ． 4 3 No ． 2 Ap r i l 2 0 1 4 1 6 0 0 m m多用途炉 卷试验轧机液压伺服 系统 设计 韩 吕昌 中色科技股份有限公司， 河南 洛阳 4 7 1 0 3 9 摘要 文中列举了炉卷轧机在黑色冶金行业的成功应用， 结合我公司第一台 1 6 0 0 mm多用途炉卷试验轧机的组成和主 要技 术特点 ， 着重介 绍了该轧机液压伺服系统 的特点 、 基本组成 和设计方 法。 关键 词 多用途炉卷试验 轧机 ； 特点 ； 组成 ； 设计 中图分类号 T G 3 3 3 ． 7 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 6 7 9 5 2 0 1 4 0 2 0 0 3 9 0 4 随着经济快速发展和科学技术不断进步 ， 全球范 围内铜 、 铝 、 镁 、 钛等金属及其合金广泛应用于家电产 品及汽车领域 ， 消费量迅猛增长 。要在一 台设备上满 足上述多用途 、 多规 格产 品的生产 ， 多用 途炉卷 试 验 轧机无疑 是一种 最经济 的选择 。说它是 试验 轧 机 ， 就 目前而言在我公司是第一台。 黑色金属行业的炉卷轧机技术代 表 了当前炉卷 轧机 的新水平。其在轧制产品中具有多重优点 ， 一方 面可 以满足中厚板轧制到带材带卷轧制的厚度变化 ； 另一方面又能满足不 同材料的轧制需求 ， 黑色金属如 低碳 钢 、 高强度 钢 、 不 锈钢板 等 ， 有色金属 如铜 、 铝 、 镁 、 钛等金属及其合金等； 是一种产 品规格变化灵活 、 适应性广的设备 。 通过多年实践经验积累 ， 我国的炉卷轧机在黑色 金属行业从生产工艺、 机械设计 、 液压系统 、 电气 和 自 动化系统设计 和制造 方面 ， 都达 到了世界 一 流 的水 平 。现代炉卷轧机具有以下优点 ●所需设备少 、 建筑面积小 ； ●建 设 工作 量 少 ， 建 设 周 期 短 、 上 马 快 、 管 理 容易 ； ●是单机架也可 以是 多机架可逆式生产 ， 适 于生 产用途规格多 、 单位批量少 的产品 ； ●生产过程中带材是在保温炉 中保温 ， 带材边部 温度较高 ， N L NH , 不易发生裂边现象 ； ●适于轧制生产高强度材料及合金材料 ； ●采用层流冷却技术改善产 品的机械性能 ； ●由于采用 了现代技术 ， 产品质量达到国家标准 要求。 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 0 9 作者简介 韩吕昌 1 9 7 6一 男， 高级工程师。 综上所述 ， 炉卷轧机在黑色金属行业 中已经很成 熟 ， 而在我公司才刚刚起步。 1 1 6 0 0 mm 多用途炉卷试验轧机简介 1 6 0 0 mm多用途炉卷试验 lJ O L 是一种生产热轧带 材的可逆式单机架双炉卷轧机 ， 可逆式单机架轧机的 两侧配置两台带有炉内卷筒 的加热 炉， 在板坯往复轧 制过程中对坯料进 行补充加热 ， 提高轧制效率 ， 可减 少轧机数量 ， 投资少 、 收益高。具备铜 、 铝 、 镁 、 钛及其 合金在高温下带张力炉卷热轧条件 ， 适应多用途／ J t t 量金属轧制工艺的试验要求 ， 简称多用途炉卷试验轧 机 ， 如图 1所示 。 2 机组主要技术特点 ●轧机采用长行程油缸全液压压下 ， 改进了机械 电动压下加液压压上 的控制模式 。现代化 的液压 自 动厚度控制系统具有快速扫描和响应速度 ， 为带材厚 度控制提供 了强有力 的保障 ； ●轧机可实现 2辊 、 4辊 、 3辊不 同辊 系轧制 ， 满 足不同试验条件 。2辊轧制时利用两个支承辊直接驱 动 ； 4辊轧制时利用两个支承辊直接驱动 ， 中间再放人 两个工作辊 ； 3辊轧制时利用两个支承辊直接驱动 ， 中 问再放入一个工作辊 ； ●轧机配置有轧边辊 ， 可参 与多道次滚边 ， 控制 宽展 、 减少裂边 ； ●配置在线淬火冷却装置 ， 控制带材温度 ， 改善 带材质量 ； 有色金属加工 第4 3卷 4 1一淬火及冷却装置 ； 2一剪前导尺 ； 3一重 型液压剪 ； 4一左卷取 加热炉 机 ； 5一左送料装置 ； 6一左夹送偏导装置 ； 7一工作辊道 ； 8一导尺 ； 9一轧机本体 带轧边辊 ， 左右机架辊 ； 1 0一轻型液压剪 ； 1 1一右夹送偏导装置 ； 1 2一右送料装置 1 3一右卷取 加热炉 机 ； 1 4一夹送偏导装置 ； 1 5一成品卷取机 ； 1 6一卸卷车 图 1 1 6 0 0 ram多用途炉卷试 验轧机主要组成 F i g ． 1 M a j o r c o m p o n e n t s o f 1 6 0 0 m m p i l o t m u l t i p u r p o s e S t e c k e l m i l l ●配置左右卷取加热炉 ， 改善带材头尾温差 ， 确 保终轧温度 。底部封闭的炉子设计 ， 节能并可更好地 控制炉 内温度 ， 减少带材氧化 、 改善带材表面质量 ， 具 备镁钛及其合金 的带张力炉卷热轧条件 ， 适应 多用途 金属轧制工艺的试验要求 ； ●配置成品卷取机 ， 兼顾炉卷热轧的试验需求及 其产业化的扩展； ●轧制线采用垫块梯度调整 ； ●液压系统采用国产元器件 ； ●机组 电控 系统预留二级系统接 口， 现代二级 自 动化控制系统可根据来料情况 、 轧机限制 、 轧制动 态 参数 ， 利用数 学模型来 制定 最佳道次 分配 等工艺 策 略。现代 自动化控 制系统都有较好 的 自适应 功能和 响应速度 ， 极大地改善 了张力控制 、 穿带速度 、 穿带准 确率 、 前馈层流冷却控制和板型控制 。 3 液压伺服 系统 的主要特 点及 其设计 1 6 0 0 ra m多用途炉卷试验轧机液压伺服系统 由泵 站 、 伺服 阀台 、 压下油缸和其它电器控制装置等组成。 采用恒压变量泵 蓄能器作为油源 ， 其 中泵站包含高 位油箱 、 整体底盘 、 泵站 阀组 、 过滤器组和泵 电机装配 等； 伺服阀台包含伺服阀 、 电磁溢流 阀、 过滤器和蓄能 器等。液压伺服系统的主要特点有 ●系统流量大 ， 每个压下油缸采用流量大小不同 的两个伺服阀控制 ， 压下油缸 空载工作时两个伺服阀 同时工作 ， 有载工作时小 流量伺 服阀工作 ， 这样 既满 足了压下油缸空行程时 的快速移动又保证 轧制时辊 缝精确控制 ； ●该试验轧机采用全液压压下伺服系统 ， 结构紧 凑 ， 降低 了机座的总高度 ， 减少了厂房的投资 。 3 ． 1 液压伺服系统设计条件 上支承辊平衡油缸 1 8 0 ／ 1 2 51 0 3 0 m i ll 工作辊油缸 4 一 1 1 0 ／ 8 0 mm 上支承辊总量 2 2 0 k N 压下速度 ≤1 5 mm ／ s 轧制力 2 5 0 0 0 k N 最大弯辊力 1 2 5 0 k N 3 ． 2 液压伺服 系统参数计算方法 3 ． 2 ． 1 最大负载力计算 按公式 1 力平衡方程计算负载压力 P ￡ A Ma B P P P ， P o P P1 1 式中， P ， 为轧制时的负载油压 ； ／ 4 为压下油缸活塞 面积 ； 为算到压下油缸上 包括油缸 所有移动部分 的质量 ， M G ／ g ； G为折算到压下油 缸上所有移动部 分的重量 ； g为重力加速度 ； 。为压下加速度 ； B 为压 下油缸 的粘性 阻力 系数 ； V p 为压下速度 ； P为一个压 下油缸所承 受 的最 大轧制 力 ； P ， 为可动部 分 的摩擦 力 ； P n 为轧机每侧上支承辊组过平衡力 ； P 为轧机每 侧上工作辊正弯力 ； P． 为压下油缸活塞杆腔液压背压 压 力 。 公式 1 中， B 和式中其它力相 比很 小 ， 因此在进 行静态计算时可忽略不计 ； 可动部分摩擦力 P ， 为压下 油缸活塞及其驱动的轧机上辊系运动 时产 生的摩 擦 力 ， 在整个液压伺服控制 系统 中 ， 摩擦力是 一个非线 性量 ， 它将导致控制 系统 的非线性和滞后 ， 影响系统 控制精度 ， 故在 系统 设计 和设备制造 时， 对摩擦力均 第 2期 有色金属加 工 4 l 有严格的要求。根据有关资料， 轧机上辊系运动时产 生摩擦力应小于正常轧制压力的 0 ． 5 ％。 1 式中 可按 2 式估算 P s B 0 ． 0 0 5 P 2 式 中， 日 为 压下 油缸 本 身摩 擦 力。根 据 1 和 2 ， 可计算出不同轧制力下 的负载压力 ， ff L N力达到 最大时， 得到伺服 阀的最大负载压力 P ， 但考虑到 压下油缸的空行程较长， 可按两个压力等级来设计系 统泵站供油压力 ， 即低压大流量和高压小流量组成的 系统， 考虑伺服阀阀口自身的压降， 可初步确定系统 油源的工作压力 P 高 和 P 低。 3 ． 2 ． 2 最大负载流量的计算及 系统泵站流量的确定 每个压下油缸的最大负载流量为 Q 一x A； 式 中， 为压下油缸活塞腔面积 ； v p ⋯ 为每个压下油缸 的最大压下速度 。在轧制过程 中， 油缸并不是时刻都 以最大速度动作 ， 也不是所有压下油缸都 同时以最大 速度动作 。例如 根据质 量 流控制原 理 ， 控制 带材 厚 度， 除了辊缝控制外还主要依靠机组的速度控制和张 力控制 ， 在轧制过程中， 压下油缸的调整量非常小 ， 其 瞬间流量主要靠 蓄能器来补充 ； 同时弯辊控制系统是 一 个压力闭环控制系统 ， 在轧制过程中的调节主要是 弯辊力 的调节 ， 所 需流量很小 ， 泵 站流量 只需满足 两 个压下油缸最大压下速度 即可。 3 ． 3 液压伺服系统参数计算结果 系统高压压力 P 高 3 1 MP a ； 系统高压流量 1 7 2 L ／ m i n ； 系统低压压力 JP 】 低 1 7 M P a ； 系统低压流量 7 4 0 L ／ ra i n ； 背压压力 2 ／ 5 MP a ； 循环 背压 流量 2 9 6 L ／ rai n 。 3 ． 4伺服阀的选择方法 伺服阀是液压伺服系统中最关键的元件之一 ， 其 作用是将电气控制系统与执行机构连接起来 ， 伺服阀 性能的好坏直接影 响液压伺服系统 的控制精度。伺 服阀的最大负载流量 Q v p ～ X A； 式 中， 为 每 个压下缸的最大压下速度 ； A为压下油缸活塞面积 。 根据上述计 算得到 的最 大负载流量 、 负载压力 、 伺服阀压降及伺服阀额定流量等参数 ， 采用双伺 服阀 来控制。 3 ． 5伺服阀台原理及控制 图 2为伺服 阀台原理 图。其控制方法 为 1 轧 机靠零 ， 两个伺服阀2和 3同时工作 ， 电磁溢流阀 1 关 闭 ； 2 轧机开辊缝 、 正常调节 、 闭辊缝 ， 高压小流量伺 服 阀2工作 ， 低压大流量伺服 阀 3和电磁溢流 阀 1 关 闭； 3 轧机快速卸荷 ， 两个伺服阀 2和 3同时工作 ， 电磁溢流阀 1 打开。 1一电磁溢流 阀； 2一高压小流量伺服 阀； 3一低压大流量伺服 阀； 4一压力 阀 图 2 伺服 阀台原理 图 Fi g ． 2 S c h e ma t i c d i a g r a m o f s e r v o v a l v e s t a nd 3 ． 6 压下油缸固有频率的计算方法 自动控制系统的响应速度受 系统 中组 成元 件 的 最低 固有频率 ， 即压下油缸 固有 频率 的限制。因此 ， 压下油缸 固有频率是液压伺服 系统的一个重要指标。 可用图 3所示的简化模型示意图， 列 出如下方程 图 3 Fi g． 3 3 4 g 1 o A X S 2 ． 5 5 V l A s 1 X L l 6 v 2 o A R S 。 一S 一 2 ． 5 7 A s 2 L 2 8 式中， K 为压下油缸活塞腔液压弹簧刚度 ； p 。 为 4 2 有 色金属 ／ J , T 第 4 3卷 系统 的有效体积弹性模数 ； V 1 为压下油缸活塞腔液体 体积； V ， 为伺服阀至压下油缸活塞腔连接管路 内液体 体积 ； K 为压下油缸活塞杆腔液压 弹簧刚度 ； A 为压 下油缸活塞杆腔环形面积 ； 为压下油缸 活塞杆腔 液体体积 ； 为压力阀至压下油缸活塞杆腔连接管路 内液体体积 ； s 为压下油缸工作所需 的工作行程 ； A ． 为伺服阀至压下油缸活塞腔连接管路过流面积 ； L 为 伺服阀至压下油缸活塞腔连接管路长度 ； S w m a x 为压下 油缸工作所需的最大行程 ； A 娩为压力 阀至压下油缸活 塞杆腔连接管路过流面积 ； L 为压力 阀至压下油缸活 塞杆腔连接管路长度。 为 了在压下油缸下降到其最大行程时 ， 活塞不直 接接触油缸盖 ， 同时考 虑到换 辊 的需要 ， 压下 油缸实 际工作最大行程 比工作时需要的最大行程要大 5 ra m， 活塞腔和活塞杆腔各为 2 ． 5 mm。根据 图3可知 ， 压下 油缸总的液压弹簧刚度为 K Kl K 2 9 压下油缸的液压固有频率可按公式 1 0 计算 ／ 1 0 V U 由式 3 、 4 、 5 、 7 、 9 和 1 0 可 以得 到 1 1 式 [ ] 从 1 1 式 中可看 出， 压下油缸液压 固有频率 ∞ 的大小取决于伺服系统的有效体积弹性模数 B 、 压下 油缸活塞面积 和压下油缸活塞杆腔环形面积 、 压 下油缸实际工作最大行程 s 、 伺服阀至压下油缸活 塞腔连接管路内液体体积 、 压力 阀至压下油缸活塞 杆腔连接管路内液体体积 ／ 2 ， 折算 到压下油缸上所有 移动部分的重量 G等因素的影响 ， 要提高压下油缸 的 液压固有频率 ， 必须增大 B 、 A和 A ， 减小 S 、 、 和 G， 但增大 4和 往往受到轧机牌坊窗 口的限制 ； 同时 4取得过大 ， 液压 系统流量 和伺服 阀相应增大 ， 这是不经济 的。因此 ， 在设计时压下油缸 的直径一般 是根据轧机牌坊窗 口尺寸和最大轧制力要求来确定。 为 了减小 、 ， 在设计液压伺服 系统 时尽量把伺服 阀台放置在靠近压下油缸 比较近的位置 。同时 ， 设计 压下油缸实 际工作最大行程 s ‰ 时在满足换辊 、 最小 辊径等要求 的前提下 ， 尽可能取小值。B 值取决于系 统的连接管路和液压油 中气体的浓度等 ， 要提高 p 取 值 ， 必须提高连接管路 和油 缸工作腔 的机械 刚度 ， 同 时尽可能排尽油液中的气体。 4 结束语 本文着重介绍了 1 6 0 0 ra m多用途炉卷试验轧机液 压伺服系统 的主要特 点 、 系统设计 和参 数计 算方法。 通过压下油缸 的受力分析及其 液压 固有频率计算公 式 的推导 ， 指出了影 响压下油缸 固有频率的因素 。本 文的阐述 可 为今 后轧 机液 压伺 服 系 统 的设 计 提供 参考 。 参考文献 [ 1 ] 冶金工业部有色金属加工设计研究院． 板 带车间机械设 备设计 _I二 册 [ M] ． 北京 冶金工业 出版社 ， 1 9 8 3 ， 3 2 9 3 5 2 ． [ 2] 王贤琳 ． 冷轧带钢 轧机液压 自动辊缝 控制 A GC 系统 设{ } ‘ 计算 [ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 4， 1 ． [ 2] 杨 节． 轧制过程数学模型 [ M] ． 北京 冶金工业 出版社 ， 1 9 8 1 ． [ 3] 王春行 ． 液压伺服控 制系统 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 8 7 ． [ 4] 成大免． 机 械设计 手册 第 四卷 第 四版 [ M] ． 北 京 化学 工业 出版 社 ． 2 0 0 2 ． De s i gn o f Hy dr a u l i c Se r v o Sy s t e m i n 1 6 0 0 mm Pi l ot Mul t i - p ur p o s e St e c k el Mi l l HAN Li i - c ha n g C h i n a N o n f e r r o u s M e t a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y C o 0 L t d ． ，L u o y a n g 4 7 1 0 3 9， C h i n a Ab s t r a c t Th e p a p e r o u t l i n e d s u c c e s s f u l i mp l e me n t a t i o n o f S t e c k e l mil l i n f e r r o u s me t a l i n du s t r y；c o mb i n e d wi t h t h e f i r s t 1 6 0 0mm p i l o t mu lt i p u r p o s e S t e c k e l mi l l i n CNP T， t h e p a p e r p r e s e n t e d t h e mi l l c o mp o s i t io n s an d ma i n t e c h nic a l c h ar a c t e r i s t ic s ； a n d it h i g h l ig h t e d c h a r a c t er is t i c s，c o mp o s i t io n s an d d e s i g n a p p r o a c h o f t h e h y d r a u l ic s e r v o s y s t e m i n t h e mi l 1 ． Ke y wor d sp i lo t mu l t i p u r p o s e S t e c k e l mi ll ；c h a r a c t er i s t i c ；c o mp o s it i o n；d e s i g n