液压摆动机架式带钢纠偏系统动态性能研究.pdf

第 6期 2 0 1 5年 6月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t ur e 8 3 液压摆动机架式带钢纠偏 系统动态性能研究 邓新敏 ， 谢剑刚 武汉科技大学 机械 自动化学院， 湖北 武汉4 3 0 0 8 1 摘要 在连续带钢生产线中， 机组速度逐年提高， 纠偏系统对提高带钢产量和成材率有极其重要的作用。 针对一种液压 摆动机架式带钢纠偏系统， 研究其系统响应速度。 从带钢张力不均匀分布的角度说明了带钢跑偏原因和对应的纠偏工作 机理， 并利用所建立的数学模型、 力学分析等方法求解出纠偏时间和带钢跑偏角的数学关系。采用ma t l a b对不同的带钢 跑偏角所应对的纠偏时间的计算值和实测值进行偏差分析， 从而论证了该数学关系的正确性， 还分析 了相应的纠偏速率 与跑偏角的数学关系， 可从中了解该系统的主要动态性能， 为同类结构纠偏系统设计和工艺参数调整提供了一些比较重 要的参考数据。 关键词 带钢； 跑偏； 纠偏； 力学分析 数学关系 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 5 0 6 0 0 8 3 0 4 Th e Re s e a r c h o n Dy n a mi c P e r f o r ma n c e o f t h e Hy d r a u l i c Pi v o t Ra c k St r i p Co r r e c t i o n Sy s t e m DENG Xi n mi n， XI E J i a n - g a n g I n s t i t u t e o f Me c h a n i c a l a n d A u t o m a t i o n ， Wu fi a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， H u b e i Wu h a n 4 3 0 0 8 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h e c o n t i n u o u s s t r i P p r o d u c t i o n l i n e ， t h e l i n e s p e e d i n c r e a s e s e v e r y y e a r ， t h e c o r r e c t i o n s y s t e m i s v e r y i m p o a aut ， 0 r the p r o d uct i o n c a p a c i t y a n d y i e l d o f s t r i p ． e c t o a k i n d of t h e h y d r a u l i c p i v o t r ack s t r i p c o rr e c t i o n s y s t e m， t h e r e s p o n s e s p e e d of w h i c h is s t u d i e d ． I t s h o w s t h e r e aso n of S t r i P r u n n i n g d e v i a t i o n a n d t h e h o m o l o g o us a c t i o n m e c h a n is m of s t c o rr e c t i o n f r o m t h e a n g l e ofu n e v e n d is t r i b u t i o n oft h e s t r ip t e n s i o n ， a n d t h e m ath e mat i c a l r e l atio nsh i p oft h e a c t i o n t i m e a n d s t r ip r u n n i n g ang l e is s o l v e d b y b u i l d i n g m at h e mat i c a l s t r u c t u r e a n df o r c e ana l y s i s ．T h e n a n a l y s is for the d e v i at i o n b e t w e e n c o rr e s p o n d i n g c alc u l at e d v alu e and m e asu r c d v a l ue oft h e act i o n t i m e i n the d if f e r e n t S t 却 r u n n i n g d is t r i b u t i o n is c a r r i e d o u t b y m l a b o j w are ，a n d t h e c o r r e c t n e s s o f the m a t h e m at i c al r e l a t i o nsh i p is d e mo n s t r ate d ，a n al y z i n g t he math e mati c al r e l ati o n s h i p b e t w e e n t h e c o r r e s p o n d i n g c o rre c t i n g r ate a n d the s t r i p r u n n i n g an g l e ma k e s the ma i n d y n a mi c p e ff o r m a n c e oft h e s y s t e m k n o w n ， w h ic h i s o f f e r e d a l o t ofm o r e i m p o a aut r e f e r e n c e d at a for t h e 如 ofs i m i l a r s t ruc t u r e s of t h e s t r i p c o r r e c t i o n s y s t e m a n d t h e a d j ust m e n t ofthe p r o c e s s p ara m e t e r s ． Ke y W o r d s S t r i p ；Ru n n i n g De v i a t i o n； Co r r e c t i o n ； M e c h a nic a l An a l y s i s ； M a t h e ma ti c a l Re l a t i o n s h i p 1 引言 在连续高速运行的带钢生产机组中， 因为板材自身缺陷 如边 浪、 镰刀弯、 接头焊接偏移、 带钢两侧受热不均等 或生产设备 如转 向辊、 挤干辊偏移 的影响都会导致带钢偏离机组中心 。 所以纠偏 系统是带钢生产线上必不可少的设备， 其纠偏时间长短将直接影响 生产效率。 人们均希望有快速纠偏的完备技术以提高经济效益。 但 由于带钢纠偏系统的机理比较复杂， 故提高纠偏系统的响应速度成 为一项热门的研究课题， 值得我们进行深 地理论探索和研究。文 献喂 出带钢轴向速度等于带钢运行速度乘以摆动机架摆动角的正 切值的观 ， 但未推导出纠偏速度与跑偏量之间的数学关系； 文南 提出纠偏的一系列办法， 但并没有从理论 E 阐述纠偏的机理。 文献日 从纠偏系统的组成方面描述纠偏的工作机理， 并没有结合带钢跑偏 原因深 地分析纠偏工作机理。 文献 带钢跑偏和摆动角、 液压缸 的行程方面考虑当跑偏角和摆动角相等时计算出纠偏频率， 进而求 出液压缸的纠偏速度， 但未说明纠偏时间与带钢跑偏量或者跑偏角 的数学关系； 基于对带钢跑偏原因、 纠偏工作机理等问题的重新认 识，推导出液压摆动机架式带钢纠偏系统的些重要动态参数， 为 提高生产线产量、 成材 2带钢跑偏原因及纠偏工作机理 2 ． 1带钢跑偏原因 } 带钢之所以可能跑偏是因为沿带钢行进方向的各点张力不 均匀， 不均匀的张力导致带钢对辊体的压力也不均匀， 摩擦力不 来稿 日期 2 0 1 4 1 2 1 0 作者简介 邓新敏， 1 9 8 7 一 ， 男， 湖北黄冈人， 硕士研究生， 助理工程师， 主要研究方向 机电一体化； 谢剑 刚， 1 9 5 6 一 ， 男 ， 湖北武汉人 ， 博士研究生 ， 教授 ， 主要研究方向 机 电一体化 8 4 邓新敏等 液压摆动机架式带钢纠偏系统动态性能研究 第6 期 对称， 带钢横向打滑速度不相同， 造成带材在行进方向上张力的 1 合力与带钢运行理想中心线不重合。 不重合的总张力造成带钢对 纠偏辊存在力矩M， 如图 1 所示。 I b -- 嚣 蕖 雾 ． 特 钢 ／ I 纠偏辊 I＼ ＼ 之 竺 竺／ 图 1带钢跑偏时受力示意图 F i g ． 1 Th e F o r c e Di a g r a m o f t h e S t rip W h e n Ru n ni n g De v i a t i o n 在此力矩作用下， 带钢有可能产生偏斜， 合力作用点偏离机 组中心线越远， 产生的力矩越大， 可造成带钢的偏斜程度越高。 纠 偏辊表面越光洁， 阻止带钢偏斜的能力也越差。 2 - 2纠偏工作机理 具体研究对象是某大型钢厂电镀锡生产线 8 纠偏系统。 具 体结构， 如图2 所示。 图 2 8 纠偏 系统的结构图 F i g ．2 Th e S t r u c t u r e o f No ． 8 S t rip C o r r e c t i o n S y s t e m 一 组纠偏辊安装在摆动机架上， 以某一定点摆动， 同时使带 钢包缠在这对纠偏辊上， 摆动机架只能在水平面上摆动。其结构 可简化 ， 如图 3 所示。 U 广 l 1 l r ’ ’ ～ ～ J ●- -●- ] ～ ～ 十 _ 『 ’ i ＼ 1 副 I 4 ＼ { ．．j 6[ I／ l O I l l l 1 纠 偏辊 2 ．机组中心线 O 0 3 ． 摆动后的带钢 中心线 O H 4 ． 摆动前的带钢 中心线 O H 5 ．摆动前的带钢 6 ．摆动后 的带钢 图 3带钢纠偏执行机构运动示意图 F i g ．3 T h e Mo t i o n Di a g r a m o f t he S t rip Co r r e c t i n g Ac t u a t o r 由于带钢沿横截面方向上受到不均匀张力导致合力作用点 不在机组中心线上， 致使带钢发生跑偏， 图 3中带钢的跑偏角表 示为O l ， 带钢中心线 O H。 工作中力图通过摆动机架使带钢横断面 的张力分布均匀18 1 ， 图3中机架的摆动角表示为口 。摆动过程中， 带钢随出口辊摆动而移动， 摆动后带钢中心线 O H 与机组中心线 0 0 重合才能达到纠偏的目的， 则带钢纠偏要满足的条件是 式中 钢跑偏角 。 ； 钢摆动角 。 。 2 ． 3摆动机架摆动过程中带钢张力变化的分析 摆动机架摆动过程中带钢张力包括两部分 机组设定的张 力 ％ 和摆动机架摆动导致的附加张力Ⅳ ， 如图4所示。 ／ 阻 日驻 带 钢 运 l W 行 方 向 I 纠偏辊 l 带 钢 l I 1 ， I l l l l ＼ ． ，一 一 一 一 一 一 一 ～ 卜 ～ ～ 一 一 摆点 0 图 4摆动机架摆动过程 中带钢张力变化示意图 F i g ．4 S t r i p Te n s i o n C h a n g e i n t h e S wi n g Pr o c e s s o f P i v o t Ra c k 设机组设定的张力 保持不变 ，对摆动机架的转动无影 响。只有带钢摆动机架摆动过程中产生的附加张力 Ⅳ 1 对摆动机 架的转动产生影响。 3求纠偏时间 取纠偏系统的摆动机架为研究对象， 对其进行受力分析， 如 图 5 所示 。 图 5纠偏执行机构的受力分析图 F i g ．5 T h e F o r c e An a l y s i s o f t h e S t rip Co rre c t i n g Ac t u a t o r 摆动机架是由四个小滚轮支撑在固定机架上的滚动轨道 中， 摆动机架受到的滚动摩擦力、 带钢对辊子的摩擦力和液压缸 对摆动机架的推力等。由动量矩定理， 可得出对摆动机架的摆点 0的力矩平衡方程 ” ’ x r r ／ 1 8 0 F x C M 钢 摩擦 一 M精 轮 摩 擦 2 式中 止 摆动机架的转动 陨量 k g ． m 。 ； r_摆 动机架 的摆动角加 速度 。 ／ s ； P 液压缸的推力 N ； c 摆点到液压缸活塞尾 部铰点的力臂 m ； 厂 因带钢摩擦施加于摆动机架 摩擦力矩 N m ； 鸭蹴摩 捞 f 矩 N m 。 的摩擦力 当计算摆动机架的转动惯量时可将其简化为一根细长杆， 则摆动机架的转动惯量 上为 3 J z 一 一 ＼ J ， 一 j 式中 动机架的质量 包括一组纠偏辊 。 液压缸的推力 F为 F l X mX p c A 4 式中 液压缸的工作效率 ；p 压 一液压系统的工作压力 P a ； A 一液压缸的有效面积 m 。 No ． 6 J u n e ． 2 0 1 5 8 6 机械 设 计 与制 造 No ． 6 J u n e ． 2 01 5 l _ _ 6测数据l }⋯ 阶 拟 合 实 测 数 据 I I 计 算 数 据 I ／ c x , t d ／ ．f 带 钢 跑偏 角 a 。 图8纠偏时间t 实测值与计算值的比 较图 F i g ．8 T h e Co mp a r i s o n Ch a r t Be t we e n Me a s u r e d Valu e s a nd Calc u l a t e d Va l u e s o f Co r r e c t i n g T i me t 计算出6阶拟合实测值与计算值之间的可视最大误差为 6 ． 3 4 ％≤1 0 ％， 由此验证式 1 2 是符合带钢纠偏系统的实际运动 规律。 4 ． 2对图 8中的曲线进行分析 对等式 1 2 两边同时对跑偏角 O t 求导， 得到纠偏系统的纠 偏率 与跑偏角 的数学关系为 一 一 f 1 1 1 3 ＼ 、 ／ 。 2 1 ．5 4 4 2 a／ 纠偏系统的纠偏率 ㈦与跑偏角 O t 的关系曲线图， 如图 9 所 示 带 钢 跑 偏 角 。 图 9纠偏系统 的纠偏率随跑偏角 a的变化 F i g ．9 Co rre c t i n g De v i a t i o n Ra t e o f t h e S y s t e m Al o n g wi t h t h e Ch a n g e o f Run n i n g An e 结合图9可明显看出 曲线在A、 两点之间几乎成直线段， 即系统的纠偏率 ㈨与跑偏角 成线性关系，纠偏率 达到 0 ．0 1 7 6 2 ， 说明此时纠偏效率较高， 但随跑偏角增大， 纠偏速率 急速线性下降。从维持生产的稳定性出发， 当带钢发生跑偏的初 期就应迅速进行纠偏， 才可能在短时间完成纠偏动作。而测量较 小的跑偏角必须要安装较高分辨率的传感器， 使系统成本显著增 加。当曲线在 、 c两点之间时纠偏系统的纠偏率为 0 ． 0 0 6 8 6 0 ． 0 1 7 6 2 d 。 ，纠偏速率变化相对AB段迟缓一些，当跑偏角位于 0 ． 2 - 1 ． 2 5 9 。 时， 也应及早纠偏。 否则， 随跑偏角进一步增大， 纠偏速 率将进入低谷。当曲线在c 、 D 、 E三点之间纠偏系统的纠偏率 几 乎不变， 其值为0 ． 0 0 3 6 9 ， 即跑偏角增大而纠偏速率不变， 说明 此时纠偏效率较低并且纠偏时间明显增长， 可将此区域视为这类 纠偏系统的“ 死区” 。 5结论 1 通过力学平衡的观点说明了带式元件在运行过程中的跑 偏原因和对应的纠偏机理， 结合对摆动机架的力学分析， 建立了 所对应的数学方程，并求解出纠偏时间与带钢跑偏角的数学关 系。利用 m a t l a b的拟合曲线和实测结果对比验证了该数学关系 的正确性。 2 分析了相应的纠偏速率与跑偏角的数学关系， 可从中了 解该系统的主要动态性能 当带钢跑偏角 小于 0 ． 2 。 时， 纠偏效 率较高， 响应速度快， 但随跑偏角增大 ， 纠偏速率急速线性下降， 说明带钢发生跑偏的初期就应迅速纠偏，才可能在短时间完成 纠偏动作 ， 此时为纠偏的最佳时机。当跑偏角大于 1 ． 2 5 9 。 以后， 跑纠偏速率数值较小且变化不大， 此m -j - q 偏效率较低并且纠偏 时间明显增长， 可将此区域视为这类纠偏系统的“ 死区” 。这些 结果为机组合 理配置纠偏系统 以及工艺参数的调整提供 了重要 的参考。 参考文献 l 1 J R u d o ff Mi s i c k o ， T i b o r K v a c k ， Ma r t i n V l a d o ， L u c i a G u l o v a ， Mi l o s l a v L u p t a k ， J a n a B i d u l s k a ． D e f e c t s s i m u l a t i o n o f r o l l i n g s t ri p[ J ] ．Ma t e ri a l s E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 9， 1 6 3 7 - 1 2 ． [ 2 ] 陈勇， 李天石．带材的纠偏控制[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 3 6 1 9 0 1 9 3 ． C h e n Y o n g ， L i T i a n s h i ． Me t a l s t ri p s t e e ri n g c o n t r o l[ J j _Hy d r a u l i c a n d P n e u ma t i c ， 2 0 0 3 6 1 9 0 1 9 3 ． [ 3 ] 朱金鑫 ， 吴迪 ， 王军． 带钢 自动对中纠偏系统[ J ] ． 冶金设备 ， 2 0 1 2 1 9 9 3 8 40． Z h u J i n - 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