冷轧带钢轧机（精选八篇）
冷轧带钢轧机 篇1
在带钢冷轧机振动的问题上, 根据其振动产生的原理, 主要可以分为两种情况, 分别是强迫振动和自激振动。轧机振动相关的问题研究与轧机的每个部件的相关振动形式密切相关[1]。带钢冷轧机的振动现象属于其中比较复杂的一种, 其中涉及的很多问题尚且有待探讨。目前, 我国国内对于轧机振动的问题的研究工作取得了一定的进展, 并结合国际上的研究结果, 进行了归纳和总结, 为将来带钢冷轧机的发展指出了方向。
1 带钢冷轧机振动
带钢冷轧机的振动从振动的现象和载荷的传递系统上可以将其分为两类, 分别是轧机垂直系统和轧机记住传动系统的振动。带钢冷轧扭转振动主要是在生产的过程中经常出现一些传动零部件的故障而慢慢被发现的, 其发生振动的频率通常是5-20Hz。在轧机中, 其主要的传动系统可以认为是由若干个元件来共同组成的, 这个系统能够在载荷出现突变的情况下发生一些不稳定的扭转和转动。如图1所示。
但是, 有的时候可能会因为轧辊之间存在某些东西而导致打滑的情况出现, 这样也会出现主传系统发生扭转振动, 一般情况下这种振动属于发散性的自激振动。在发生振动的情况下, 如果不能及时减速可能会造成设备的破坏, 这是一种非常危险的振动形式。除此之外, 主传系统中的电机调控系统如果出现了问题也可能会导致主传动系统出现扭转振动的情况。针对轧机出现扭转振动的研究需要涉及到的是传动轴扭矩的变化, 但是对扭矩的影响主要和三个方面有关, 分别是电机驱动、轧辊和中间的机械传动部分。
2 带钢冷轧机振动的问题和研究
2.1 带钢冷轧机垂直振动问题
轧机垂直振动的发展和研究在轧机相关设备走向了高速化之后逐渐引起相关工作人员的注意。垂直振动在实际的生产过程中经常出现, 按照振动的频率来划分就可以分为两类, 分别是低频振动和高频振动。低频振动主要是在高速连轧机中出现的比较危险的一种振动现象, 其发生的主要特点是突发性, 可能往往可以在几秒之内就集合大量的能量来使得振幅出现迅速的扩散, 并且能够产生巨大的噪音, 如果在这个时候马上降低速度可能会使得振动得到有效的抑制。这种振动的方式可能会引起轧件的厚度出现明显的变化和机架之间的轧件出现有关张力方面的变化, 如果情况严重, 可能会造成废品和断带并且会使得设备的安全性出现问题。高频振动和低频振动相比发生的速度不会那么快, 这种振动的发生需要一个渐变的过程, 虽然这种振动不会对扎件厚度产生影响, 但是其在支承辊的表面上可能会形成一种和轧制的方向相垂直的振纹的相关现象, 严重影响产品的质量问题。轧机出现垂直性振动的主要原因有很多种, 其中只要是可能对于轧机的系统出现冲击性影响或者是引起作用力的变化等相关的因素都有可能引起轧机的振动。
2.2 理论研究
在垂直振动的相关性的理论研究中, 主要是涉及自激振动的相关研究, 包括机架辊系的振动模型的合理性简化以及对于轧制力的相关性研究。在机架辊系的振动模型中, 轧机垂直振动的相关性振动系统一般是由轧辊以及立柱等部分共同组成的。在针对机架辊系的相关结构的动态性分析中, 主要是以轧机的实际结构性简化来作为线性集中的参数振动式的模型。另外, 在对振动的稳定性方面的问题进行分析的时候, 一般会认为振动的模型是有关扎件的上下对称并且能将系统的相关自由度减少一半的部分。在针对轧机的实际情况以及分析中, 还建立自由度的模型等。之前, 在一些早期的研究中一般都是将辊缝简化成为一线性的弹簧, 主要是使用了稳态轧制的理论来求出轧制力, 其中并没有将轧制力的非线性以及辊缝模型的动态变化考虑在内。
2.3 振动仿真研究
振动仿真研究在轧机的振动分析中属于比较实用的一种重要方法, 对于振动出现的原因以及抑制振动出现的相关性措施的提出都能够取得一定的作用, 仿真分析主要包括颤振模型的仿真研究和有限元技术的仿真分析。德国曾采用一次仿真的方法来对于冷连轧机的垂直振动问题进行研究。主要是将单个的轧机进行简化成为一个五自由度集中的质量相关模型, 之后再将轧机进行串联。
3 未来发展趋势
带钢冷轧机的振动问题的研究已经持续了很长时间, 并且在研究的过程中取得了一定的成果, 但是从整体上来说轧机的振动问题并没有得到彻底的解决, 尤其是针对自激振动的机理, 依旧没有得到好的研究结果, 在带钢和轧辊表面振纹的形成和机理等方面的问题和矛盾都仍然存在[2]。在未来的发展中, 轧制润滑界面需要进行动力学的相关分析, 轧制界面是轧机振动其中的一个振源, 所以轧制界面润滑的情况对于轧机的振动能够产生严重的影响, 但是目前对于其中的机制并没有得到明确的解释, 所以未来的发展之中, 润滑界面的动力学模型将建立起来。润滑界面的相关性问题十分复杂, 其中和很多个学科都出现交叉, 并且轧制软化的状态相对一般的润滑问题的研究要更加困难, 所以润滑界面的动力学模型将是未来的发展方向。
4 结束语
带钢冷轧机振动的问题是影响钢铁生产的重要问题, 不仅会影响生产效率和产品的质量, 还会影响生产机器的运行, 从而导致机器出现损坏, 造成更大的经济损失[3]。作者主要分析了带钢冷轧机振动的相关性问题, 深入地讨论了带钢冷轧机振动问题研究的未来发展趋势, 认为润滑界面的动力学模型将是未来的发展方向, 希望能够为解决冷轧机振动的相关性问题提供建议。
参考文献
[1]李峰, 王康健, 李有元, 等.极薄带钢冷轧过程振动纹成因分析及抑制[J].重型机械, 2009, 1.
[2]杨旭, 童朝南.板带轧机振动问题研究[J].钢铁研究学报, 2009, 11.
冷轧带钢轧机 篇2
关键词冷轧；单机架；计算机控制；厚度控制
中图分类号TP文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)021-0106-01
莱钢1500mm六辊可逆冷轧机组是在常温状态下，将材质为电工钢、普通碳素钢和低合金优质钢，厚度为1.8～3.0mm的经过酸洗切边后的热轧带卷，经过若干道次的轧制，使其成为具有所需厚度、表面粗糙度的各种规格的冷轧带卷。
1系统构成及网络配置
1）概述。单机架冷轧机自动控制系统主要有顺序逻辑控制系统、工艺AGC控制系统、主令控制系统、机架控制系统等部分组成。基础自动化使用以高速微处理器为基础的系统，用于工艺控制和顺序控制，并能够运行在多计算机模式下。
自动化系统被分成几个自主的自动化单元，每个包含有一个或多个并行处理模块，这些模块被协调以执行要求的任务。控制系统为SIEMENS公司SIMATIC S7-416 和 FM458各两套，1#416CPU主要完成顺序控制和辅助系统，2#416CPU主要完成主令控制，1# FM458主要实现各种AGC自动厚度控制及各种补偿量，2#FM458主要实现液压辊缝控制、轧制力控制、辊形调整、中间辊横移等机架控制，FM458配EXM438I/O扩展模板，用于高性能闭环控制任务，并可以获得高速计算，对于高速工艺控制工艺传感器被直接输入并且执行机构直接从相关的处理模块接收输出。高速工艺控制象自动厚度控制、液压辊缝控制、张力控制、弯辊控制等相互间的通讯经由并行总线链路（多总线）以保证同步的设定值配置和实现控制系统间的高速数据交换，从而确保高设备性能。
2）系统网络结构。控制系统网络结构如图1所示，S7-400 PLC与智能终端箱通过总线电缆连接到中央控制器，两套416 CPU之间通过SIMATIC NET快速工业以太网总线进行数据交换；两套FM458之间经由并行总线链路（多总线）通讯，以保证控制系统间的高速数据交换；416 CPU通过PROFIBUS-DP与西门子6RA70传动装置及板型控制系统通讯；416 CPU通过以太网接口与HMI系统；FM458通过以太网接口与测厚系统通讯。
在图1所示的网络结构中，最上一层是由PC组成，作为操作监控系统的人机界面，根据被轧带材的来料厚度、宽度、材质及成品厚度、轧制工艺的技术要求，计算总轧制道次、各道次的压下量、各道次相应的轧制力、张力及辊缝初始值等参数，即确定最佳轧制规程数据表，并通过TCP/IP通信协议自动将这些数据传送给PLC控制系统，从PLC控制系统读取轧机当前的工作状况参数，如:轧制压力、电流、速度，带材的入口和出口厚度、轧制辊缝等，作为人机接口，实时显示生产过程状态和控制信息。
第二层是由多套PLC、传动装置及特殊仪表组成。I/O单元分散安置在各相关设备附近，使连接的信号线减到最少，大大减少了信号传输过程中受到干扰的机会。
2系统功能
1）辊缝控制。轧辊辊缝位置控制又称AGC内环控制，是液压压下控制系统基本功能，在此方式下，将液压缸的位置值与设定的目标值相比较，比较的偏差经特定运算后，送到伺服阀去引起液压油的流动以使位置偏差减少到零。位移测量采用高精度位移传感器，在油缸中心安装。
2）辊缝同步和倾斜控制。由于轧机传动侧、操作侧的液压缸之间没有机械上的联结，而且两侧负载不可能完全相同，设备的动态特性也不完全一致，因此两侧的运动不能保持同步，同步控制的目的就是使位移慢的一侧加快运动，位移快的一侧减慢运动，使两侧的运动速度保持一致。系统中采用辊缝差信号进行闭环控制。当两侧辊缝差实际直过大时，程序发出超极限中断信号，机组快速停车。
3）恒轧制力控制。轧制力控制也是液压压下控制系统的基本功能，在轧制力控制方式下，轧制力控制器用来使冷轧机两侧油缸的轧制力的实测值保持与设定值一致。根据油缸的积分特性，将轧制力控制器设计成一个比例控制器。
4）预压靠控制。由于辊缝取决于工作辊的相对位置，因此在每次换辊后须重新确定辊缝的零点，即需要进行轧辊预压靠。预压靠过程由操作工按下预压靠按钮启动，之后的预压靠全过程将自动进行，此时，压下装置，传动装置等相关设备均处于自动受控状态，并且相互联锁。
5）液压AGC控制。液压AGC系统主要由一套SIMADYN D控制装置、检测仪表（包括位移、压力、厚度、速度的检测）、伺服系统、压下缸等设备组成，其实质是通过改变压下位置、轧制压力、张力、轧制速度或金属秒流量来实现带材厚度自动控制，液压AGC可理解为内环控制和外环控制两部分。①内环控制。内环控制是轧机的轧辊辊缝控制系统，在轧制过程中负责辊缝的调节和控制。若内环控制以压下装置的位置传感器反馈作为控制目标，称之为位置控制环节（APC）。若内环控制以压下装置的压力传感器反馈作为控制目标，称之为压力控制环节（AFC）。内环控制是单机架可逆轧机辊缝控制系统的核心部分，完成人工手动和自动辊缝调整。通过改变轧机辊缝来控制被加工的带钢的厚度。②外环控制。外环控制是轧机的质量控制系统，在轧制过程中负责带钢厚度控制。外环控制包括反馈AGC、金属秒流量AGC、前馈AGC，通过运算厚度偏差，向内环输出厚度控制调整信号，调整液压压下位置来控制成品厚度。
自动厚度控制是冷轧机带钢纵向厚度偏差控制的重要手段。根据单机架可逆式冷轧机的特点，采用前几道次粗调AGC和后几道次精调AGC两种方式。为了使来料厚度偏差在前几道减小，粗调AGC起着重要的作用，粗调AGC系统由前馈厚度控制和测厚仪的反馈控制组成。
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冷轧机张力控制系统分析 篇3
张力控制系统就是为了保障卷材在卷取和开卷过程中保持恒定张力的控制系统。
1 张力在轧机生产中的作用
张力是指轧机的前后卷轴给带材拉紧的力或者机架之间各辊系相互作用使带材承受的拉力。以前张力为例, 卷筒的外圆线速度只有大于带材的出辊速度, 也就是速度之差大于零才能建立前张力。在轧制过程中, 张力主要有以下几个作用。
1.1 降低单位压力, 调整主电机的负荷
张力的作用使变形区的应力状态发生了变化, 减少了纵向的压应力, 从而使轧制时金属的变形抗力减少, 降低了轧制压力, 减少了轧制时的能耗。前张力使轧制力矩减少, 后张力使轧制力矩增加。当前张力大于后张力时, 能减轻主电机的负荷, 增大道次的加工率。
1.2 调节张力可控制带材厚度
由弹跳方程H=S+P/K (其中, H为轧出厚度, S为轧辊辊缝, P为轧制压力, K为刚度系数) 可知, 用改变张力大小的方法来改变轧制压力, 可使轧出的厚度发生变化。
1.3 防止带材跑偏
在实际生产中, 由于各种原因的影响, 带材在运行过程中容易发生跑偏, 而且会随着运行时间的增加而越来越严重。为了防止跑偏, 可以采用开卷对中和偏导辊等方法, 但这两种方法都有一定局限性。而适当调节张力值, 维持张力稳定, 可以使带材在一定的张力作用下平稳运行。张力反应迅速、无时滞, 所以是防止带材跑偏的有效方法。
1.4 有利于控制带材的板形
板形是衡量带材质量的重要指标, 板形良好指的就是带材的平整度好, 如果边部起浪、中部浪皱等, 就主要是由于变形不均匀, 使带材中的残余应力超出了稳定所允许的拉应力而造成的。当张力稳定时, 带材沿宽度方向上的拉力不超过所允许的拉应力, 由此可保持带材板形的平直。
2 张力控制原理
张力控制基本可以分为两种:直接张力控制和间接张力控制。
2.1 直接张力控制
直接张力控制法是通过控制安装在设备上的摩擦轮对摩擦垫的压力或控制安装在设备上的磁粉制动器线圈电流而直接形成设备所需的张力。这种方法的优点是投资小、张力稳定, 缺点是调节精度低、高速时发热严重、操作不方便等。因此, 这种调节方法常用于张力精度要求不高、速度较低的小型生产线中。我厂轧机目前没有此种控制方式。
2.2 间接张力控制
间接张力控制法是通过控制与张力有关的一些电气量来达到控制张力的目的。卷取机传动机构如图1所示。
电动机的转矩计算公式为:
式 (1) 中:MD为电动机的转矩;Md为加减速时所需的动态转矩;M0为空载转矩;Cm为电动机的机构常数;T为张力;D为料卷的直径, i为减速机减速比;φ为电动机的磁通;Ia为电动机电枢电流。
由式 (1) 可得出:
T=2Cm iDφIa=KmDφIa. (2)
由式 (2) 可知, 要维持张力T恒定, 有两种方法: (1) 维持Ia等于常数, 并使φ/D等于常数; (2) 使Ia正比D/φ而变化。
2.2.1 维持Ia和φ/D恒定来使张力恒定
这种方式叫比例控制方式, 该种张力控制系统有两个独立的部分组成: (1) 电枢电流控制部分。它是通过调节电动机电枢的电压来维持Ia恒定。 (2) 磁场控制部分。它是通过调节电动机的励磁电流, 使磁通与料卷直径D成正比例变化, 从而使φ/D的比值保持恒定。
从上述两部分看, 由于电枢电阻R比较小, 电枢电压u或电势量E的微小变化都会引起电枢电流Ia很大的变化, 因此, 通过电枢电压来调节很灵敏, 并且反应快, 所以电枢电流控制部分是主要的, 而磁场控制部分仅在卷径D变化时才起作用, 变化也较慢。
图2是间接法张力控制原理简图, 它是按照维持Ia恒定和φ/D恒定的思想而构成的。在卷取机建立张力时, Δu使电压调节器YT饱和, 饱和值的大小由电位器W调节。W也是作为张力 (电流) 给定用的。YT的输出Ig是作为张力电流的给定值, 通过电流调节器LT来使电枢电流Ia维持恒定, 即维持张力恒定。ug的大小与带材的线速度成正比, 当轧机加速时, ug也随之增大, 卷取电机的电枢电压也随着料卷的线速度成比例地升高。
2.2.2 使Ia正比于D/φ来实现张力恒定
此种方法又称为最大力矩法。其张力控制系统原理如图3所示。
比例控制方式虽然结构简单、易于搭建控制系统, 但它也有明显的缺点, 即只要系统不在最大卷径下工作, 电机始终处于弱磁状态, 电机效率不能得到充分应用。而且当卷径变化大时, 弱磁倍数也很大, 对电机要求很高, 设备选型也很困难。所以通常采用最大转矩法来实现恒张力控制。
2.3 影响张力波动的主要因素
由于间接张力控制系统是一种张力开环补偿系统, 它的控制思想是电动机的Ia和φ的变化与张力各扰动量相补偿。影响张力波动的主要因素有带材线速度的变化、料卷直径的变化、机械传动系统转动惯量的变化和机械损耗的变化。因此, 张力控制的精度主要取决于电流和磁场调节系统对上述因素的补偿, 并取决于D/φ环节。而D/φ环节又取决于卷径测量和磁通D/φ.料卷直径D在轧制过程中是随着时间变化的, 为了控制张力, 就必须知道料卷的瞬时直径。
2.4 瞬时卷径的计算
轧机瞬时卷径主要有直接测量和瞬时计算两种方式。直接测量采用超声波传感器或者红外线传感器来实现, 测得的电压和电流信号直接转换为卷径显示或者参与控制计算。下面主要分析瞬时卷径的计算方法。
卷筒上的料卷瞬时直径是借助卷筒与导向辊上的脉冲编码器来计算的, 由于卷筒与导向辊是通过料卷相互联系的, 在同一时间, 导向辊上走过的带材长度应与卷筒上带材走过的长度相等, 同侧卷筒与导向辊上的带材线速度相等, 因此:
式 (3) (4) 中:Dc为卷筒上料卷的瞬时直径;Ds为导向辊的直径;Nc为卷筒的转速 (脉冲量) ;Ns为导向辊的转速 (脉冲量) 。
为了保证计算结果正确, 系统内部也需设定卷径限幅, 例如最小卷径、最大卷径等参数。
2.5 张力的动态补偿
在间接张力控制过程中, 为保证张力控制的准确性, 要充分考虑轧机在加减速过程中转动惯量以及本身固有的摩擦力对转矩的影响, 前面的推导过程忽略了空载转矩M0和动态转矩Mg, 但在实际应用中, 这两者是不能忽略的。
卷取机电机和带材均有运动惯性, 在卷取速度发生变化时, 会产生动态力矩, 从而使张力发生波动, 所以要对电枢电流补偿以消除速度变化时对带材张力的影响。当速度发生变化时, 均应有相应的补偿电流投入。动态补偿电流近似的计算方法为:
空载补偿主要补偿机械损耗、风阻损耗等, 它的补偿电流I0可以通过实际测量得到。
综上所述, 为保证卷取机在卷绕过程中张力恒定, 控制电动机的电流应该包括三个部分, 分别是张力电流It、动态 (惯性) 补偿电流Ig和空载补偿电流I0, 即:
3 结束语
冷轧机张力控制系统各有各的特点, 但基本上与上述原理和控制方法相同。张力控制在轧机控制中具有相当重要的作用, 张力波动会导致板型波动、厚度波动等, 而且当高速轧制时, 张力的波动会导致轧机断带、火灾等事故。深入研究张力控制系统对保证轧制产品的质量意义深远。
摘要：张力的稳定性直接影响着轧制产品的质量, 因此, 轧机的恒张力控制是轧机自动控制系统中的关键技术。主要阐述了张力在轧机生产中的作用、张力的概念、张力控制的基本原理和影响张力波动的因素。
关键词：冷轧机,张力控制,卷径,动态补偿
参考文献
[1]郑申白, 曾庆良, 李子林.轧制过程自动化基础[M].北京:冶金工业出版社, 2005.
冷轧带钢轧机 篇4
中冶京诚工程技术有限公司负责该工程的工厂设计以及酸洗机组、连退机组的供货;5机架连轧机组由一重负责供货。
本工程于2011年3月21日开始设计。2011年3月26日举行奠基, 2012年1月20日开始吊装轧机牌坊, 酸洗机组与轧机机组已于2012年顺利投产。
在本工程的施工过程中, 遇到了一个很大难题, 即轧机牌坊的吊装问题, 困扰了施工方和业主很长时间, 一直没有找到合适的方案。由于原设计中, 业主出于节省投资考虑, 拟采用汽车塔吊厂房外吊装牌坊, 在厂房设计及吊车选型中不必考虑轧机牌坊吊装。但由于建设进度关系, 没能考虑为汽车塔吊在厂房外留出适合空间, 原轧机牌坊吊装方案难以实施。业主转而希望采用在已施工完成的厂房内在增加吊车1台, 以实现用2台吊车完成轧机牌坊的安装。后经共同协商并在中冶京诚公司设计人员的帮助下, 通过采用轧机跨吊车梁加支撑、双吊车、地下室顶板补强的方法, 创造性的解决了这个难题。
在此对轧机牌坊的方案进行简要说明, 供大家参考和借鉴。
1 主车间连轧跨布置
本工程车间主厂房由A-B、B-C和D-E三个跨间以及与三个跨垂直的2A-2B轧后跨组成。其中, A-B跨为敞开的原料跨;B-C跨按照区域分为酸洗跨、连轧跨跨等两个区域, 即B-C跨的101-126柱间为连续酸洗机组;152-155柱间为1450五牌坊六辊连轧机组。
113-155柱C-D跨间为磨辊间, B列外151-155柱间为轧机电气室。标准柱距12m。
2 相关跨间吊车设置
2.1 轧机跨跨内, 按业主要求设有1台50/10+10t双梁桥式起重机, 其跨度Lk=28米。
2.2 磨辊间, 设有1台50/10双梁桥式起重机, 其跨度Lk=28米。
3 轧机牌坊吊装问题
安装阶段, 有一个主要的问题是轧机牌坊的吊装问题:
(1) 问题的提出。牌坊是冷连轧机组设备中体积和重量最大的关键部件, 单片牌坊重量为78t, 扁担梁重8t。
由于为了节省投资, 按甲方的要求在轧机跨仅考虑了一台用于设备检修用的的50/10+10t桥式起重机, 该跨吊车梁按一台起重机设计的, 而单片牌坊的净重量为78t, 加扁担梁重8t, 单片起重量共计86t。设备超出起重机的起重量, 故单台起重机已经无法满足轧机牌坊的吊安装要求。
(2) 其它方案考虑
(1) 采用200t以上长臂大吨位吊车, 租用吊车及台班费用等共计不会少于400万。 (2) 单独设计、制造一组满足两台吊车的吊车梁, 原有大梁浪费, 成本太高。 (3) 采用汽车吊与轧机跨起重机共同吊装, 因厂房已经安装, 没有场地也不具备条件。
(3) 最终吊装方案。通过业主方、施工方与京诚公司相关专业设计人员进行仔细沟通与商讨, 京诚公司设计人员协助验算, 确定了最终吊装方案:采用两台50t天车进行联合吊装, 即在轧机跨间原有一台50/10+10t行车的基础上, 将磨辊间同为28m跨距的50/10桥式起重机, 暂时安装在轧机跨, 使得能有效利用两台50t桥式起重机联合抬吊单片牌坊, 待将轧机跨10片牌坊顺利安装完毕, 再将该起重机拆除, 重新安装回磨辊间跨。
实施本方案两大难题:
(1) B、C列吊车梁刚度和强度问题。因为B、C列吊车梁是按业主的要求, 按1台50/10+10t行车设计, 采用的是Q235-B材质钢板进行制作;在承受两台50/10+10行车联合台吊牌坊的情况下, 原有吊车梁强度和刚度不满足吊装使用要求, 需要对原有厂房结构进行验算和加固。 (2) 轧机地下室混凝土顶板强度不足问题。如果增加支撑, 轧机地下室顶板悬空, 故采取在基础下部空间, 增加支撑。
(4) 经对轧机跨厂房结构及柱子吊车梁等主要构件的验算, 本吊装方案采用了如下加固措施:
(1) 因C列152线~154线间跨度最大-30m, 考虑在其间以及2#和4#轧机换辊小车基础梁上增加2根临时支撑立柱。 (2) 在C列151线和152线间、B列151线和152线间、152线和153线间及153线和154线间相应位置各增加一根临时支撑, 初步计算, 确定选择Φ478×10的螺旋焊管制作支撑立柱。 (3) 再在吊车结构梁与立柱搭接的位置、侧面, 增加辅助筋板, 以补强立柱的结点强度。上述钢结构验算加固措施, 由京诚公司协助负责。在图纸总说明中突出强调了详尽的注意事项:“当轧机牌坊安装后, 拆除临时加固钢结构构件时, 不得碰撞原有结构, 不得伤及原有结构主材, 不得动火切割与原有结构连接的焊缝, 更不能在原吊车梁翼缘及腹板上起弧火焊接其它物件”。
(4) 基础的补强措施。C列152线~154线间2#和4#轧机换辊小车基础下面补强措施:
因2#和4#轧机换辊小车基础上增加的Φ478×10螺旋焊管, 其临时支撑作用力最后作用在基础顶面上;因基础下部悬空, 需增加支撑, 在正对着2#和4#轧机换辊小车Φ478×10螺旋焊管支撑的位置, 增加辅助支撑。在支点中心线的周围采用以支点垂直投影为圆心, 采用6根Φ273×8的螺旋焊管支撑, 对称布置, 形成一个支撑整体。
(5) 牌坊运输。经研究, 进车位置最终选择:运输拖车选择在C列151线和152线间进车, 由磨辊间倒车进入轧机跨, 进行卸车。
由于整个轧机周围基础均为悬空设计, 进拖车位置基础下面为AGC液压站。因此, 在进拖车之前, 需要对基础上、下两面采取补强措施, 使得基础形成一个整体, 来承受拖车的载荷。基础上面补强采取制作一个15m×8m的钢平台, 用槽钢对叩, 断焊在一起, 形成箱型梁, 最后在上面铺厚钢板作为进拖车的平台。
基础下面补强措施:由上面加强措施可知, 基础上部均布加载45.6t, 运输拖车及牌坊载荷量:25t+78t=103t, 合计均布载荷:148.6t;下部支撑采用Φ273×8的螺旋焊管制作支柱加固。
4 结束语
初步了解, 这是轧机牌坊吊装的首创。经2012年1月20日吊装实践证明:这个方案是可行的, 较其它方法节省了大量的资金和时间, 经不完全测算, 本方案费用约为80万, 对比采用巨型吊车的吊装方案等, 至少节省几百万费用。取得了良好的经济效益和社会效益。
四辊冷轧机垂直振动仿真与分析 篇5
在板带轧制过程中轧机常常会出现多种形式的振动,其中最常见的是机座的垂振和传动系统的扭转振动[1]。轧机的振动,尤其是其在垂直方向上的振动,往往直接影响辊缝的开口度,对带材的尺寸精度造成影响,导致轧件表面出现或深或浅、等距或不等距的条纹状振痕。这不仅降低了产品的产量和质量,还会加速轧机设备的损坏。因此,全面了解轧制设备的固有特性和响应特性,对改善轧机结构设计和预防轧机振动具有重要的作用[2,3,4]。
1四辊轧机有限元模型的建立
在建模过程中,根据轧机各组成部分的结构特点,对其进行合理简化,略去对模态影响不大的零部件。四辊冷轧机垂直振动系统包括机架、电动压下部分、上下支承辊、上下工作辊、支承辊轴承座和工作辊轴承座。四辊轧机的三维结构模型如图1所示。其工作辊直径为Φ100 mm,辊身长度为350 mm;支承辊直径为Φ320 mm,辊身长度为350 mm;机架立柱截面积为203 mm×182.5 mm;辊缝设置为2 mm。
Workbench中提供了Bonded、No Separation、Frictionless、Rough、Frictional五种接触类型。其中前两种为线性接触,本文采用线性分析,轧机各零件实体间的接触根据实际情况设置为Bonded(绑定)或No Separation(不分离)[5]。
由于模型较复杂,网格划分采用Workbench默认的10节点四面体单元Solid187。整个模型共划分为112 486个单元,184 116个节点。模型各部分材料属性见表1。
2基于Workbench的四辊轧机动力学分析
2.1 四辊轧机有限元模态分析
为确保轧机在振动环境中具有良好的动态性能,必须对轧机进行动态设计。而结构模态分析是结构动态设计的核心,通过模态分析得到固有频率和振型等模态参数,为系统的振动特性分析和结构优化设计提供依据[6]。建好四辊冷轧机有限元模型后,对机架与轨座相连部分(地脚螺栓处)施加Fixed Support约束。计算得到的四辊轧机前20阶固有振动频率和模态振型见表2。轧机的部分典型振型图如图2所示。
由于轧机由多个零部件组成,振动情况很复杂,在前20阶振型中,共有3类振动形式:①1、2、3、4、5、7、8、9、10、11、17、20阶振型主要由轧机机架振动控制,包括机架摆动、机架立柱弯曲及机架绕Y轴的扭转,由机架主导的振型中,轧辊的相对位移值较小,对辊缝大小的改变很小;②6、12、14、16阶振型既有机架振动又有辊系振动;③13、15、18、19阶振型只包括工作辊的振动。后两类振动中,在固有频率处工作辊的振型均是简单的抛物线形,既有同相振动也有异相振动。因为工作辊与板带直接接触,其工作状态对带材质量有直接影响,所以包含工作辊振动的振型应受到重视。
6、12、13、16阶振型中工作辊虽然是Y向同相振动,但是上下工作辊振幅大小不同,造成辊缝改变较大。15、18、19阶振型包含工作辊的异相振动,这种振动模态通常直接改变辊缝大小而影响带材质量。对垂直振动而言,15阶模态是最为重要的模态,当轧机在该频率段工作时,工作辊做垂直方向上的异相振动,影响带材厚度,还会使支承辊产生压痕。
2.2 轴承座激励时工作辊垂直位移响应的轴向分布
轴承的磨损以及其本身质量问题和装配、润滑不当都会引起轴承座的振动,从而导致轧机振动[7]。在上支承辊操作侧轴承座上施加激励,进行谐响应分析,模拟轴承问题引起的振动。图3为施加激励时工作辊中间部分、传动侧、操作侧振动幅值的大小。
由图3可以看出,当对上支承辊操作侧轴承座激励时,工作辊在低频区的振幅很小,垂直方向上的振动幅值沿轴向大致相同。在530 Hz左右,轧辊的中部、传动侧和操作侧在垂直方向上均出现了最大振幅,但是轧辊中部的振幅要大于两侧,与图2(b)第6阶振型相符。在630 Hz时轧辊传动侧和操作侧部分均有0.05 mm左右的振动峰值,轧辊中部振动幅值仅有0.012 mm。850 Hz左右时中部的振动幅值要比两侧大0.025 mm。这说明轧辊在某些频率处垂直方向上位移响应沿轴向不同,而这势必会导致带钢厚度在宽度方向上的波动,影响带钢质量。
3结论
在轧机前20阶模态中,第15阶固有频率处工作辊在垂向上做反向振动,属于关键模态,对板带厚度影响较大。当对轧机操作侧上轴承座施加激励时,从垂直方向上沿轴向来看,工作辊的振动幅值不同。在轧机垂直振动研究中,轧辊沿辊身方向的动态信息是不可忽略的。
摘要：使用Workbench建立了四辊冷轧机整机的有限元模型。基于结构模态和动态响应分析理论,进行了模态分析和谐响应分析,得到其垂直振动固有频率和响应特性,探讨了操作侧支承辊轴承座激励时工作辊垂直位移响应的轴向分布。
关键词：四辊轧机,垂直振动,固有频率,仿真
参考文献
[1]邹家祥,徐乐江.冷连轧机系统振动控制[M].北京:冶金工业出版社,1998.
[2]刘晓星,李平.板带轧机垂直振动的研究分析[J].昆明理工大学学报,1999,24(3):97-101.
[3]朱才朝,王鸿恩,龚剑霄.4200厚板轧机机座垂直方向振动的研究[J].重庆大学学报,1993(6):51-57.
[4]武京伟,蔡玉强,张雪雁,等.4200轧机垂直振动分析[J].机械设计与制造,2011(5):213-215.
[5]浦广益.ANSYS Workbench12基础教程与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2010.
[6]许本文,焦群英.机械振动与模态分析基础[M].北京:机械工业出版社,1998.
冷轧机弯辊伺服系统控制方案 篇6
在原理方面, 弯辊伺服系统对板型控制的目的是通过对辊缝形状实现的。具体到液压弯辊伺服系统则是以作用力于工作辊辊液端液压缸产生一定的推力, 此推力再向工作辊辊端轴承座上产生作用力, 促使工作辊发生附加弯曲, 进而促使轧辊改变有效挠度最终改变辊缝形状, 以实现板型修正的最终目的。
液压伺服控制系统的基本组成元件主要有指令输入元件;反馈检测元件;放大、转换、控制元件;比较元件;液压执行元件和控制对象等。根据不同的分类方式进行分类:
(1) 以误差信号的产生以及误差信号的传递方式不同为划分依据, 可以划分为三类, 其一是机械——液压伺服控制系统;其二是气动——液压伺服控制系统;其三是电气——液压伺服控制系统。
(2) 以液压控制元件的不同作为划分依据, 则可以划分为两类, 其一是阀控系统;其二是泵控系统;
(3) 以被控制物理量不同为依据可以划分为以下几种, 其一是位置伺服控制系统;其二是力伺服控制系统;其三则是速度伺服控制系统。
在工程实践中我们选用了新一代的伺服阀, 该阀动态响应快, 具有很强的抗污染能力, 很高的控制精度, 这样就能够保证工作的可靠性和系统响应速度、稳定性和高精度的要求。此外, 检测精度很大程度上控制了控制精度, 因此, 在实践工作中, 对于伺服系统而言, 在压力检测方面采用了HYDAC公司的压力传感器。
2 弯辊伺服控制系统的两种组成方式
在组成方式方面, 作为典型的液压伺服控制系统的液压弯辊控制系统可以进行两种方式的划分, 其一是手动调节系统;其二是自动调节系统。在手动调节系统方式中, 弯辊力的大小给定灵活, 主要是通过操作者根据观测板型、计算或者操作板型的经验进行设定的, 不需要任何主控量或者干扰量的反馈调节。而在采用自动调节系统中则是通过传感器检测出弯辊力的变化, 进而向计算机反馈, 再通过计算调节液压系统压力。
对于铝冷轧机而言, 弯辊伺服系统又可以划分为两种不同的结构方式, 其一是弯辊伺服系统由伺服阀控制。其二是弯辊伺服系统由一个伺服阀控制。
在前一种结构方式中, 正弯和负弯有各自的伺服阀控制。在轧机排放上设计了弯辊缸凸块, 并且将正弯缸置于其中, 在共工作辊轴承座和凸块之间建立了正弯辊, 实现了在正负弯缸的数量都是八块, 实现了工作辊的快速换辊, 减少辅助设备的时间。后一种结构方式中, 正负辊的控制都是通过一个伺服阀来实现的。其原理就是在四个弯辊缸凸块组中置入四个弯辊缸, 并且将相应的凸块组中的上下凸块中卡入上下工作辊, 进而借助于弯辊缸的伸缩控制来带动工作辊的动作来控制正负弯。
3 控制功能实现及解决方案
作为板型控制系统中最基本环节的液压弯辊, 其控制回路必须具备对目标弯辊力快速跟踪相应以及稳态跟踪精度的特点, 才能够保证整个板型控制系统的品质, 满足精度要求。
3.1 正弯、负弯的控制各用一个伺服阀控制
对于正弯和负弯各用一个伺服阀进行控制的液压伺服系统而言, 其控制思路主要有两种, 以下对这两种不同的控制思路分别进行阐述。
3.1.1 第一种控制思路
这种控制思路中, 正弯工作与负弯工作是不同时进行的。也就是说, 在正弯工作过程中, 正弯电磁换向阀进入工作状态, 通过对正弯进行调节的伺服阀来控制正弯压力, 而负弯电磁向阀则不予启动, 不处于工作状态, 调节负弯的负弯伺服阀则是出于卸符合的状态。相应的, 在负弯工作过程中, 负弯电磁换向阀展开工作, 同时, 正弯则不处于工作状态, 正弯伺服阀处于卸负荷状态。而进行正弯和负弯压力切换过程中, 要相应的切换整个正弯控制工作状态和整个负弯控制工作状态。这主要是因为液压管路的油液填充以及建立油压都需要通过一定的时间来进行。而在切换正弯控制工作状态和负弯控制工作状态过程中有一个压力波动会出现。
3.1.2 第二种控制思路
在第二种控制思路中, 正弯液压阀和负弯液压阀在弯辊工作过程中是同时展开工作, 进而工作状态的。在这个时候, 将弯辊压力设定为-100%--100%, 如果给定压力是0, 我们假设弯辊系统的最大工作压力是14MPa, 正弯工作压力和负弯工作压力都可以控制最低1MPa。在给定弯辊压力为负值的情况下, 在负弯压力为1MPa的基础上进行负弯压力的调整, 此时正弯压力也是保持在1MPa。系统分析, 就是在弯辊系统工作时, 正弯和负弯都处于伺服工作状态, 两者同时处于同一种状态能够保证轧制过程中进行正弯控制和负弯控制切换时压力的平稳过渡。
通过对第一种和第二种控制思路的比较分析, 可以看出, 第二种思路显然可以更好的保证在轧制过程中弯辊控制带材板型的需要。
3.2 正负弯仅用一个伺服阀实现控制
在正负弯仅用一个伺服阀进行控制的模式中用同一个弯辊控制正弯和负弯, 在切换正弯控制和负弯控制过程中就不需要考虑到油液填充和建立油压的持续的时间问题。但是, 从另一方面说, 这种控制模式也存在一些新的问题, 举个例子说, 就是在伺服控制不当的情况下, 弯辊压力在某一个压力范围内可能会产生波动, 导致系统工作跳动得厉害, 影响正常工作。
这种问题的解决办法:由于用一个弯辊液压缸控制正弯和负弯, 弯辊液压缸在工作时有刚腔和无杆腔的压力反馈和轧机弯压力给定的关系, 这样就能够解决上述问题了。
4 结论
铝冷轧机是将热轧铝卷在通过了众多道次的轧制之后成为符合规定厚度公差和符合规定平直度要求的铝薄卷带的设备, 是冶炼行业常用的设备之一。另外, 板型则是考核铝板带材质质量体系中至关重要的指标。只有充分理解并熟悉了弯辊伺服系统的设计思想和控制思路, 才能够更好的实现控制的目的, 以满足生产处高品质、高精度的产品的需求。
摘要：液压弯辊伺服控制系统通过现代化先进的电液伺服控制技术, 轧机正负辊通过伺服阀实现控制, 能够有效的满足轧制带材板型精度的要求。本文以具体的工程为实例, 在阐述了冷轧机液压弯辊伺服控制系统的两种基本形式的基础之上, 进一步阐述了相应的控制解决方案。
关键词：液压伺服控制,弯辊系统,正弯,负弯
参考文献
[1]赵丽娟.神经模糊PI控制在冷链轧机弯辊系统中的应用研究[J].机械制造, 2011.01.
冷轧带钢轧机 篇7
新钢酸轧联合机组是在常温状态下, 将厚为1.8~6.0 mm、宽为700~1 430 mm带钢经连续通过机械及化学方法将热轧带钢氧化铁皮除掉, 并经连轧机连续轧制成各类规格的具有所需厚度、表面粗糙度的冷轧带卷。酸洗段采用盐酸酸洗液, 连轧机设备采用五机架串列式六辊轧机。
新钢冷轧酸轧联合机组液压高压系统是冷轧的重要组成部分, 5机架冷连轧机AGC系统、支承辊平衡、工作辊平衡弯辊、中间辊平衡弯辊及中间辊串辊系统都由高压液压站供压力油。高压伺服阀组设置在1#~5#轧机上部, 对1#~5#轧机的AGC液压缸、支承辊平衡、工作辊平衡弯辊、中间辊平衡弯辊及中间辊横移液压缸进行控制。
冷轧在生产过程中, 冷连轧机AGC系统、支承辊平衡、工作辊平衡弯辊、中间辊平衡弯辊及中间辊串辊高压液压系统的漏油严重影响冷轧生产的安全性, 造成油液浪费, 污染环境, 增加生产成本和维护费用, 严重时甚至造成生产和设备事故。
2 轧机液压高压系统泄漏的原因分析
新钢冷轧轧机液压高压系统中造成泄漏的主要原因有以下几种:
2.1 中间辊串辊位移传感器引起液压管路振裂
为了生产出高质量的产品, 冷轧中间辊串辊系统与弯辊系统一起作用, 用于迅速、连续、任意地改变辊缝凸度实现最合适的轧机辊缝, 与配套的控制软件结合后, 其控制板形的能力得到加强。为确保轧制过程中中间辊窜动的控制精度, 中间辊串辊系统采用位置闭环控制。中间辊串辊缸内安装有位移传感器, 但是轧机内环境恶劣, 轧机轧制过程, 需要乳化液进行润滑和冷却, 乳化液以油为主包含少量水分, 油层中水分在室温下与铁氧化的速度很低, 随着轧制温度升高、氧化的速度迅速增大, 气化成为水蒸汽。当水蒸汽进入串辊位移传感器内, 经常导致串辊位移传感器输出的信号不稳定, 含有干扰脉冲, 引起整个闭环控制系统产生振荡。如图1所示。
从图1中可以看出, 上串辊位移传感器数值稳定, 不含有干扰脉冲, 但是下传感器位移传感器数值中含有干扰脉冲。由于控制软件在对上串辊和下串辊单独进行位置控制的同时, 对上串辊和下串辊的差值也进行控制, 当下传感器位移传感器数值中含有干扰脉冲时, 上串辊和下串辊伺服阀输出都会振荡, 下串辊伺服阀输出在-100%和0%之间振荡, 上串辊伺服阀输出在0%和100%之间振荡, 进而造成上串辊和下串辊的液压管路都发生剧烈振动, 直至发生液压管路焊缝或接头处振裂事故。
2.2 AGC液压管路内应力引起液压管路振裂
冷轧投产后, AGC液压管路经常发生振裂事故, 经过检查发现AGC液压管路采用钢管, 由于轧机内空间小, 难以保证管道的空间安装精度, 尺寸有偏差, 使钢管总产生内应力。当机械振动时, 其振动会造成AGC液压管路焊缝或接头处振裂。
2.3 弯辊和串辊液压管路振动大引起液压管路泄漏
冷轧投产后, 弯辊和串辊的液压管路一直振动比较大。通过分析, 主要为了确保弯辊和串辊系统的快速性和准确性, 弯辊和串辊系统调试时没有协调好闭环系统快速性和准确性与稳定性之间的关系, 使系统的稳定性下降, 使弯辊和串辊系统振动大, 液压管路紧固件容易松动, 密封件失效产生泄漏。
2.4 密封件损坏引起液压管路泄漏
维护工作中, 密封件管理混乱, 安装时选型不当、装配不当均造成密封件容易损坏而产生泄漏。
2.5 液压油温度引起液压管路泄漏
轧机高压系统由于动作响应快, 产生的热量高。夏季时, 虽冷却器一直在运行, 但高压液压油工作温度达到60℃。高温使液压油粘度降低更容易发生液压泄露, 高温使非金属密封件加速老化而过早损坏。
2.6 液压管路泄漏无法发现造成长时间泄漏
轧机高压出现漏油时, 维护人员无法短时间发现, 每次直到油位低于报警极限时才发出报警, 给冷轧厂造成巨大的经济损失和污染。
3 轧机液压高压系统泄漏的控制措施
3.1 中间辊串辊位移传感器引起液压管路振裂问题的处理
针对轧机串辊位移传感器数值中含有干扰脉冲导致液压管路振动, 采取以下措施:
1) 通过分析伺服阀正常工作时的输出, 对伺服阀的输出增加限幅环节, 采用正常生产时的输出作为限幅环节的限幅值。轧机串辊伺服阀输出限幅程序如图2所示:
在增加限幅程序之前, 伺服阀输出可以在-100%~+100%之间变化, 通过观察实际伺服阀输出, 可以发现轧制过程中伺服阀实际输出在-10%~+10%之间变化, 换辊过程中由于串辊需运行到换辊位置, 伺服阀输出在串辊启动瞬间可以达到-100%或+100%, 然后实际输出减少到-30%~+30%之间。
增加的轧机串辊伺服阀输出限幅程序中, 当不在换辊模式时, 选择模块选择最大负限幅-10%和最大正限幅+10%给限幅模块, 伺服阀输出只能在-10%~+10%之间变化;当在换辊模式时, 选择模块选择最大负限幅-30%和最大正限幅+30%给限幅模块, 伺服阀输出只能在-30%~+30%之间变化。通过增加限幅程序, 在串辊位移传感器数值中含有干扰脉冲, 轧制过程中伺服阀输出也只能在-10%~+10%之间变化, 换辊模式时才短时间允许在-30%~+30%之间变化, 杜绝了串辊位移传感器数值中含有干扰脉冲导致的液压管路振动爆裂事故。增加限幅程序后, 位移传感器含有干扰脉冲是, 轧制过程中伺服阀输出也只能在-10%~+10%之间变化, 如图3所示。
同理, 通过分析分析支承辊平衡、工作辊平衡弯辊、中间辊平衡弯辊系统, 对支承辊平衡、工作辊平衡弯辊、中间辊平衡弯辊系统的伺服阀输出增加了限幅程序, 防止了检测元件损坏造成的系统振荡。
2) 同时为了及时发现串辊位移传感器含有干扰脉冲, 增加了串辊位移传感器干扰脉冲检测程序, 如图4所示。
在程序中, 减法模块将串辊当前位置和赋值模块输出的串辊位置相减, 即将PLC采集到的串辊当前位置和PLC前一个扫描周期的串辊位置相减, 将结果用绝对值模块取绝对值后, 送到比较模块, 如果结果大于0.03, 说明存在干扰脉冲, 计数模块将对干扰脉冲进行计数, 如果干扰脉冲总数超过一定幅度时, 说明串辊位移传感器已经损坏, 需要更换, 在操作画面中弹出串辊位移传感器损坏报警。通过增加串辊位移传感器干扰脉冲检测程序, 维护人员可以及时发现串辊位移传感器已经损坏, 并及时进行更换, 避免液压管路爆裂事故。
3.2 AGC液压管路内应力引起液压管路振裂问题的处理
针对AGC液压钢管由于内应力, 振动会造成AGC液压管路焊缝或接头处振裂。将AGC液压钢管换成软管, 杜绝了AGC液压管路内应力引起液压管路振裂。
3.3 弯辊和串辊液压管路振动问题的处理
轧机弯辊和串辊系统在调试时, 当快速性和准确性与稳定性出现矛盾时, 应以产品质量为目的, 不能盲目追求高快速性和准确性。
通过分析可知, 冷轧酸轧机组在从当前卷带钢过渡到下一卷带钢时, 即过焊缝时, 弯辊和串辊设定值变化幅值较大。如果过焊缝时, 弯辊和串辊系统响应太快, 容易产生焊缝断带事故。因此, 在满足产品质量的前提下, 可以通过减小弯辊和串辊系统PID调节的响应频率, 既减小增益值KP或增加积分时间T, 提高轧机弯辊和串辊系统的稳定性, 建少弯辊和串辊系统振动。
3.4 密封件损坏问题的处理
针对液压密封件使用过程中, 常常出现密封件选用不当, 型号弄错, 装配不当等, 造成轧机高压液压丧失密封作用的不良后果。通过对高压液压系统分析, 明确液压系统的工作要求, 针对高压液压密封件应有耐高压、低磨擦磨损、抗老化等特性, 正确选用高压液压密封件。同时对轧机高压系统的密封件进行专门分类摆放和专业管理, 防止弄错密封件, 确保安装型号选用正确。安装密封件应防止划伤、扭曲, 保证安装质量。
3.5 液压油温度的控制
液压系统液压油的工作温度在35℃~45℃最佳。分析新钢冷轧高压液压油温过高的原因, 主要时轧机高压系统动作响应快, 发热量大, 而配套循环冷却装置冷却水夏季温度过高, 达到38℃, 无法进行有效冷却。针对液压系统循环冷却装置冷却水夏季温度过高的问题, 在轧机控制室的制冷水管增加一个分支到循环冷却装置, 将循环冷却装置循环水换成15℃的制冷水, 轧机高压系统的液压油得到有效冷却, 工作温度稳定在35℃~45℃, 杜绝了液压油温过高所造成的问题。
3.6 液压管路泄漏的监控
在生产过程中, 冷轧高压液压管路发生泄漏或爆裂, 维护人员无法及时发现, 往往造成油箱油位到低位时, 才发出报警, 造成油液泄漏事故扩大。
通过分析, 在轧机控制软件中增加轧机液压泄漏检测程序, 如图5所示。
由于轧机启动时, 油液内将从油箱内进入液压缸内。轧机停止时, 油液内将从液压缸内回到油箱内, 因此油箱油位在轧机启动和停止变化很大。所以在轧机启动或停止时, 脉冲模块将发出10分钟脉冲作用在选择模块, 选择模块将当前油箱油位发给比较模块输入1, 当前油箱油位同时直接连到比较模块输入2, 由于比较模块的两个输入都是当前油箱油位, 不进行泄漏检测。10分钟后, 存储模块将当前油箱油位存储, 选择模块将存储模块的输出发给比较模块, 比较模块的输入1是存储模块存储的启动或停止10分钟时的油箱油位, 比较模块的输入2是当前油箱油位, 比较模块将当前油位与存储油位进行比较, 如果当前油位比存储油位小2%, 则判定出现液压泄漏事故, 系统在操作画面和维护人员值班室发出液压泄漏报警。
通过增加轧机液压泄漏检测程序, 当轧机液压发生泄漏时, 维护和操作人员可以及时发现, 通过及时对泄漏点进行处理, 减少了轧机液压泄轧机高压液压系统的泄露造成的损失。
4 结论
四辊可逆冷轧机装配体的模态分析 篇8
目前, 在轧机的改进和研发工程中, 轧机的振动问题已成为企业关心的关键问题, 因此对轧机整体的振动特性分析就显得至关重要。有限元法是一种常用的高效能计算方法, 它具有对复杂几何结构的适用性、对各种物理问题的可应用性、建立在严格理论上的可靠性和适合计算机实现的高效性等特点, 现在已发展成CAD和CAM的重要组成部分之一[1]。本文针对350四辊可逆冷轧机进行模态分析, 确定轧机的固有频率及其相应的振型, 通过适当地调节轧制速度和工艺参数来避免对轧机影响较大的模态, 达到减小或消除共振、提高板带材轧制产品质量和增加经济效益的目的。
1 有限元模态分析理论
模态分析是动力学分析的基础内容, 工程上进行模态分析主要用于[2]: (1) 对设备改造进行模态分析, 可预知对轧机影响较大的模态; (2) 模态分析是其他动态特性分析的基础, 如瞬态分析、谐响应分析等。
假定物体为自由振动并忽略阻尼时, 其方程为:
其中:[M]为质量矩阵;[K]为刚度矩阵;[u]为位移向量。
当发生谐振动, 即u=Usin (ωt) 时, 方程 (1) 变为:
其中:ωi和φi分别为结构的第i阶固有圆周频率和振型。
在Mechanical模块中求以上方程式是在一定的假定条件下求解的, 即[K]和[M]都是常量, 且: (1) 假设材料是线弹性材料; (2) 使用小挠度理论, 不考虑非线性特性; (3) 不包含阻尼; (4) 假设结构没有激励。
2 某350四辊轧机装配体有限元模型的建立
2.1 SolidWorks三维实体模型的建立
由于Workbench自身对复杂模型的创建还存有一定的不足, 因此本文应用SolidWorks软件进行建模。再通过SolidWorks的无缝接口导入Workbench中进行有限元分析, 以有效提高工作效率, 缩短用户建模的时间, 简化分析工作。
为确保导入Workbench后模型能正确有效, 在简化处理时应注意以下几点:[3] (1) 忽略对结构模态影响很小的凸台、倒角和圆角等; (2) 机架作为支撑各部分的载体, 其上螺栓孔众多, 在机架的实际工作状态下, 由于螺栓孔装上螺栓后, 刚度得到相应的加强, 故在模态分析中忽略其孔型结构的影响; (3) 轧机附件 (如平衡压下装置) 品种繁多、形状复杂, 且对轧机整体影响不大, 故在建立模型中忽略; (4) 将装配体导入Workbench之前, 需要进行干涉检查, 保证各个零件之间不存在干涉; (5) 在SolidWorks中创建的实体模型不能直接导入Workbench进行分析, 需要将模型保存为Parasolid (*.x_t) 格式, 才能导入有限元软件中进行分析求解[4]。
四辊轧机机架由两片闭式机架组成, 机架的传动侧和机架的操作侧由上、下两根连接横梁连接而成, 整个机架又通过4个地脚螺栓与地基轨座牢固相连。通过改造设计, 将四辊轧机传统的机械电动压下系统, 改造成全液压AGC自动厚度控制系统, 因此, 可以忽略压下螺母的应力集中。对其进行合理的简化后, 建立的四辊轧机装配体三维几何模型如图1所示。实体模型的几何参数为:支撑辊直径D=220mm, 工作辊直径d=100mm, 机架窗口高度H=1 760mm, 机架窗口宽度B=1 100mm, 机架立柱断面面积F=40 992mm2。
2.2 有限元模型的建立
轧机机座有限元模型的建立流程如下:
(1) 将SolidWorks中建立的三维几何实体模型通过无缝接口导入Workbench中。
(2) 定义各构件的材料属性为同性材料, 输入的材料属性参数为:弹性模量E=200GPa, 泊松比u=0.3, 密度DENS=7 800kg/m3。
(3) 对整个四辊轧机装配体进行网格划分时, 对机架采用了Hex Dominant网格划分方法, 其他结构采用了自动网格划分方法。自动网格划分能够实现四面体与扫掠型划分之间的自动切换。当几何体不规则时, 程序会自动生成四面体网格;当几何体规则时, 会自动产生六面体网格。该轧机共生成节点170 552个, 单元98 973个。生成的有限元模型如图2所示。
3 某350四辊轧机装配体的模态分析
3.1 对四辊冷轧机装配体施加的约束条件
在工作过程中, 机架通过地脚螺栓与轨座紧密连接, 因此, 在机架地脚螺栓连接处施加全约束。如果零件之间存在相对滑动, 则接触设置为No Separation (不分离) 接触;如果零件之间不存在相对滑动, 则接触设置为Bounded (绑定) 约束。
3.2 四辊冷轧机装配体的模态分析结果
结构的振动可以表示为各阶固有振型的线性组合, 其中低阶固有振型较高阶对结构的振动影响较大, 低阶振型对结构的动态特性起决定性作用, 故进行结构的振动特性分析计算通常取前10阶即可[5]。应用Workbench有限元动力学分析模块, 求得的四辊轧机装配体的前10阶固有频率及振型如表1所示, 轧机的前6阶模态振型如图3~图8所示。
由图3～图8可以明显看出:机座整体振型不仅存在轧辊轴向摆动、水平轧制方向的摆动、机架立柱的弯曲振动, 而且存在一定形式的扭转振动, 故该振动形态都会对机座的强度、刚度造成一定的影响, 因此对机座整体进行动态特性分析尤为重要。由动力学特性分析理论可知, 轧机的频率应小于机座三个方向上的1阶频率, 否则机座会发生共振, 对轧制产品的精度造成严重的影响。通过机座三个方向上的1阶频率可以限定轧机的最大轧制速度, 从而有效地避免机座共振的发生。其中机座的垂直振动方向与Y轴方向一致, 轧机的轧制方向与X轴方向保持一致, 轧辊的轴向方向与Z轴方向保持一致。
图3为四辊冷轧机第1阶模态振型, 其固有频率f1=107.62 Hz, 由1阶振型图可知机架整体沿Z轴方向摆动, 该阶模态对轧机的垂直振动影响不大。
图4为四辊冷轧机第2阶模态振型, 其固有频率f2=189.93Hz, 由该阶振型云图可知机座整体沿X轴方向摆动, 故该阶模态对轧机的垂直振动影响不大。
图5为四辊冷轧机第3阶模态振型, 其固有频率f3=206.11 Hz, 由振型云图可知轧机机座绕Y轴扭转振动, 机架中部有一定的弯曲变形, 故对轧机的垂直振动有一定的影响。
图6为四辊冷轧机第4阶模态振型, 其固有频率f4=391.62Hz, 由振型云图可看出轧机机座绕X轴扭转振动, 故该阶模态对机座的垂直振动影响不大。
图7为四辊冷轧机的第5阶模态振型, 其固有频率f5=452.49 Hz, 由振型云图可看出轧机机座绕Y轴对称扭转振动, 机架的中部有一定的弯曲摆动, 故对轧机机座的垂直振动有一定影响。
图8为四辊冷轧机的第6阶模态振型, 其固有频率f6=510.45Hz, 由振型云图可知机座整体绕Z轴方向摆动, 该振动模态对机座垂直振动影响不大。
通过对轧机机座的前10阶固有频率和振型云图分析可知, 轧机发生自激振动与轧机自身的固有频率密切相关。前3阶模态固有频率比较集中, 其振型主要表现为轧机机座整体的摆动和扭转振动, 频率比较小且集中, 因此在实际轧制过程中, 需要适当设置轧制速度防止其与轧机的固有频率一致, 造成轧机发生共振, 从而影响板带产品的质量和精度。
4 结论
(1) 利用有限元分析软件Workbench对四辊可逆轧机装配体进行模态分析, 只要正确处理好边界约束条件, 即可得到轧机合理的固有频率和相应的振型, 它不仅为动态设计提供了可靠的理论依据, 而且为瞬态分析、谐响应分析打下了基础。
(2) 通过对四辊轧机装配体的模态分析, 可知对轧机垂直振动影响最大的模态阶数和固有频率。在轧制过程中, 可以通过调节轧制速度来避免轧机产生共振, 对提高产品质量有着十分重要的实际意义。
参考文献
[1]巫山, 孙华, 周文.减速机齿轮的模态分析和研究[J].设计与研究, 2010 (9) :20-21.
[2]浦广益.ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社, 2010.
[3]徐春雨, 陈刚, 周渊键, 基于SolidWorks和ANSYS某舵机齿轮装配体模态分析[J].机械传动, 2012, 36 (4) :81-83.
[4]李宗坤, 张宏洋, 王建有, 等.SolidWorks建模以及与ANSYS的接口问题探讨[J].中国农村水利水电, 2007 (9) :82-84.