1880热轧液压活套分析与应用_液压系统应用与分析

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热轧1880新装备&新技术

1880热轧液压活套分析与应用

王启尧 谢捷

宝钢分公司热轧厂1880 设备车间，上海 201941 摘要1880热轧活套采用新型伺服液压系统，比一热轧、二热轧活套马达控制方式响应更快、精度更高。本文主要从液压活套的伺服控制系统应用与电气控制方式等方面进行着重分析。1880热轧活套控制系统除了传统控制方式之外，还有较为先进的张力与角度结耦控制的ILQ控制方式，前机架间还可以选择投入微张力控制。针对三热轧活套的特点，对活套的控制方式和时序进行研究分析，提高活套在生产过程中的稳定性。关键词 液压系统、伺服阀、单位张力、ILQ控制

1880 hot rolling mill adopts new type hydraulic servo control system.，which have Abstract：quick response and high accuracy than the motor control loopers in NO.1 and NO.2 hot rolling mill.The thesis mainly analyzes the aspects for the application of hydraulic looper servo control system and electrical control.Besides the convention control mode，there is also ILQ control mode in NO.3 hot rolling mill，which uses the coupling control in tension and angle.It also can choose to use looperle control in the frontal stand.It analyses the control mode and timing through the loopers characteristic in NO.3 hot rolling mill in order to advance the looper stability in production.Keywords：Hydraulic system Servo valve unit tension ILQ control

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1.引言

目前，世界上带钢热连轧生产中的活套有电动和液压2种，电动活套采用低惯量快速直流电机驱动，一般从起套到升至工作角约0.5秒，到建立给定的张力则共需1S左右，又根据电动活套系统中电机的转矩与带钢张力转矩、重力转矩之合成转矩成对应正比关系，以及电动机转矩与电流对应正比关系可知，直流电机的电流便是电动活套张力控制系统的主要控制对象，通过对电机电流的动态调节，可起到活套对带钢恒张力控制的工艺目标。而液压活套系统惯量更小，快速性和追随性更优，从起套到建张的时间远小于1S,液压活套主要以安装于液压缸内有杆腔、无杆腔里的压力传感器通过检测实际液压缸输出力，并借助对应系统设定模型，将该输出力与活套对带钢的张力关联起来，来达到对带钢恒张力的控制目标。后者控制方式更为简便且应用设备成本相对前者要低。因而，液压活套的应用越来越广泛。

图1 液压活套外形图

2.液压活套控制系统应用分析 2.1 带钢张力计算模型的解析 2.1.1传统带钢张力计算模式

传统的带钢张力控制采用的是开环控制方式，在基于确定活套转角和高度的条件下，系统主要依据L2模型设定的参考值来自动控制活套驱动油缸的液压力输出，以达

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到恒张力控制的要求。

图2 活套结构几何模型图

如图2所示，，，；油缸摆角；

由此，可首先依据上文中套量与活套转角之间的对应关系求得活套转角θ的实际数值，然后由油缸内部的位臵传感器检测出油缸活塞杆的实际位移量，得出此刻l3的测量值。同时又因为，可分别求出γ和油缸摆的值。

因为Q点是转动支点，所以液压缸驱动力在P点的力矩TLP和活套在R点的力矩相等，即TLPTRT。根据图2，表达式细化为TFRR1F2l2。而F2与液压缸输出力F2之间的关系式为F2FLCOS(2－γ－ψ）＝FLCOS(＋－γ）,因液压缸驱动力FLπ可根据压力传感器检测出的油缸无杆腔、有杆腔的压力值分别与活塞作用面积的乘积的差值来求出，即FLPHEAD*AHEADPROD*AROD。

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由此，便可根据上述条件和已求得的参数值来计算出力矩TLP的实际值{TRTLPl2*FLcos()}，为下文的带钢张力传统计算模式提供必要的处理数据。

活套所受的载荷力矩如下关系式描述：

1)带钢张力作用在活套上的力矩：；

f3()A

A-带钢横断面截面积(mm2)，-带钢横断面上单元面积的张力值〔MPａ〕,2)带钢重力作用于活套上的力矩

f4()gRW1S/2cos

9WWhL10(kg), R1为活套辊中心到支点的力臂 S带钢重量

3)活套自身重力作用的力矩f5()

f5()gRGWLcos

RG为活套辊在支点处的力臂，WL为活套自身的重量，依据1880图纸得到RG＝194mm, WL=1590kg；

4)带钢弯曲力作用在活套上的力矩：f6()

33f()4E/LWh(R1sinH1R2)R1cos 6根据材料力学弯曲力公式可演化得到

此时，依据前文总结的活套所受力矩平衡公式，TLPTRT，TFRR1F2l2, F2FLcos(/2)FLcos()等求出T的实际值，再由等式 T=+

＋

＋, 便可求出液压活套在工作状态时所需要保证的带钢横断面上单元面积的张力值

〔MPａ〕

2.1.2 融合LOAD CELL后的带钢张力计算模式

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1)带钢张力作用在活套辊上的分力合：FT(N)

作的角平分线，然后将BA、AC段上的张力分别向的角平分线上投影，便可得到带钢张力作用在活套辊上的分力合。

=

2)带钢重力:

FSgWS/2 3)带钢弯曲力：

FB4EWh3(R1sinH1R2)/L3 4)活套辊重力：

L/C5)load cell 所测的合力 F

由此，可列出load cell测量值与活套辊所受的各种载荷之和的平衡方程：

FL/CFL/COPFL/CDR(FTFSFB)cos()FL 上式中，；为load cell的安装角度，如下图3所示；

图3 load cell 装配位臵示意图

因而，〔MPa〕 带钢横断面上单元面积的张力值如此，便可获得液压活套在工作状态时所需要保证的带钢张力值。2.2 活套控制方式 2.2.1ILQ控制方式

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1880活套除了具有传统控制方式之外，还有ILQ控制方式。与传统控制方式不同的是ILQ控制方式中活套的张力与套量都是闭环控制，且张力和套量还有结耦控制。在真正的轧制控制中主要保持活套套量不变而对活套的张力进行调节。同样当前机架的速度发生变化时，会导致机架间的流量不平衡，ILQ控制方式就是保持活套值迅速增加一个额外的角度α值而保持角度不变，通过改变前机架的速度来达到调整机架间的张力，保持机架间的流量平衡。ILQ控制方式活套套量的波动比较小，相对而言对于张力调整量的值也不是很大，运用了张力和角度的结耦控制，精度比较高。但是也正是由于ILQ控制是双闭环控制和结耦控制，使得在起套和落套时相对不太稳定，所以在起套和落套时我们仍然使用传统的活套控制方式。

图4 ILQ控制原理图

2.2.2微张力控制方式

当轧制厚板时，由于厚板比较难以弯曲，使用活套控制会造成控制的不稳定，所以在机架间我们可以采用微张力控制，也就是不使用活套的机架间张力控制。三热轧FE1-F1，F1-F2，F2-F3之间具有微张力控制功能，需要注意的是F2-F3之间的微张力控制只有当F1机架空过时才能实现。当活套发生故障时，在紧急情况下我们也可以使用微张力控制。微张力控制可以预估带钢的张力，通过预估的单位张力来控制机架间的张力。

微张力控制原理如下图所示，L2下发一个机架间的单位张力，该单位张力通过机架的侧压头测得的轧制力、轧制力矩、以及PLC计算得到的机架出口厚度、L2下发的带钢宽度、和L2下发的影响系数计算得到的实际单位张力进行补正，补正后的单位张力通过PI调节器之后得到前机架的速度修正值来调节前机架的速度，从而进行机架间的单位张力调节。

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图5 微张力控制原理图

机架里侧压头采样得到的轧制力、轧制力矩经过计算后得到的单位张力实际值的准确性对于微张力控制也十分关键。当Fi机架咬钢时，Fi＋1机架的侧压头开始采集轧制力，采样周期为CPU的扫描周期50ms一次，当采集满50次之后计算一次轧制力的平均值，之后再采集到的数据就覆盖最前面一次扫描周期的数据，保证计算得到的轧制力的平均值是最新采集到的50个数据的平均值。当然在Fi＋1机架咬钢之前轧制力基本为0，在Fi＋1机架咬钢后轧制力开始变化。当Fi＋1机架咬钢时有一个锁定值，微张力开始控制，通过采集到的最新50次的轧制力、轧制力矩的平均值，以及Fi＋1咬钢后PLC计算得到的Fi＋1机架的出口厚度和L2下发的出口宽度的设定值以及L2下发的影响系数，计算得到带钢的实际单位张力。图10是轧制力、轧制力矩采样方式。

图6 轧制力、轧制力矩采样方式

3.设备维护关键要素分析

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3.1 活套辊变形在线检测手段研究

依据2050热轧生产线实际经验反馈，在高负荷、高频率的生产节奏下，且活套辊又由于自身结构的单薄性，较容易产生弯曲变形，导致轧钢时出现抖动，从而会对连轧板坯的质量要求产生较大影响。以往，由于工艺高产量要求的条件约束，同时，缺乏实时动态跟踪活套辊的在线使用状态的手段，致使机械设备维护人员只能在定修当日，用百分表对活套的径向跳动量进行检测，从而依据检测数据来确定活套是否继续在线沿用或者进行备件更换。这样不仅检测间隔周期长，而且不利于动态把握设备的运行状态，为高效管理设备制造了一定的难度。

为此，依据这段时间内对活套应用技术的理解和掌握，提出一种对1880活套变形进行在线检测和跟踪的手段，以供研讨。当活套相对于带钢作纯滚动时，活套的转动存在一定的周期性T，可由此设因活套变形而造成系统抖动的频率为f(f=1/T),随着辊子的转动，活套的起套量也以f的频率发生着变化，这个变化又可以在活套转角信号θ的频域中反映出来。

1880精轧活套辊半径为92.5mm，第i台机架带钢出口速度为Vi,则第i个活套辊的转速为ni2wi2vi/r=2vi/92.5

所以，在活套转角信号θ的频域中，若包含与该频率相近的信号，则表明该活套辊已存在变形。

经过与电气技术人员的交流，我们发现可以间接在TIMEC设计的ODG（online date gathering）在线数据收集功能图表中根据50ms/次的数据扫描频率来进行活套转角周期变化着的频率的检测和跟踪。3.2液压活套系统故障树分析图表

图7液压活套系统故障树分析图表