酸洗機組CPC對中系統的缺陷分析及解決措施

呂昌陽，馬曉琴，王明揚

（1.萊鋼板帶廠；2.萊鋼型鋼廠，山東 萊蕪 271104）

一、前言

酸洗是冷軋帶鋼生產工藝中的第一道工序，其主要特點是工藝設備多、帶鋼運行線路長、帶鋼容易跑偏等。萊鋼冷軋機組為淺槽紊流推拉式鹽酸酸洗機組，為確保帶鋼在機組當中沿機組中心線穩定運行，該酸洗機組在入口及出口區域各加裝了一套CPC對中系統(Central Position Control System)。該機組出口區域的CPC對中系統位于活套與切邊圓盤剪之間，主要用于控制帶鋼沿機組中心線運行進入切邊圓盤剪，從而使帶鋼兩側切邊均勻。自投入使用以來，由于帶鋼原料彎曲比較嚴重，該CPC對中系統伺服液壓缸經常處于全行程狀態，嚴重時造成帶鋼拉傷糾偏輥及糾偏框架，刮壞帶鋼邊部，造成切不到邊或切邊過多，產生嚴重的質量問題，影響正常生產節奏，成為制約生產的瓶頸。

二、CPC系統的組成

CPC對中系統是一套完整的閉環控制系統，主要由平行光發射器、平行光接收器、PLS（Parallel Light Sensor）、控制單元、液壓伺服系統、糾偏執行機構等部分組成。

三、糾偏原理

造成酸洗帶鋼跑偏的原因主要有設備安裝精度不高、帶鋼板型較差、設備損壞變形、檢測元件老化等。對運動中的帶鋼進行糾偏，其應用的原理主要有三種：一是摩擦糾偏，二是張力糾偏，三是前兩種的組合體。萊鋼冷軋機組主要是采用了摩擦糾偏的原理，其執行機構為3#夾送輥。

采用液壓壓下的夾送輥夾持運行的帶鋼，然后通過伺服液壓缸帶動夾送輥框架整體沿垂直于帶鋼運行方向運動及轉角，直到到達元件檢測的中心線為止。糾偏作用的效果主要取決于夾送輥與帶材之間的靜摩擦系數μ、液壓缸的壓力p、糾偏控制系統的響應時間t、平移位移s、框架轉角σ等。

四、故障分析

通過一段時間的運行，目前萊鋼冷軋酸洗CPC對中糾偏系統存在的主要問題是糾偏效果不好、夾送輥使用壽命短。故障的主要原因是系統糾偏能力不足，設備安裝精度不高以及輥身的設計有缺陷。

1.對于系統糾偏能力不足的分析。負責實現帶鋼對中作用的夾送輥為伺服液壓缸驅動的四連桿機構，其運動可以分解為繞支點O的轉動和沿垂直與帶鋼運動方向的移動。其糾偏能力的大小主要取決于：平移距離Smax；帶鋼與膠輥的摩擦系數μ；轉角∠EOF的大小，如圖1所示。

圖1 四連桿搖擺機構的擺動分析

液壓缸的行程P=±100mm，在P=100mm的情況下計算，支座距離AB=3 100mm，連桿CD=2 260mm，擺臂AC=520mm，計算的∠EOF=±3.02°，連桿C1D1的最大移動距離為±99.8mm。由此可見，擺桿CD的糾偏角度較小，而且在糾偏過程中由于偏轉造成糾偏距離縮短。由此可見該結構的設計糾偏能力不足。

2.對于夾送輥使用壽命過短的分析。由于酸洗CPC夾送輥采用的是鋼輥襯聚氨酯膠層的結構，在使用過程中經常受到帶鋼張力沖擊及交變應力的作用，導致經常出現輥身膠層脫落和輥子軸頭斷裂的問題。夾送輥受力分析如圖2所示。

圖2 夾送輥受力分析圖

3#夾送輥由上下兩根φ255mm的襯膠輥組成，它們由同一臺電機連接減速機并通過齒輪分配箱驅動，上下輥都是主動輥，上輥通過液壓缸實現壓下。夾持鋼帶后通過底座上液壓缸驅動機架擺動實現對中作用。輥身上任一點的受力情況如圖2所示。Fr是由正壓力產生的徑向力，Fn是對中過程中所受的軸向力，Fa是輥子加送帶鋼所形成的切向力。通過一組數字計算可以分別算出各個力的大小。

Fr=18 463.2N；

Fa=Fr·μ1=11 077.92N，μ1=0.3為帶鋼與輥子滾動摩擦系數；

Fn=Fr·μ2=14 770.56N，μ2=0.4為帶鋼與輥子的靜摩擦系數。

采用平行四邊形法則，計算三個力的合力：

Fr與Fn的合力F1=Frcos51.5°+Facos38.1°=23 644.34N

F1與Fa的合力F2=Facos64.9°+F1cos25.1°=26 110.8N

F2直接作用于輥身的交變摩擦力26 110.8N，接觸面積可以近似計算為：1.5m×πd=1.2m2，最大接觸強度為26 110.8÷1.2=21.759kN/m2。經過試驗檢測發現，目前在線使用的夾送輥襯膠層的抗撕裂強平均為25kN/m2，在一般情況下能夠完成加送對中任務，但是在板形不好或是張力波動較大的情況下，就會造成膠層撕裂和脫落。

五、解決措施及功能優化

1.提高CPC執行機構的糾偏能力，合理匹配轉動角度∠EOF和平移距離Smax的大小。通過計算可以得知，增加液壓缸的行程和縮短AC桿的長度，可以提升糾偏能力。同時增加AB桿的距離可以增大轉角∠EOF的值，從而提高糾偏系統的轉角，提高糾偏能力。通過實施改造后，目前，萊鋼冷軋酸洗機組的CPC對中系統執行機構的平移距離為±180mm，糾偏轉角達到6.83°，糾偏能力顯著提高。

2.針對夾送輥襯膠層抗撕裂強度偏低的問題，主要通過提高襯膠層的工藝性能來解決。采用新型的聚氨酯材料代替原有的襯膠層，從而提高了襯膠層的力學性能，達到了使用要求。

具體參數：硬度75邵氏A，拉伸強度17.5MPa，拉斷伸長率320%，撕裂強度98kN/m2，100%模量16MPa，300%模量29MPa，壓縮變形20%，回彈性40%，磨耗指標0.41cm2/1.61km，耐熱120℃。

改造后，效果顯著，萊鋼酸洗機組CPC對中夾送輥的膠層開裂現象徹底杜絕，生產順利進行得到有效保證。

3.針對CPC執行機構夾送輥軸頭斷裂的問題，解決措施是改變夾送輥的設計結構。采用通軸設計代替原有的半軸設計，從而提高夾送輥軸頭的承載能力，具體結構如圖3所示。

通過改造夾送輥，使其承載能力提高到原來的8.5倍，徹底解決了夾送輥軸頭發生斷裂的問題。

圖3 夾送輥結構示意圖

六、結論

在實施多項改造之后，萊鋼冷軋酸洗機組的CPC系統的糾偏能力得到顯著提高，同時設備故障明顯減少，對中效果得到顯著提升。在近1年的運行中，帶鋼在酸洗機組出口段的跑偏現象得到徹底解決。

[1]鄒家祥.軋鋼機械[M].北京：冶金工業出版社，2004.

[2]張景進.板帶冷軋生產[M].北京：冶金工業出版社，2008.

[3]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2004.