酸洗機(jī)組CPC對(duì)中系統(tǒng)的缺陷分析及解決措施

呂昌陽，馬曉琴，王明揚(yáng)

（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(chǎn)工藝中的第一道工序，其主要特點(diǎn)是工藝設(shè)備多、帶鋼運(yùn)行線路長(zhǎng)、帶鋼容易跑偏等。萊鋼冷軋機(jī)組為淺槽紊流推拉式鹽酸酸洗機(jī)組，為確保帶鋼在機(jī)組當(dāng)中沿機(jī)組中心線穩(wěn)定運(yùn)行，該酸洗機(jī)組在入口及出口區(qū)域各加裝了一套CPC對(duì)中系統(tǒng)(Central Position Control System)。該機(jī)組出口區(qū)域的CPC對(duì)中系統(tǒng)位于活套與切邊圓盤剪之間，主要用于控制帶鋼沿機(jī)組中心線運(yùn)行進(jìn)入切邊圓盤剪，從而使帶鋼兩側(cè)切邊均勻。自投入使用以來，由于帶鋼原料彎曲比較嚴(yán)重，該CPC對(duì)中系統(tǒng)伺服液壓缸經(jīng)常處于全行程狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)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(chǎn)生嚴(yán)重的質(zhì)量問題，影響正常生產(chǎn)節(jié)奏，成為制約生產(chǎn)的瓶頸。

二、CPC系統(tǒng)的組成

CPC對(duì)中系統(tǒng)是一套完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要由平行光發(fā)射器、平行光接收器、PLS（Parallel Light Sensor）、控制單元、液壓伺服系統(tǒng)、糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(shè)備安裝精度不高、帶鋼板型較差、設(shè)備損壞變形、檢測(cè)元件老化等。對(duì)運(yùn)動(dòng)中的帶鋼進(jìn)行糾偏，其應(yīng)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(jī)組主要是采用了摩擦糾偏的原理，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)為3#夾送輥。

采用液壓壓下的夾送輥夾持運(yùn)行的帶鋼，然后通過伺服液壓缸帶動(dòng)夾送輥框架整體沿垂直于帶鋼運(yùn)行方向運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)角，直到到達(dá)元件檢測(cè)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(shù)μ、液壓缸的壓力p、糾偏控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間t、平移位移s、框架轉(zhuǎn)角σ等。

四、故障分析

通過一段時(shí)間的運(yùn)行，目前萊鋼冷軋酸洗CPC對(duì)中糾偏系統(tǒng)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(tǒng)糾偏能力不足，設(shè)備安裝精度不高以及輥身的設(shè)計(jì)有缺陷。

1.對(duì)于系統(tǒng)糾偏能力不足的分析。負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)帶鋼對(duì)中作用的夾送輥為伺服液壓缸驅(qū)動(dòng)的四連桿機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)可以分解為繞支點(diǎn)O的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿垂直與帶鋼運(yùn)動(dòng)方向的移動(dòng)。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(shù)μ；轉(zhuǎn)角∠EOF的大小，如圖1所示。

圖1 四連桿搖擺機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)分析

液壓缸的行程P=±100mm，在P=100mm的情況下計(jì)算，支座距離AB=3 100mm，連桿CD=2 260mm，擺臂AC=520mm，計(jì)算的∠EOF=±3.02°，連桿C1D1的最大移動(dòng)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(zhuǎn)造成糾偏距離縮短。由此可見該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)糾偏能力不足。

2.對(duì)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(jié)構(gòu)，在使用過程中經(jīng)常受到帶鋼張力沖擊及交變應(yīng)力的作用，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)輥身膠層脫落和輥?zhàn)虞S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(tái)電機(jī)連接減速機(jī)并通過齒輪分配箱驅(qū)動(dòng)，上下輥都是主動(dòng)輥，上輥通過液壓缸實(shí)現(xiàn)壓下。夾持鋼帶后通過底座上液壓缸驅(qū)動(dòng)機(jī)架擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)中作用。輥身上任一點(diǎn)的受力情況如圖2所示。Fr是由正壓力產(chǎn)生的徑向力，F(xiàn)n是對(duì)中過程中所受的軸向力，F(xiàn)a是輥?zhàn)蛹铀蛶т撍纬傻那邢蛄ΑＭㄟ^一組數(shù)字計(jì)算可以分別算出各個(gè)力的大小。

Fr=18 463.2N；

Fa=Fr·μ1=11 077.92N，μ1=0.3為帶鋼與輥?zhàn)訚L動(dòng)摩擦系數(shù)；

Fn=Fr·μ2=14 770.56N，μ2=0.4為帶鋼與輥?zhàn)拥撵o摩擦系數(shù)。

采用平行四邊形法則，計(jì)算三個(gè)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(jì)算為：1.5m×πd=1.2m2，最大接觸強(qiáng)度為26 110.8÷1.2=21.759kN/m2。經(jīng)過試驗(yàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，目前在線使用的夾送輥襯膠層的抗撕裂強(qiáng)平均為25kN/m2，在一般情況下能夠完成加送對(duì)中任務(wù)，但是在板形不好或是張力波動(dòng)較大的情況下，就會(huì)造成膠層撕裂和脫落。

五、解決措施及功能優(yōu)化

1.提高CPC執(zhí)行機(jī)構(gòu)的糾偏能力，合理匹配轉(zhuǎn)動(dòng)角度∠EOF和平移距離Smax的大小。通過計(jì)算可以得知，增加液壓缸的行程和縮短AC桿的長(zhǎng)度，可以提升糾偏能力。同時(shí)增加AB桿的距離可以增大轉(zhuǎn)角∠EOF的值，從而提高糾偏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角，提高糾偏能力。通過實(shí)施改造后，目前，萊鋼冷軋酸洗機(jī)組的CPC對(duì)中系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的平移距離為±180mm，糾偏轉(zhuǎn)角達(dá)到6.83°，糾偏能力顯著提高。

2.針對(duì)夾送輥襯膠層抗撕裂強(qiáng)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(xué)性能，達(dá)到了使用要求。

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

改造后，效果顯著，萊鋼酸洗機(jī)組CPC對(duì)中夾送輥的膠層開裂現(xiàn)象徹底杜絕，生產(chǎn)順利進(jìn)行得到有效保證。

3.針對(duì)CPC執(zhí)行機(jī)構(gòu)夾送輥軸頭斷裂的問題，解決措施是改變夾送輥的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。采用通軸設(shè)計(jì)代替原有的半軸設(shè)計(jì)，從而提高夾送輥軸頭的承載能力，具體結(jié)構(gòu)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(fā)生斷裂的問題。

圖3 夾送輥結(jié)構(gòu)示意圖

六、結(jié)論

在實(shí)施多項(xiàng)改造之后，萊鋼冷軋酸洗機(jī)組的CPC系統(tǒng)的糾偏能力得到顯著提高，同時(shí)設(shè)備故障明顯減少，對(duì)中效果得到顯著提升。在近1年的運(yùn)行中，帶鋼在酸洗機(jī)組出口段的跑偏現(xiàn)象得到徹底解決。

[1]鄒家祥.軋鋼機(jī)械[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

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[3]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.