2100mm熱粗軋機(jī)側(cè)導(dǎo)尺液壓系統(tǒng)伺服控制改造

李國斌， 白 潔

(東北輕合金有限責(zé)任公司， 哈爾濱 150060)

1 2100mm熱粗軋機(jī)側(cè)導(dǎo)尺現(xiàn)狀

我公司南線2 100mm熱軋機(jī)是大改造項目中的關(guān)鍵設(shè)備，其中2 100mm熱粗軋機(jī)由中國有色金屬設(shè)計院設(shè)計、制造，2 100mm熱精軋機(jī)控制系統(tǒng)由西門子-奧鋼聯(lián)提供，主體機(jī)械設(shè)備由中國第一重型機(jī)械集團(tuán)公司合作制造。為南線冷軋機(jī)及橫剪等設(shè)備提供熱軋毛料，經(jīng)分卷后也可供老線軋機(jī)使用。

在調(diào)試中2 100mm熱粗軋機(jī)出現(xiàn)側(cè)導(dǎo)尺加持力過大，致使坯料在輥道上打滑，影響軋制，以及側(cè)導(dǎo)尺在板材邊部不整齊時發(fā)生碰撞、抖動劇烈的情況，很容易導(dǎo)致機(jī)械損傷。通過人為干預(yù)和調(diào)整程序設(shè)置側(cè)導(dǎo)尺將帶坯對中后打開，造成軋制過程中經(jīng)常出現(xiàn)頭部偏斜的情況，嚴(yán)重時出現(xiàn)側(cè)彎。

2 100mm熱粗軋機(jī)側(cè)導(dǎo)尺工作原理及功能缺陷分析

2.1 2100mm熱粗軋機(jī)側(cè)導(dǎo)尺工作原理及液壓回路簡介

2 100mm熱粗軋機(jī)側(cè)導(dǎo)尺工作狀態(tài)如下：軋機(jī)側(cè)導(dǎo)尺的定位測寬功能是通過位置傳感器來測量液壓缸實際位置，計算側(cè)導(dǎo)尺開口度來確定坯料的寬度，并且根據(jù)設(shè)定的夾持力自動夾持板坯。側(cè)導(dǎo)尺的夾持力的設(shè)定值在L1級HMI中設(shè)定，設(shè)定值可分為手動、自動兩種方式。手動方式下，側(cè)導(dǎo)尺的夾持力由操作手直接給定；自動方式下，側(cè)導(dǎo)尺根據(jù)設(shè)定的單位厚度夾持力和板材實際厚度自動計算出所需的夾持力。

軋機(jī)從左至右軋制時，軋機(jī)右側(cè)側(cè)導(dǎo)尺打開到最大開口度位置，當(dāng)帶坯的頭部進(jìn)左側(cè)導(dǎo)尺后，物料跟蹤檢測到帶坯已進(jìn)入左側(cè)導(dǎo)尺，發(fā)出指令讓左側(cè)導(dǎo)尺快速以小壓力(壓力傳感器可顯示)夾持住，帶坯在輥道上繼續(xù)前進(jìn)，直至帶坯被軋機(jī)咬入，側(cè)導(dǎo)尺切換成大壓力夾持，軋機(jī)升速軋制直至帶坯完全通過軋機(jī)；

軋機(jī)從右至左軋制時，左側(cè)側(cè)導(dǎo)尺打開到最大開口度位置，當(dāng)帶坯的頭部進(jìn)右側(cè)導(dǎo)尺后，物料跟蹤檢測到帶坯已進(jìn)入右側(cè)導(dǎo)尺，發(fā)出指令讓右側(cè)導(dǎo)尺快速以小壓力(壓力傳感器可顯示)夾持住，帶坯在輥道上繼續(xù)前進(jìn)，直至帶坯被軋機(jī)咬入，右側(cè)導(dǎo)尺切換成大壓力夾持，軋機(jī)升速軋制直至帶坯完全通過軋機(jī)；

液壓回路中帶有比例減壓功能的插裝閥控制液壓缸的夾持力，通過控制系統(tǒng)設(shè)定比例溢流閥電流，可以連續(xù)調(diào)節(jié)回路壓力并最終保持在設(shè)定壓力上，通過壓力傳感器檢測并反饋至控制系統(tǒng)形成壓力閉環(huán)控制。位置傳感器檢測液壓缸位置，計算側(cè)導(dǎo)尺開口寬度。三位四通換向閥控制4個插裝閥完成液壓缸的換向及位置保持。當(dāng)負(fù)荷超出系統(tǒng)設(shè)定壓力時，減壓功能的插裝閥完全關(guān)閉，液壓油可以從帶減壓功能的控制蓋板溢流，當(dāng)溢流不足以穩(wěn)定油壓時，液壓回路內(nèi)壓力上升，安全溢流閥將會開啟，將較大量的液壓油溢流，保證液壓回路的壓力不會繼續(xù)升高，出現(xiàn)機(jī)械設(shè)備損傷，溢流閥溢出的液壓油將進(jìn)入液壓缸的另一側(cè)，不足的油將從回油管路補(bǔ)充。

2.2 2100mm熱粗軋機(jī)側(cè)導(dǎo)尺功能缺陷分析

按照設(shè)備廠家設(shè)計，已有相同設(shè)計結(jié)構(gòu)的軋機(jī)在其他鋁加工企業(yè)調(diào)試完成并且正常工作，但是基本都是生產(chǎn)軟合金或純鋁產(chǎn)品。經(jīng)分析，在軋制過程側(cè)導(dǎo)尺在一個較大夾持力下壓緊帶坯的側(cè)面，相當(dāng)于一個小的立輥軋機(jī)與水平軋機(jī)形成連軋功能，這將對側(cè)導(dǎo)尺產(chǎn)生一個軋制方向的摩擦力。由于我公司軋制的產(chǎn)品合金種類多，并且大部分是硬合金，經(jīng)過多道次軋制邊部很容易產(chǎn)生缺陷，這會在側(cè)導(dǎo)尺與軋機(jī)形成連軋時，對側(cè)導(dǎo)尺產(chǎn)生劇烈的沖擊。故夾持軋制的功能不適應(yīng)我公司的生產(chǎn)情況，不能作為自動軋制功能使用，應(yīng)該在需要時人工手動投入。

我公司北線3 950mm熱粗軋生產(chǎn)情況與南線2 100mm熱粗軋機(jī)基本相同，其側(cè)導(dǎo)尺使用情況良好，建議廠家按北線軋機(jī)調(diào)整側(cè)導(dǎo)尺的工作狀態(tài)。

2.3 3950mm熱粗軋機(jī)側(cè)導(dǎo)尺功能描述

3 950mm熱粗軋機(jī)側(cè)導(dǎo)尺功能描述如下：手動控制狀態(tài)下，通過控制按鈕的操作，側(cè)導(dǎo)尺開度任意調(diào)整，液壓缸可以停在任意位置；但在軋制狀態(tài)下，軋制方向入口側(cè)導(dǎo)尺手動干預(yù)只能閉合側(cè)導(dǎo)尺，夾持帶坯形成連軋，保證帶坯沿著機(jī)列中心線前進(jìn)；在自動控制狀態(tài)下，側(cè)導(dǎo)尺處于位置控制模式，控制系統(tǒng)根據(jù)L2下發(fā)的寬度值預(yù)設(shè)側(cè)導(dǎo)尺開口寬度(帶坯寬度+400mm)，使側(cè)導(dǎo)尺提前動作，減少對中帶坯的時間，這樣可以減少輔助時間，提高軋制節(jié)奏。待物料跟蹤系統(tǒng)檢測到帶坯進(jìn)入側(cè)導(dǎo)尺后，伺服閥根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定速度向液壓缸供油，推動側(cè)導(dǎo)尺快速夾緊，通過位置傳感器反饋檢測開口寬度接近設(shè)定值時，伺服閥按照系統(tǒng)設(shè)定減小閥開口度減少液壓油的供給，使側(cè)導(dǎo)尺減速，此時伺服閥轉(zhuǎn)為壓力控制模式，壓力值由控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前帶坯厚度給定，側(cè)導(dǎo)尺繼續(xù)閉合直至接觸帶坯，液壓缸達(dá)到設(shè)定壓力并保持，此時位置傳感器將把最新的帶坯寬度反饋給L2系統(tǒng)，作為下一道次的參考設(shè)定值。測寬后，側(cè)導(dǎo)尺控制再次轉(zhuǎn)為位置控制模式，開口寬度在測量值的基礎(chǔ)上打開12mm，以方便軋制時帶坯通過。當(dāng)帶坯接近時，如果側(cè)導(dǎo)尺開口寬度小于系統(tǒng)給定值+300mm，系統(tǒng)將給出警報，運(yùn)輸輥道將停止運(yùn)行，帶坯停留在輥道上以保護(hù)側(cè)導(dǎo)尺；如果側(cè)導(dǎo)尺在夾持中位置傳感器反饋坯料寬度已經(jīng)小于設(shè)定值20mm，側(cè)導(dǎo)尺自動打到最大開度進(jìn)行位置保護(hù)并發(fā)出警報，由操縱人員確認(rèn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)或檢查設(shè)備狀況后再繼續(xù)生產(chǎn)。

3 2 100mm熱粗軋機(jī)側(cè)導(dǎo)尺改造思路和方案

如果完全按照北線3 950mm熱粗軋機(jī)側(cè)導(dǎo)尺功能和液壓控制原理對2 100mm熱粗軋機(jī)側(cè)導(dǎo)尺液壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，由邏輯閥構(gòu)成的換向閥需要更換為大流量高響應(yīng)的比例閥，來構(gòu)成壓力、位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，才能實現(xiàn)對壓力及位置的精確控制。考慮到南線軋機(jī)使用液壓缸尺寸及工作速度均大于北線軋機(jī)，故北線的比例閥備件不能用于南線2 100mm熱粗軋機(jī)側(cè)導(dǎo)尺液壓系統(tǒng)改造，購買大流量、高響應(yīng)比例閥的周期過長，將會延長粗軋機(jī)的調(diào)試。影響熱精軋機(jī)的驗收工作。所以2 100mm 熱粗軋機(jī)側(cè)導(dǎo)尺改造盡可能保留原有的液壓回路功能，僅針對、解決現(xiàn)場發(fā)生的問題。

圖1 3950mm熱粗軋機(jī)側(cè)導(dǎo)尺液壓原理圖

3 2100mm熱粗軋機(jī)側(cè)導(dǎo)尺改造思路和方案

針對現(xiàn)場調(diào)試中存在的問題，調(diào)整后2 100mm熱粗軋機(jī)側(cè)導(dǎo)尺動作狀態(tài)如下：軋機(jī)側(cè)導(dǎo)尺的定位功能及夾持力設(shè)定不變。

軋機(jī)從左至右軋制時，軋機(jī)右側(cè)側(cè)導(dǎo)尺打開到最大開口度位置，當(dāng)帶坯的頭部進(jìn)左側(cè)導(dǎo)尺后，物料跟蹤檢測到帶坯已進(jìn)入左側(cè)導(dǎo)尺，發(fā)出指令讓左側(cè)導(dǎo)尺快速以設(shè)定壓力(壓力傳感器可顯示)夾持住帶坯，使帶坯對中，然后側(cè)導(dǎo)尺打開10～20mm，防止軋制中板帶出現(xiàn)過大的偏斜。帶坯在輥道上繼續(xù)前進(jìn)，直至帶坯完全通過軋機(jī)，側(cè)導(dǎo)尺打開并進(jìn)入下一道次軋制。

軋機(jī)從右至左軋制時，動作與上述相同。

為完成側(cè)導(dǎo)尺的動作控制，對液壓缸有三種控制方式。一層是壓力控制，為閉環(huán)系統(tǒng)，使得液壓缸在夾持帶坯時，液壓缸壓力按照LI或L2給定，由壓力傳感器檢測并反饋至控制系統(tǒng)，保證壓力恒定，使得在不同的帶坯厚度時使用不同加持力，防止板帶出現(xiàn)變形，影響測寬的精度及對中的效果。

二層是位置開環(huán)控制，用于夾持速度控制及位置檢測，提供側(cè)導(dǎo)尺的定位功能，即檢測物料寬度，為軋機(jī)L2系統(tǒng)提供軋制模型的寬度計算數(shù)據(jù)，此環(huán)節(jié)與壓力環(huán)結(jié)合在一起使用。

三層是位置閉環(huán)控制，用于在軋制前重新定位側(cè)導(dǎo)尺的寬度，保證側(cè)導(dǎo)尺開度大于物料寬度10～20mm，保證板帶在軋制中基本對中，防止板帶對側(cè)導(dǎo)尺的劇烈撞擊。

分析側(cè)導(dǎo)尺元液壓原理圖，系統(tǒng)原設(shè)計有壓力傳感器及位置傳感器，可以實現(xiàn)壓力閉環(huán)控制側(cè)導(dǎo)尺的夾持力及檢測物料寬度定位的功能。因為側(cè)導(dǎo)尺的工作速度高，達(dá)到200mm/s，以及邏輯閥響應(yīng)時間的不確定性，位置傳感器無法和邏輯閥閉環(huán)完成側(cè)導(dǎo)尺精確定位的功能，通過實際檢測，系統(tǒng)發(fā)出停止命令后，側(cè)導(dǎo)尺開口寬度的變化量在30mm以上，完全超出設(shè)備運(yùn)行需要的精度。 因此需要對液壓控制回路進(jìn)行改進(jìn)，完成第三層位置控制的要求。最終確定在原設(shè)計回路基礎(chǔ)上增加并聯(lián)回路，增加小流量換向閥通過控制工作時間來達(dá)到對側(cè)導(dǎo)尺小距離動作的控制，同時回路設(shè)計液壓鎖，防止兩套回路干涉。

經(jīng)過多次調(diào)整，設(shè)定電磁換向閥的工作時間，可以較好的調(diào)整側(cè)導(dǎo)尺的位置。現(xiàn)控制側(cè)導(dǎo)尺開口寬度與帶坯之間的間隙控制在20mm以內(nèi)。

4 結(jié)論

通過以上調(diào)試，增加的液壓回路達(dá)到了預(yù)期的目的，完成了側(cè)導(dǎo)尺二次定位功能，解決了目前軋機(jī)軋制過程中出現(xiàn)噪音、震動的問題，保證了設(shè)備安全。同時我們期望通過修改控制程序，使得主液壓回路控制側(cè)導(dǎo)尺高速運(yùn)行，輔助回路控制側(cè)導(dǎo)尺低速定位，也可實現(xiàn)側(cè)導(dǎo)尺預(yù)擺的功能，提前設(shè)置側(cè)導(dǎo)尺的工作點，可以有效地降低側(cè)導(dǎo)尺工作時間，進(jìn)一步優(yōu)化軋制節(jié)奏，提高生產(chǎn)效率。

[1]李四. 氧化鋁生產(chǎn)工藝學(xué). 冶金工業(yè)出版社，1993.10.