軋制線調整裝置控制

趙寶華

（寶鋼工程技術集團有限公司，上海 201900）

0 前言

在冷軋軋制時，要求軋制線始終保持在固定的高度位置[1]。在實際生產中，為了保證帶鋼表面質量，生產一段時間就需要對軋輥進行磨削，加上軋制過程中軋輥的磨損，軋輥的輥徑就會不斷地變小，從而導致軋制線高度發生變化。為了保持軋制線高度的恒定，就需要對其進行補償調整，軋制線調整裝置就是用來補償軋輥磨削變小，保證軋制線高度不變的裝置。軋制線調整裝置有很多種，按驅動力分為液壓式、電動式以及液壓-電動聯合式等，結構也有很多種，有調整墊式和斜楔式。調整墊式就是每次磨輥后根據輥子的磨削量計算出調整墊的厚度，然后根據需要在支撐輥軸承座與牌坊窗口之間添加調整墊，使保持軋制線高度恒定。斜楔式是通過動力裝置推動帶有斜面的斜板運動，從而改變墊在支撐輥軸承座和牌坊窗口之間斜板的有效厚度變化實現保持軋制線高度恒定的目的。階梯墊調整需要先把支撐輥軸承座與牌坊窗口之間預留出空隙，加上調整墊后再靠緊，還需要調整調整墊的厚度，動作比較復雜費時，但是結構簡單，調整量大。理論上斜楔調整的變化量是連續無須可調的，調整精度高，但是由于受空間和自鎖角度限制，斜楔不能做得很長，因此調整量有限。斜楔式調整更方便，由于隨著軋輥熱處理能力的加強，軋輥的磨輥量越來越大，單憑斜楔已經無法滿足調整量的需求[2]，因此出現了斜楔和階梯墊復合式調整機構，這種新的結構具有大調整量和精確調整2種特點，所以很快得到了普遍應用。斜楔和階梯墊復合式設備結構的軋制線調整裝置是我們討論的主題。

1 結構及工作原理

斜楔和階梯墊復合式結構的軋制線調整裝置一般安裝在機架的頂部，位于上支撐輥軸承座和牌坊窗口之間，主要由上部的斜楔和下部的階梯墊組成，2個部分之間通過“T”形滑槽相連。斜楔和階梯墊的尾部分別安裝了1個油缸，通過油缸推動斜楔和階梯墊橫向移動，達到調整軋制線標高的目的。階梯墊用于粗調，其高度方向分為幾個臺階，每個臺階為固定高度值，并且等差，因此只能階躍式地調節固定高度值。斜楔用于精調，其高度方向為1個連續斜面，可以無極調節階梯墊1個臺階高度值之間的任意值。兩者相互配合，就可以實現調節范圍內的無極調節，滿足補償新舊軋輥變化引起的任意軋制線高度變化值，達到精確定位軋制線高度的目的。

不同的調節范圍的斜楔和階梯墊復合式結構的軋制線調整裝置的參數略有不同，但是都大同小異，為了研究方便，該文以某廠的平整機軋制線調整裝置為目標進行研究。

斜楔主要參數包括以下3個：1） 斜度。tanα=1/20；行程為750 mm。2） 高度調節范圍。ΔH2=80 mm～117.5 mm。3） 推動油缸規格為Φ125/Φ70×800 mm（行程）。

階梯墊主要參數包括以下3個：1） 每個階梯高度。ΔH=37.5 mm。2） 臺階數。n=4階。3） 高度調節范圍為60.0 mm、97.5 mm、135.0 mm，172.5 mm；相鄰臺階水平方向間隔為l1=180 mm；推動油缸規格為Φ80/Φ45×720 mm（行程）。

斜楔和階梯墊調整裝置結構如圖1所示。軋機牌坊頂部的下方安裝了與斜楔斜面配合的固定斜塊，上支撐輥軸承座頂部安裝了與階梯墊接觸的弧形板。在圖1中，D1為上支撐輥直徑，D2為上中間輥直徑，D3為上工作輥直徑，H1、H4為固定值。軋制線調整裝置的目的為通過調整斜楔H2、階梯墊H3來補償D1、D2、D3的變化，保證H值不變。

2 控制數學模型

2.1 斜楔控制數學模型

如圖2所示，H2值的變化是通過斜楔油缸推動斜楔移動實現的。H2的具體值由位移傳感器測量斜楔移動的距離S2，然后通過斜楔的斜度可以計算得到，具體表達式如公式（1）和公式（2）所示。

根據公式 （1）和公式（2）可以得到新的表達式，如公式（3）所示。

式中：H20為斜楔S=0時的初始值，為1個固定值80 mm。

斜楔的斜度為tanα=1/20，由此可得研究對象斜楔高度H2的表達式，如公式（4）所示。

2.2 階梯墊控制數學模型

如圖3所示，H3值的變化通過階梯墊油缸推動階梯墊移動實現。H3的具體值由位移傳感器測量階梯墊移動的距離，然后通過測量數值確定臺階的數量計算得到。具體表達式如公式（5）所示。，可求得S1數值，

式中：H0為S1=0時的初始值，為1個固定值60 mm；ΔH為階梯墊相鄰2個臺階之間的高度差，也為1個固定值37.5 mm。

n由公式求得，n的取值為正整數。研究對象的S1的變化量mm，由此可得新表達式，如公式（6）所示。

2.3 斜楔和階梯墊控制數學模型

圖1 斜楔和階梯墊調整裝置結構圖

由圖1斜楔和階梯墊的結構可以得到表達式，如公式（7）所示。

通用公式中一般H、H1、H20、α、H0、H4以及都是常量，只有S1、S2、D3個量是變量。該通用公式既適用于六輥軋機和平整機，也適用于四輥的軋機和平整機軋制線調整裝置。

通過上式可以看出，式中H為要保證的恒定值，為了保證H數值不變，需要通過調整S1和S2數值的變化來抵消D的變化。如果ΔD為輥徑相對于最大輥徑時的磨輥量，整數部分取為n值，由小數部分乘以即為ΔH2值，由公式（9）

可求得S2數值。S1即為階梯墊的移動距離，通過階梯墊油缸推動，位移傳感器測量監控，使階梯墊到達要求位置，完成階梯墊的調整。但是一般為了簡化計算，直接列出D的取值范圍與S1的對應關系表格，根據表格中D值所在的范圍對應得到S1的值。S2即為斜楔的移動距離，通過斜楔油缸推動，位移傳感器測量監控，使斜楔到達要求位置，完成斜楔的調整。研究對象的S1、S2數值的具體確定方法如下。

由于研究對象的H1=105 mm；H4=920 mm；將H2、H3代入上式，可得表達式，如公式（10）所示。

其中S1的取值為-200 mm、0 mm、180 mm、360 mm和540 mm 5個值，換輥時取S1=-200 mm，其他具體取值情況由上支撐直徑D1、上中間輥直徑D2、上工作輥直徑D3決定，換輥前通過測量得到D1、D2、D3的值，并輸入控制系統，控制系統通過計算結果，根據D數值大小按表1取值。

圖2 斜楔調整原理圖

圖3 階梯墊調整原理圖

表1 輥徑與斜楔行程對應表

從表1中取得的S1數值，即為階梯墊的移動距離，通過階梯墊油缸推動，位移傳感器測量監控，使階梯墊到達要求位置，實現研究對象階梯墊的調整。

斜楔移動距離S2，如公式（11）所示。

求得的S2數值后，通過斜楔油缸推動，位移傳感器測量監控，使斜楔到達要求的位置，完成研究對象斜楔的調整。

3 液壓和電氣控制

斜楔和階梯墊調整都是由尾部的油缸推動實現的，高的調整速度可以節省調整所用的時間，同時調整到位時停止定位精度不高，影響了整個軋制線調整裝置的精度，尤其是斜楔的調整精度。低的調整速度可以得到高的停止定位精度，但是整個調整過程要花費更長的時間，無法滿足機組對換輥時間的限制要求。為了兼顧短時間和高精度2個特點，斜楔和階梯墊的調整采用了2個閥相配合的方式進行高速和低速控制。當斜楔和階梯墊調整時，離目標位置較遠時采用高速調整；當接近目標位置時，采用低速調整，從而實現短時間高精度調整的目的。

3.1 液壓控制

斜楔和階梯墊調整液壓控制系統都采用2組三位四通電磁閥并聯控制同一個油缸的方式進行控制，通過控制液壓缸的動作可以滿足斜楔和階梯墊快速大行程粗調整和低速精確停止定位要求。斜楔和階梯墊的液壓控制原理相同，具體液壓原理如圖4所示，電磁閥動作順序表見表2。

表2 電磁閥動作順序表

圖4液壓原理圖中有1組三位四通電液液壓控制閥D3H-1，有1組三位四通電磁液壓控制閥D3H-2，2組液壓閥結構和功能基本一致。這2組電磁閥根據需要共同控制同一個液壓缸的動作，另外，原理圖中的2組液壓閥回路中都有液控單向閥，在斜楔和階梯墊達到調整目標之后可以用來鎖住液壓缸，防止液壓缸位置發生變動，影響調整成果。

圖4 斜楔和階梯墊調整液壓原理圖

從表2可以看出，液壓缸低速調整時僅使用電液閥D3H-01進行控制，此時電磁閥D3H-02處于中位位置，該回路上的液控單向閥處于鎖緊位置，無液壓油通過；液壓缸高速調整時電磁閥D3H-01和D3H-02共同起作用，由于動作相同，起到了增加流量的作用，因此提高了液壓缸動作的速度，達到高速調整的目的；液壓缸處于停止位置時，電磁閥D3H-01和D3H-02都處于中位位置，此時2個回路上的液控單向閥都處于鎖緊位置，無液壓油進出油缸，油缸處于液壓鎖緊狀態。

3.2 電氣控制

軋制線調整裝置電氣控制采用西門子S7-400可編程控制器和ET200分布式遠程I/O系統。S7-400的CPU負責邏輯運算，ET-200輸入、輸出模塊及PROFIBUS總線負責信號的采集和命令輸出。整個程序最大循環周期為200 ms。新輥輥徑數據在磨完輥后由人工輸入HMI得到，根據新輥徑數據和軋制線調整數學模型可以計算得到斜楔和階梯墊的調整量。控制系統通過控制電磁閥的開斷時間來控制斜楔和階梯墊調整液壓缸的行走距離，而位移傳感器則用來測量斜楔和階梯墊的實際位置，起到確認位置并反饋的作用。位移傳感器采用MTS的RH系列磁致伸縮線性位移傳感器，測量行程900 mm，分辨率0.001 mm，程序的控制流程如圖5所示[3]。

圖5 流程圖

4 結語

通過對軋制線調整裝置的斜楔和階梯墊的結構和原理進行分析，分別得到斜楔和階梯墊的調整數學模型；然后將斜楔和階梯墊的數學模型結合起來，得到了斜楔階梯墊軋制線調整裝置控制通用的數學模型；最后從液壓和電氣2個方面對控制原理進行了簡單分析，提供了1種斜楔階梯墊軋制線調整裝置通用的控制方法，并且對該結構的軋制線調整裝置的控制有了全面的認識和理解，為進一步改進和提高控制系統精度提供了條件。