粗轧带钢液压宽度控制系统仿真与试验研究.pdf

粗轧带钢液压宽度控制系统仿真与试验研究 邹 俊 博士研究生 邹 俊1 傅 新1 杨华勇1 张健民2 1.浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,杭州,310027 2.上海宝钢集团公司研究院自动化所,上海,201901 摘要针对上海宝钢集团公司2050热轧机组的特点,建立了粗轧带钢液 压宽度控制系统的动力学仿真模型,并利用短行程控制的现场试验数据对数 值仿真结果进行验证,得到相吻合的结果。在此基础上,对不同参数和工况 下液压宽度控制系统对带钢品质的影响进行了分析,为轧制系统的离线仿真 和优化设计提供了有效的途径。 关键词粗轧带钢;液压系统;宽度控制;离线仿真 中图分类号TH137 文章编号1004 - 132Ⅹ200403 - 0245 - 03 Numerical and Experimental Investigations into Hydraulic System for Width Control of Rough Rolling Zou Jun1 Fu Xin1 Yang Huayong1 Zhang Jianming2 1. Zhejiang University ,Hangzhou ,310027 2.Bao Steel Technology Center ,Shanghai ,201901 Abstract The dynamic simulation model of hydraulic system for width control of rough rolling was es2 tablished based on the Bao Steel 2050 rolling mill. The simulation results were verified by the experimental data obtained in the short stroke control. The effects of hydraulic control system on the quality of rolling products were analyzed under various operation conditions and parameters by using the validated model. The work provides an active approach for off - line simulation and optimum design of rolling mills. Key words rough rolling;hydraulic system;width control ;off - line simulation 收稿日期20030331 基金项目国家自然科学基金资助项目50175097 0 引言 粗轧带钢宽度的精确控制可以降低带钢切边 损耗,提高带钢成材率,给热轧生产创造直接经济 效益[1]。目前国内钢铁企业在对现有粗轧带钢 宽度控制系统的技术改造中,主要采用在线试验 手段,既影响生产进度,又存在巨大的试验风险。 离线仿真技术提供了一种快速、 廉价、 低风险的试 验手段。本文通过对粗轧带钢液压宽度控制系统 的精确建模,为粗轧带钢宽度控制系统的优化设 计以及轧制系统的技术改造提供了理论依据和试 验平台。 1 液压宽度控制系统工作原理 粗轧带钢液压宽度控制系统采用液压闭环控 制,通过对轧制力和侧压缸活塞位移的实时测量, 连续调节侧压缸输出位移和压力,控制带钢宽度 偏差。整个宽度控制系统包含两个基本闭环回路 见图 1 。 图1 宽度控制系统框图 1轧制力的闭环控制回路 压力传感器将 检测到的轧制力反馈到过程机,过程机对机架弹 跳进行补偿计算。 2阀控缸的位移控制回路 给定位移值与 侧压油缸实际位移的差值作为伺服控制电路的输 入,控制伺服阀的输出压力和流量,驱动侧压油缸 活塞运动。 2 液压系统数学模型 粗轧带钢液压宽度控制系统主要由伺服阀、 液压缸、 立辊机架辊系、 蓄能器、 背压回油管路、 传 感器、 伺服放大器、 控制调节器等构成。 2. 1 伺服阀 当液压执行机构的固有频率低于50Hz时, 542 粗轧带钢液压宽度控制系统仿真与试验研究 邹 俊 傅 新 杨华勇等 伺服阀的阀芯位移与输入控制电流的动态关系可 由一阶环节表示[2] x s Is Kv s ωv 1 1 式中,ωv为伺服阀固有频率; Kv为伺服阀放大系数; s为 拉普拉斯算子。 当伺服阀正向导通,且油源与负载腔连通时, 其流量指体积流量,下同方程为 Qv Cdωx 2 ρ p s- pc ps pc2 Qv -Cdωx 2 ρ p c- ps pc ps3 式中, ps为油源压力; pc为负载压力; Cd为伺服阀流量系 数;ω为伺服阀面积梯度; x为阀芯位移;ρ为油液密度。 当伺服阀负向导通,且油箱与负载腔连通时, 其流量方程为 Qv Cdωx 2 ρpc pc04 Qv -Cdωx- 2 ρpc pc05 2.2 液压缸 根据液压缸流量平衡公式,液压缸的前腔压 力建立过程可由下式表示 dpc dt βe Vc Acxp [ Qv-Ac dxp dt -C pc-ph ] 6 式中,βe为液压油弹性模量; Vc为液压缸前腔初始体积; Ac为液压缸前腔有效面积; xp为液压缸输出位移; C为液 压缸泄漏系数; ph为液压缸后腔压力。 液压缸的后腔压力可表示为 dph dt βe Vh-Ahxp [ Ah dxp dt -Qh C pc-ph ] 7 式中, Ah为液压缸后腔有效面积; Vh为后腔初始体积; Qh为后腔流出流量。 液压缸的输出压力可以表示为 ΔF pcAc-phAh8 2.3 立辊机架辊系 根据集总原则,立辊机架可以简化为弹簧阻 尼系统,液压缸缸体固定在立辊机架上,机架在液 压力的作用下作受迫振动,液压缸的输出压力与 立辊的惯性负载力、 粘性摩擦力和轧制力平 衡[3],即 pcAc-phAh M0X0μ X 0- x 0 Fw 9 phAh-pcAcμ X 0- x 0 m0 x0 k0 x0 c0 x 0 10 xp X0-x011 式中, M0为立辊质量; m0为立辊机架质量;μ为液压缸粘 性摩擦系数; X0为立辊实际位置; x0为液压缸体位置; Fw 为轧制力; k0为立辊机架刚度; c0为立辊机架阻尼系数。 忽略带钢轧制后塑性回复,带钢宽度可以表 示为 Wo Wi2 X i- X012 式中, Xi为立辊初始位置; Wi为初始辊缝。 2.4 蓄能器 液压缸后腔与蓄能器相连,以维持后腔压力 的相对稳定,减小背压管路中压力冲击对液压缸 运动精度的影响。 蓄能器在正常工作状态的充放油过程视为绝 热过程,其流量方程为 Qx - Vx rpx dpx dt 13 式中, Vx为蓄能器气体体积; px为蓄能器压力; r为气体 绝热系数。 2.5 背压回油管路 背压回油管路由溢流减压阀形成恒值背压。 液压背压为低压,背压阀前管路较长,管道液阻与 液感不可忽略,其管路压降可表示为[2] px-p0 RfQd If dQd dt 14 Rf 128μL πd4 15 IfρL/ Ad16 式中, p0为背压阀调定压力; Rf为背压阀前管道液阻; Qd 为背压阀前管道流量; If为液压阀前管道液感; L为背压 阀前管道长度; d为背压阀前管道直径; Ad为背压阀前管 道面积。 2.6 传感器 粗轧宽度控制系统中的压力传感器和位移传 感器具有良好的响应特性,均可用以下比例环节 表示 Ky uy/ p17 Kl ul/ l18 式中, uy为压力传感器输出电压; ul为位移传感器输出电 压; p为压力传感器检测到的压力; l为位移传感器检测 到的位移。 2.7 控制调节器 控制器为PID调节器,可表示为 gs Kp Ki 1 s Kds19 式中, Kp为比例放大系数; Ki为积分放大系数; Kd为微 分放大系数。 2.8 数学模型的实现 将各子模块进行编程,并在Matlab/ Simulink 完成子系统连接,获得如图2所示的粗轧带钢液 压宽度控制系统的系统仿真模型。 图中, Ui为调 节器输入; Uo为调节器输出; I为伺服阀输入电 流; x′ p为立辊移动速度; Xt为机架弹跳补偿值。 642 中国机械工程第15卷第3期2004年2月上半月 图2 液压宽度控制系统的仿真模型 3 仿真与试验结果分析 上海宝钢集团公司简称宝钢2050热轧机 组于20世纪80年代从德国西马克公司引进,其 粗轧带钢液压宽度控制系统在国内具有一定的代 表性。 宝钢2050热轧生产线粗轧机组的基本参数 如下轧机立辊直径为1050mm ,辊身长650mm , 年产热轧板能力为500万t。 目前生产的钢种主要 有碳素钢、 优质碳素钢、 低合金钢、 螺旋焊管用钢 和不锈钢。 产品厚度1. 2～25. 4mm ,宽度600～ 1900mm ,最大钢卷重量43. 6t ,最大单位宽度卷 重23kg/ mm。 表1为宝钢2050热轧生产线粗轧宽 度控制系统模型的一些参数。 表1 宝钢2050热轧线粗轧机组仿真参数 伺服阀固有频率ωvrads- 1 121.2 伺服阀放大系数Kv0.5 伺服阀流量系数Cd0.2594 伺服阀面积梯度ωm 0.0785 油源压力psMPa28 液压油弹性模量βeMPa 700 液压缸前腔初始体积Vcm30.0063 液压缸前腔有效面积Acm20.1948 液压缸后腔有效面积Ahm20.1052 后腔初始体积Vhm30.0098 液压缸泄漏系数 C m3Pa- 1s- 11.210- 12 立辊质量M0kg21000 立辊机架质量m0kg80000 立辊机架刚度k0MNm- 1324.7 背压阀前管道长度 L m40 实际热轧生产过程中为了减少轧制时头尾 失宽,常采用带钢头尾短行程控制技术[4],短行 程控制的作用时间短,对系统速度要求较高。 图3 为短行程控制的液压缸活塞位移曲线,实测结果 与仿真值基本吻合,最大误差小于0.5 mm,仿真 精度达到生产要求。 在轧制过程中对于可逆轧机需要对每道次侧 压量进行设定,图4为不同侧压量下,带钢出口宽 度相对偏移量的仿真值。在轧制过程中,虽然宽 度控制系统具备机架弹跳补偿功能,但轧制力闭 环补偿时采用的机架刚度为恒定值,而实际机架 刚度随活塞位移而变化,导致出口带钢宽度偏离 预期值。此外,咬钢时,系统振荡加剧,对带头质 量也有一定影响。 1.设定位移值 2.实际位移值 3.仿真位移值 4.轧制力 图3 活塞短行程位移 1.侧压量为15mm 2.侧压量为3mm 图4 侧压量对出口宽度的影响 图5、 图6分别给出了液压缸泄漏系数、 背压 1.泄漏系数为1. 210 - 12 2.泄漏系数为610- 10 图5 泄漏系数对系统响应的影响 阀前管道长度对液压宽度调节系统的影响。液压 缸泄漏系数增大,系统响应速度受到影响,使峰值 下转第251页 742 粗轧带钢液压宽度控制系统仿真与试验研究 邹 俊 傅 新 杨华勇等 2. 4 实验验证 对四种相对拱高下面板成形情况进行实验, 并用三坐标测量机测量,得到的型面精度见图9 , 与数值模拟的趋势和结果都非常接近,表明本文 模型能有效预测成形精度,并能用于结构和工艺 参数的设计和优化。 3 结论 1针对紧缩场天线反射面的成形特点,进行 适当的假设,建立了三维有限元分析模型,采用特 殊的处理技术模拟多层板料由压贴成形到胶接成 夹层结构,实现了复合成形过程的模拟。 2通过工作板上开窄槽,中板和背板开窄 缝,解决了曲率半径较小的双曲率反射面成形和 表面连续问题,得到很高的型面精度。 3分析了型面精度的影响因素,得到合适的 钉模和结构参数,给出了型面误差均方根随相对 拱高的变化范围。 4数值模拟和实验对比表明,建立的有限元 模型能较好地用于蜂窝夹层结构的受力分析和精 度预测以及结构和工艺参数的设计和优化。 参考文献 [1] 周贤宾,常合生,杜颂.从一种大型表面超精密成形 技术看先进成形技术的发展.见海锦涛,张立斌, 陆辛.先进制造技术.北京机械工业出版社,1996 450～452 [2] 李东升,周贤宾,常和生,等.高精度反射器面板精 密成形若干关键技术研究.中国机械工程,2003 , 1413 1133～1135 [3] 陈连峰,李东升,周贤宾,等.双曲率开槽板精密成 型有限元数值模拟.北京航空航天大学学报,2003 , 293 260～263 [4] 工程材料实用手册编委会.工程材料实用手册.北 京中国标准出版社,1989 [5] 陈晓,周贤宾.夹层板精密成形的数值模拟.航空学 报, 2000 ,215 442～445 [6] Shanmugam N E , Ghanshyam K, Thevendran V. Fi2 nite ElementModeling of Double Skin Composite Slabs. Finite Elements in Analysis and Design ,2002 , 38 579～599编辑 苏卫国 作者简介陈连峰,男,1969年生。北京航空航天大学机械工程 及自动化学院博士研究生。研究方向为金属成形CAE、 高精度反 射面成形技术。发表论文3篇。李东升,男,1965年生。北京航 空航天大学机械工程及自动化学院教授。周贤宾,男,1938年 生。北京航空航天大学机械工程及自动化学院教授、 博士研究生 导师。常和生,男,1938年生。北京航空航天大学机械工程及自 动化学院研究员级高级工程师。 上接第247页 增高。回油管道少于40m时,对轧制影响较少。 宝钢2050热轧现场的背压回油管路一般在40m 左右,当回油管路大于80m时,系统的响应速度 受到影响,系统振荡加剧。 1.背压管长为40m 2.背压管长为80m 图6 背压管长对系统响应的影响 4 结论 1针对宝钢2050热轧系统建立的粗轧液 压系统模型,具有较高的仿真精度,可作为热轧带 钢宽度控制策略改造的试验平台。 2粗轧系统侧压量的大小对带钢质量有较 大的影响,液压活塞的移动距离大时,轧机整体刚 度下降,出口带钢宽度偏离预期值。 3液压缸泄漏系数对系统动态响应速度有 较大影响,泄漏量增大使系统响应速度减慢,严重 时液压缸压力无法建立。 4背压阀前管道长度低于40m ,对轧制过 程影响较小,大于80m时,系统动态响应速度减 慢,同时系统出现振荡。 参考文献 [1] 王岑.中国热轧宽带钢轧机及生产技术.北京冶 金工业出版社,2002 [2] 陆元章.液压系统的建模与分析.上海上海交通 大学出版社,1989 [3] 孙一康.带钢热连轧数学模型基础.北京冶金工 业出版社,1979 [4] 金兹伯格.高精度板带材轧制理论与实践.姜明东, 王国栋译.北京冶金工业出版社,1979 编辑 卢湘帆 作者简介邹 俊,男,1977年生。浙江大学流体传动及控制国 家重点实验室博士研究生。主要研究方向为机电系统仿真技术。 傅 新,男,1961年生。浙江大学流体传动及控制国家重点实验 室教授。杨华勇,男,1961年生。浙江大学流体传动及控制国家 重点实验室教授,国家电液控制工程技术研究中心主任。张健 民,男,1968年生。宝山钢铁股份有限公司首席研究员。 152 高精度反射器面板柔性复合成形数值模拟 陈连峰 李东升 周贤宾等