风骚的小王子
范文一：轧机弯辊液压系统的仿真研究
总第１１８期２００９年第２期
文章编号：１６７２－１１５２（２００９）０２－００１４－０４
山西冶皇
ＳＨＡＮⅪＭＥＴＡＩ工．ＵＲ（≥Ｙ
Ｔｏｔａｌ１１８Ｎｏ．２。２００９
轧机弯辊液压系统的仿真研究
曹益忠ｔ王晶２
（１．太原重工股份有限公司，
山西太原０３００２４；２．榆次油研液压有限公司，
山西榆次０３０６００）
摘要：在建立弯辊液压系统的数学模型的基础上，采用伺服阀加压力传感器控制液压缸实现对板形的控制，并通过仿真分析液压缸的控制效果。关键词：弯辊系统板形控制仿真研究中图分类号：ＴＧ３３３
文献标识码：Ａ
收稿日期：２００９－０２－０９
随着工业产品需求层次的提高，对钢铁企业提供板带钢的尺寸精度和形状精度提出了更高的要求，板形控制也就成为轧钢企业的重点课题。液压弯辊力板形控制系统以其高效和高精度在钢铁企业得到日益广泛的应用，但目前国内对液压弯辊力控制系统的研究还很少，不能满足设计的要求。为了能提高液压弯辊系统的性能，有必要对整个系统进行仿真，以进一步了解整个系统。
ｌ计算机仿真的作用
力，在轧制过程中向工作辊辊颈施加液压弯辊力，瞬
时改变轧辊的有效挠度，从而改变承载辊缝形状，使轧制后带钢的延伸沿横向均匀分布，进而达到控制板形的目的。根据具体的工艺条件适当地改变弯辊力，
就可实现改善板形的目的。液压弯辊板形控制系统属
于电液伺服力控制系统，它具有精度高、响应速度快、功率大、结构紧凑和使用方便等优点，因此得到广泛
的应用。电液伺服力控制系统有多种形式，针对精轧
机组弯辊力控制系统，从应用目的上分析，应该属于电液伺服加载力（弯辊力）ｊ空制系统。精轧机组的液压弯辊力控制系统由操作侧和传动侧各一套彼此独立的电液伺服弯辊力控制系统组成。每侧各有—套调节伺服阀，控制各自液压缸油压，从而达到控制弯辊力的目的。实际上，弯辊力控制系统是通过压力传感器测出油缸油压来表征加载力ｆ弯辊力），即油压是被控量，其又作为反馈量进人闭环控制系统。所以液压弯
在对液压系统进行设计、分析和改进时，计算机动态仿真具有重要的价值。在许多液压技术应用场合，如果设计人员在设计阶段就考虑到液压系统动静态特性，则可大大缩短液压系统或元件的设计周期，避免因重复试验及加工所带来的昂贵费用，且可及早地认识到该系统在动静态特性方面所存在的薄弱环节并加以消除。通过对系统的动静态特性进行预测来实现计算机仿真不仅可以在设计过程中预测系统性能，缩短系统的调整时间，避免返工；还可以通过仿真对所设计的系统有更深入的了解，了解多负载系统中负载之间的相互作用，或了解多作用件系统中作用件之间的相互影响，或认识单个元体在整个系统中的作用等等，从而达到优化系统、优化元件、优化参数的目的。利用这种技术可以把人们从大量繁琐的重复性计算中解脱出来，节省大量人力物力，可大大降低工程造价。缩短研究周期。
２系统的总体分析
’
辊力控制系统是电液伺服压力（油压脏制系统。
液压油与负载质量（如轧辊）组成的质量为弹簧二阶振荡系统，对于二阶振荡系统的品质的—个非常重要指标是其阻尼比的大小。一般电液伺服控制系统的阻尼比都比较小，用电液伺服压力控制系统替代电液伺服弯辊力控制系统后阻尼比是增加还是减小，这对系统的品质非常关键，因为阻尼比过小，压力峰值会很大，就会使压力传感器损坏，轧制后板带钢出现波浪或翘曲等缺陷。为此。先建立了系统的数学模型，进行仿真分析以选择合适的措施提高系统的阻尼。２．２系统的简化
对于一个复杂的液压系统，在进行仿真以前应当对其作适当的简化，这是系统仿真关键的一个步骤。在仔细分析了系统图和查阅了大量文献资料之后，可以将整个系统简化为—个压力控制伺服系统…。
２．１系统的分析
液压弯辊力控制系统由弯辊液压缸产生弯辊
第一作者简介：曹益忠（１９８２一），男，在太原重工轧钢锻压设备公司从事全液压矫直机、轧机的研究工作。Ｔｅｌ：
１３９９４２１３３８４，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｊｈｈｙｌ２３＠ｙａｈｏｏ．ｔｏｍ．ｃｒｔ
２００９年第２期曹益忠，等：轧机弯辊液压系统的仿真研究
其中主要的元件应包括油源、伺服阀、管路、油缸、负载、控制系统。其简化原理图见图ｌ。
图１
弯辊力控制系统简化原理图
压力传感器将采集到的弯辊液压缸压力值反馈给伺服阀的控制单元，组成了弯辊液压缸油压的闭环控制系统。在板带的轧制过程中，应根据板带的实际形状来实时调节弯辊力的大小，使之在预设定的弯辊力值附近波动。在板带进入轧钢瞬间和板带离开轧机瞬间，产生的的压力波动会对工作辊和支承辊的辊形产生很大的影响，构成了弯辊力控制系统的外干扰。要保证弯辊力控制板形的精度，必须使系统具有较高的抗干扰能力。另外板带的断面形状、轧辊的热凸度及其压扁变形、板带宽度、张力、轧制速度、轧辊磨损等因素都会引起弯棍力的变化。由图ｌ可以画出电液伺服弯辊力控制系统的原理图，见图２。
图２电液伺服弯辊力控制系统的原理图
２．３系统各部分的数学模型
（１）伺服放大器的数学模型。可认为电控制网络的动态响应大大高于伺服阀的响应，把电网络的传递函数看作一个比例环节，则伺服放大器的数学模型为：
，＝Ｋｌ。Ｅｏ．
（１）
式中：，为电流；蜀为放大器的放大系数；昂为控制环节输出偏差电压。
（２）输出流量对输入电流的传递函数。伺服阀是—个高度复杂的元件，它具有高阶的非线性动态特性，其实际动态特性受到供油压力、输入信号幅值、油温、负载条件等诸多因素的影响。我们把输出流量对输入电流的传递函数用二阶环节来表示：
错２互Ｋ互ｑ
（２）
∞：０．７，
ｉ?
式中：ｇ。（ｓ）为伺服阀容积流量；，（ｓ）为伺服阀的驱动电流；Ｋ。为伺服阀的流量增益；玉为伺服阀的阻尼比；∞，为伺服阀的固有频率。
（３）液压缸的力平衡方程。系统最终由液压缸输出弯辊力，弯辊力再作用于工作辊上使之产生所需的挠度。弯辊的数学模型可简化为一个弹性模量
很大的弹簧。对液压缸活塞进行受力分析，负载可折算为惯性、弹性、黏性和摩擦负载系统。弯辊力是由８个缸共同作用产生的，则液压缸的力平衡方程为ｃ２］：
一Ｂ?８Ａ２一只?８Ａｌ一鼹?妒屉?ｘｐ－－８１％－－ｍｐｘｐ．一（３）
式中：Ｐｌ为液压缸有杆腔油压；Ｐ２为液压缸无杆腔油压；Ａ。为液压缸活塞有杆侧面积；Ａ：为液压缸活塞无杆侧面积；成为液压缸阻尼比；后为负载弹簧刚度；％为液压缸活塞位移；Ｆｍ为活塞所受摩擦力；ｍ为负载质量。
通常可认为液压缸有杆腔为恒压，即Ｐ１为常数，对式（３）拉氏变换可得：
跳）?８Ａ２－（ＰＩ?Ｊ４ｌ＋脚旦＝（ｗ２＋嘏?ｓ“）‘菇ｐ（ｓ）．（４）
（４）液压缸的流量连续方程。１个伺服阀同时给８个液压缸供油，每个液压缸分得总流量的１１８，则液压缸的流量连续方程为：
ｑ。路鲁‘路警“绋?
（５）
式中：‰为液压缸处于平衡位置时高压腔容积；展为液压油的等效体积弹性模量；石。为液压缸活塞的瞬时速度；Ｇｐ为液压缸泄漏系数；ｇｄ为液压缸容积流量；￡为伺服阀工作压力，如忽略管路压力损失，则Ｐ。＝Ｐ２。对式（５）拉氏变换得：
半以州如）＝（钳鲁５）Ｐｃ（ｓ）?
（６）
（５）压力传感器的数学模型。压力，电压变换
方程为：
ｕｆ＝ｋｆ．足．
（７）
?
１６?
山西冶金
Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｅｊｍｓｘ＠１２６．ｃｏｉｎ
第３２卷
式中：嘶为压力传感器输出电压；南，为压力传感器的变换系数；只为伺服阀工作压力。
（６）加法器的数学模型
Ｅ＝ｕｊ－ｕｌｆ．
Ｓｙｓｔｅｍ
Ｔｏｏｌｂｏｘ）进行压力伺服系统的仿真使输入输
出变得简单、直观…。所以在建立模型之后，我们采用Ｍａｔｌａｂ软件进行仿真。
（８）
３．２仿真结果及分析
利用Ｍａｔｌａｂ软件绘制出系统的开环Ｂｏｄｅ图，
见图４。
式中：Ｅ为输出的偏差电压抛为输人系统的设定电压信号；ｕｆ为压力传感器输出电压。
（７）静摩擦力、动摩擦力方程。
昧１禹Ｆｄ（二，≠ｏ）
【ｌ鄂ｌ
度；Ｅ为活塞的静摩擦力；Ｒ为活塞的动摩擦力。
（８）信号处理（按ＰＩＤ考虑）
Ｅｏ＝ｋｐＥ（ｔ）＋ｋｉ
ｋ
（：ｐ＿０）
（９）
式中：Ｒ为活塞所受摩擦力；‰为液压缸活塞的瞬时速
ＩＥ（ｔ）ｄｔ＋ｋｄ掣．
（１０）
图４
式中：晶为控制环节输出偏差电压，Ｖ；Ｅ“）为输出的偏差电压，Ｖ；后。为ＰＩＤ控制中的比例系数；七ｉ为ＰＩＤ控制中的积分系数；后。为ＰＩＤ控制中的微分系数。
２．４系统的方块图
Ｂｏｄｅ图（开环）
频域仿真所绘制的波德图（Ｂｏｄｅ）是以∞的常用
对数值为横坐标，分别以２０１９Ａ㈤和沙㈤为纵坐标画
出的曲线，也就是求出在不同频率正弦波输入下系统响应与输入指令的幅值比和相位差。由此可以求出相位裕度与幅值裕度，判断系统的稳定性和响应速度。
由图４可知，幅值稳定裕量Ｋｒ＝９．７０２位稳定裕量ｙ＝５６．６９９０，系统是稳定的。
利用Ｍａｔｌａｂ软件绘制出系统闭环的根轨迹图，
见下页图５。
２
根据各部分的数学模型，可得方块图（见图３）。３液压动态的仿真过程及求解３．１仿真软件的选用
仿真涉及到高次微分方程的求解，因此系统的仿真必须要选定一个好的分析软件。Ｍａｔｌａｂ语言是由美国ＭａｔｈＷｏｒｋｓ公司开发的优秀的控制系统计算机辅助分析设计软件包，是一种用于科学工程计算的高效率的高级语言，它在诸如一般数值计算、数字信号处理、系统识别、自动控制、时序分析与建模、优化设计、动态仿真学表现出一般高级语言难以比拟的优势。其强大的矩阵运算能力和完美的图形可视化功能，使得它成为国际控制界应用最广的首选计算机工具。Ｍａｔｌａｂ中的控制系统工具箱（Ｃｏｎｔｒｏｌ
ｄＢ，相
仿真的另一结果是根轨迹图。所谓根轨迹是指当系统某个参数（如开环增益Ｋ）由０到无穷大变化时，闭环特性方程的根在［ｓ］平面上移动的轨迹。控制系统的稳定性，由其闭环极点唯一确定，由此可以判别系统是否稳定可靠。由图５可知：闭环的极点都在虚轴左侧，因此系统是稳定的。闭环的极点离虚轴较远，动态分量衰减较快，系统快速性较好［４｜。
控制系统的动态性能指标通常是在零初始条件下，通过
系统阶跃响应的特征来进行定义的。稳定控制系统的阶跃响应可分为单调变化和衰减振荡
两种情况。系统的动态性能指标实际上就是刻画阶跃响应曲
线特征的一些量。利用Ｍａｔｌａｂ
图３方块图
软件绘制出系统的阶跃响应曲
２００９年第２期曹益忠。等：轧机弯辊液压系统的仿真研究
线，见图６。由图６可以看出：该系统的阶跃响应是衰减振荡。
限制，也就是液压同有频率和阻尼比的限制。因此，要改善伺服系统的性能，如果要提高稳定性、系统带
宽和控制精度就必须设法提高液压固有频率和阻尼比。在液压伺服系统中，阻尼比通常都比较低，它是制约系统性能的一个重要因素。工程上一般可采用补偿泄漏损失、压力反馈和动压反馈、双增益电路来提高液压系统的阻尼比。
在对液压系统作适当改进后，再进行仿真，比较
两者的异同，就可以设计出最佳并有最大的性价比
的系统回路。从系统的频域仿真还可以看ｍ各个参数对系统影响程度的大小，设计者可以据此对各个参数作一定的调整，从而使设计者有效地把握各个
图５系统的根轨迹图（闭环）
元件在系统中的作用，便于设计者选择正确的元件，保证系统设计的成功。
液压系统中可以由液容（腔）和液阻（节流孔）的组
合构成机械滤波器，它可以消除流过其容腔的高频
液压冲击。选择不同的节流孔与腔的组合可以产生不同的截止频率。鉴于脉动油压在机械滤波器中流
动时的非恒定性，无法精确地计算出它的截止频率，
可以通过实验初步计算预先制造了参数相近的多个
试件，然后在液压冲击实验台上具体测试，选择最优参数的滤波器。使用机械滤波器抑制弯辊力冲击，可
以有效地防止弯辊力传感器的损坏，削弱系统外干
图６系统的阶跃响应曲线
扰，提高弯辊力系统的控制精度。
参考文献
由计算可得超调量口ｒ＝２９．４５０４％，误差带为５％时的调节时间ｔｓ＝０．０３０节时间ｔ产０．０４２４结论
５
０
Ｓ，误差带为２％时的调
［１］张宗欣。林波．四辊轧机液压ＡＧＣ动态分析和设计［Ｊ］．华侨
大学学报（自然科学版），１９９６，１７（３）：３０４－３０７．
ｓ，这说明系统的响应速度很快。
［２］王春行．液压控制系统［Ｍ］．北京：机械工业出版社。１９９９．［３］魏巍．ＭＡＴＬＡＢ控制下程．Ｌ具箱技术手册［Ｍ］．北京：国防‘Ｉ－业
出版社．２００４．
在对系统进行频域分析后，可以根据所分析的
结果对系统进行改进，这也是进行仿真的一个重要
［４］
杨叔子．机械工程控制基础［Ｍ］．武汉：华中科技大学出版社，
２００２．
目的。提高系统的控制精度和响应速度，必须提高它的开环增益。但开环增益的提高受到系统稳定性的
Ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｏｎ
（责任编辑：胡玉香）
ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＨｙｄｒａｕｌｉｃＳｙｓｔｅｍｏｆＢｅｎｄｉｎｇＲｏｌｌ
ＣＡＯＹｉｚｈｏｎ９１
ＷＡＮＧ
Ｊｉｎ９２
０３０６００，Ｃｈｉｎａ）
（１．Ｔａｉｙｕａｎ
ＨｅａｖｙＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏ，Ｌｔｄ．，Ｔａｉｙｕａｎ０３００２４，Ｃｈｉｎａ；
２．ＹｕｃｉＹＵＫＥＮＨｙｄｒａｕｌｉｃＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｙｕｃｉ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ
ｏｎ
ｓｅｔｔｉｎｇｕｐｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍｏｆｂｅｎｄｉｎｇｒｏｌｌ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅ
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ｆｏｒｍｕｌａｅ
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ｖａｌｖｅａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｙｌｉｎｄｅｒ．ａｎｄ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｅｎｄｉｎｇｒｏｌｌｓｆｆｓｔｅｍ，ｓｈａｐｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｒｅｓｅａｒｃｈ
范文二：基于PLC的轧机弯辊力点动实现
基于PLC 的轧机弯辊力点动实现
王日宏
(青岛建筑工程学院计算机系, 青岛266033)
摘要:本文简要介绍了轧机弯辊力的作用, 给出了用PLC 实现弯辊力点动的方法。此方法可以提高系统性能, 并可用于其它工业设备的控制。
关键词:PLC ; 弯辊; 点动; 软件控制
中图分类号:TP273 文献标识码:B 文章编号:1001-3881(2004) 8-147-1
The Fine Tuning Bend Strength of Rolling Mill Based on PLC
WANG Ri -hong (Department of Computer , Qingdao Institute of Architecture and Engineering , Qingdao 266033, China )
A bstract :The fine tunin g method of the bend stren gth was given via PLC , it can improve the s ystem performance effectively . Keywords :PLC ; Bend strength ; Fine tuning ; Software control
0 引言
同各行各业对产品质量的日益重视一样, 现代冶金生产对板带钢的板形质量要求也越来越高, 特别是由于自动厚度控制系统的不断完善和广泛应用, 板带钢的纵向厚度精度不断提高, 相比之下板形问题就越发突出了, 这迫使我们在技术上不断地进行创新, 在控制上不断地丰富手段。PLC 作为工业自动化控制工具, 已经被广泛地应用于板带钢的生产过程控制中。但是大多数情状是用其逻辑操作, 其它功能使用较少。本文介绍了用PLC 的模拟量输出模块, 实现板形控制中的弯辊力点动方法, 意在丰富板形控制手段、提高板形控制能力, 达到提高产品质量的目的。1 弯辊控制
在板带钢生产过程中, 板形与许多因素有关, 其中轧辊的辊形变化将导致板带材的横向厚度产生变化。在板形控制的手段上通常有弯辊、轧辊横向移动、TDC 装置(张力分布控制) 以及轧辊的分段冷却等。其中弯辊控制是一般轧机都具有的功能, 也是最常用的有效手段。其原理是将液压缸产生的力通过轧辊的轴承座传递到辊颈上, 使轧辊受到一个弯辊力, 产生一个附加弯曲, 用以抵消由压下引起的轧辊弯曲, 以此调节辊型, 达到控制板形的目的。在实际应用中, 为保证轧件厚度精度, 通常应根据弯辊力的大小对压下量进行适量的调整。弯辊力的作用原理图如图1所示
。
在一般的控制中, 弯辊控制采用开环方式。早期的轧机只能提供固定大小的弯辊力或是即使可调也只是双侧同时调整, 为
提高弯辊力对板形的控制图1 弯辊力作用示意图
能力, 现在多采用可单侧调整弯辊力的方式。但采用电位计给定方式, 常常很难给出较精确的微调量, 而点动方式能较好地解决弯辊力的微调。
由于比例阀是一种输入、输出信号成比例的液压控制阀, 它在抗油污、价格等方面有较大优势, 尤其适合在恶劣环境下使用, 所以我们采用了PL C 控制比例阀使液压缸产生不同的弯辊力方式, 来实现弯辊力的给定与点动。控制系统框图见图2。
图2 弯辊控制系统框图
为调节板形, 在轧制过程中可能要对轧机两侧的弯辊力分别进行调整, 所以需在操作台上设置4个操作按钮(操作侧增、减与传动侧增、减) 进行弯辊力点动控制, 相应地在PLC 内设置四个存储单元, 用来存放相应的点动值, 系统输出时将此点动值附加到基本弯辊力给定值之上。当某一点动按钮按下时, 弯辊力点动值存储单元就增加(或减少) 一个Δ值, 由于PLC 主程序控制是循环控制方式, 所以每间隔一扫描周期点动值就变化一个Δ值, Δ值的大小可以根据实际系统进行调节设定。假设用户程序扫描周期为100ms , 操作工快速按一次点动按钮一般需要300ms 左右, 则按动一次, 点动存储单元的值就变化了300/100＊Δ个数字, 设PL C 内4096个数字对应10V 输出电压, 若V /I 的转换关系为:0～10(V ) →※0～1(A ) , 比例阀的I /P 转换关系为:0～1(A ) →※0～10(T ) , 那么PL C 内部数字与弯辊力之间就有:0～4096数字对应0～10吨弯辊力的当量关系。假如工艺上要求点动的最小值为1kN , 由上述当量关系就可求得Δ值应为:4096＊0. 1/10=41。最后轧机每一侧的弯辊力输出控制值应当是其点动值与给定值的合成, 即输出值=给定值+点动加单元的值-点动减单元的值。另外在实际编程中还要注意一点就是当输出值或点动单元值达到极值时, 应进行增益保护。
因为轧机两侧的弯辊力点动(含加、减操作)
(下转第165页)
2
种定位方法在对同一根曲轴滚压加工时只需进行一次, 即当滚压完同一侧的两个曲拐后, 销7将随相位
旋转体6一起转动, 带动曲轴旋转180°, 而无需二次定位。
为保证曲轴夹紧的定位精度, 本设计中采用了压板3、定位块1和V 形块2对曲轴实施了三点定位。
当要滚压另一侧的两个曲拐时, 就需要快速调整偏心夹具的定位基准, 以保证新的曲拐轴线仍然与机床主轴线同轴, 相位旋转体6就为此而设计。需要旋转相位时, 工人先用左手提起手柄9, 使销5与相位旋转体6分离, 然后用右手拨动手柄8, 使相位旋转体6按逆时针方向转动(如图5所示) 。当其转过一个较小的角度, 以致销5已不可能再落入凹槽10中而实现定位时, 工人就可松开手柄9, 让销5在压缩弹簧4的作用下落下来顶在相位旋转体6的圆柱表面上, 然后只需继续转动手柄8使相位旋转体转动。当其转过180°, 在弹簧力的作用下销5自动插入相位旋转体6表面的凹槽11中, 快速准确地实现了定位, 从而可以开始滚压。如此反复三次, 完成对曲拐的滚压加工。
从图2可见, 夹具中心与曲轴被装夹后的轴心有一间距47. 5±0. 05, 而此间距正是曲轴轴心与曲拐轴心间的偏心距。滚压加工时, 整个夹具安装在机床主轴上, 即夹具体与机床主轴同心,
亦即曲拐轴线与
图3
偏心夹具侧视图
机床主轴线同轴。主轴回转时, 曲轴实际上是以曲拐轴线为中心线回转, 此时偏心距47. 5±0. 05消除了由于曲轴特殊形状而产生的偏心惯量, 使圆角滚压得以顺利进行。
从图3、4可以看到, 夹具通过左右各一个夹具
体12和直移相位销7定图4 偏心夹具A -A 截面位。当把曲轴装夹在夹具
体上(如图3示) , 向右拨动销7即可实现定位。此
4 结语
本文设计的曲轴圆角滚压偏心夹具结构简单, 定位准确可靠, 并能实现快速正反向定位, 能提高目前加工的工效和质量, 有助于国内曲轴圆角滚压加工技术的进步。参考文献
【1】汤湘中. 机床夹具设计[M ]. 北京:国防工业出版
社, 1988. 【2】李厚生. 内燃机制造工艺学(修订本) [M ]. 北京:
中国农业机械出版社, 1987.
作者简介:王慧武, 男, 1970年生, 讲师, 在职博士生。主要研究方向为机械传动系统动力学特性及优化设计。电话:029-2310363, E -mail :whuiwu @126. com 。
收稿时间:2003-11-23
3 结论
本设计方法充分利用了PL C 的功能, 控制效果良好, 满足了设计要求。此方法实际上也可用于同样具有点动操作的其它工业设备的控制中。参考文献
【1】王国栋. 板形控制和板形理论[M ]. 冶金工业出版
社, 1986.
【2】王日宏, 陈德福. PLC 在轧机板形控制系统中的应用设
计[J ]. 自动化与仪器仪表, 1997(5).
作者简介:王日宏(1964～) , 男, 黑龙江省人, 副教授, 现从事计算机过程控制、软件工程的教学与研发工作。E -mail :rihongw @public . qd . sd . cn 。
(上接第147页)
控制原理相同, 下面仅以一侧的点动加为例, 给出点动部分的软件控制流程图, 见图3
。
图3 点动加部分程序流程框图
范文三：中厚板辊式矫直机弯辊机构作用研究
第 23 卷 增刊 1 钢铁研究学报 Vol.23 Supplement 1 2011 年 10 月 Journal of
Iron and Steel Research October 2011 中厚板辊式矫直机弯辊机构作用研究 周存龙
1， 刘 松 2， 刘 慧 3， 孟 岩4 ( 1. 太原科技大学山西省冶金设备设计理论与
技术重点实验室，山西 太原 030024; 2.中国重型机械研究院，陕西 西安 710032;
3.济南钢铁集团公司，山东 济南 250001; 4. 中国山东对外经济技术合作集团有限
公司，山东 济南 250009) 摘 要:中厚板辊式矫直机中的弯辊机构，在有些企业
一直未得到很好地利用，主要原因一是来料的三维 缺陷种类难以用一种弯辊形式消
除，另外弯辊量的确定也没有一个标准。但在矫直宽厚板过程中，弯辊机 构的作用
是非常重要的，通过对弯辊机构的有限元分析，得出:弯辊机构的使用会对辊系变
形及板形存有 一定的影响;通过上箱体和上压力框架的应力值分析，作为设计人员
或设备维护人员应注意受力最大值所 处的位置。 关键词:中厚板;矫直;应用 Study
on Plate Roller Straightening Machine Bending Effect ZHOU Cun-long1 LIU Song2 LIU Hui3 MENG Yan4 1. Metallurgical Equipment Design Theory and Technology Laboratory Taiyuan University of Science andTechnology Taiyuan 030024 Shanxi China 2. CNHMRI Xi’an 710032 Shaanxi China 3. Jinan Iron and Steel Group Co. Jinan 250001 Shandong China 4. Foreign Economic and Technical Cooperation Group Co. Ltd. Jinan 250009 Shandong China Abstract: The roll bending of plate roller straightening machine has not been used in some enterprises. The main reasons are: firstly it is hard to eliminate supplied materials with only one bending form and there is no standard to determine the bending amount. But in the process of straightening heavy plate the role of roller bending is of great importance. After analyzing the finite elements of bending the following conclusions are obtained: the use of bending has some impacts on roll deformation and shape after analyzing the stress of upper box and upper press frame designers and equipment maintenance personnel should pay more attention to the location of the maximum force. Key words: plate straightening application 也没有一个
标准，本文旨在对弯辊机构的作用、1 前言 工作状态进行分析，提高对弯辊机构的
认识程度， 中厚板辊式矫直机主要用来消除残余应力 并加强弯辊机构的使用。及
提高不平度精度，是中厚板生产线上保证产品质量的关键设备。标志中厚板辊式矫
直机先进技 2 弯辊机构的工作原理术特点的弯辊机构，除了保持辊缝的平直之外，
还主要用来调整辊缝，使得具有三维板形缺陷的 弯辊是指弯辊机构作用于矫直辊背
面的支撑中厚板在矫直过程中得到有效消除。但弯辊机构 辊并使矫直辊发生弯曲的
行为。按照矫直辊沿板在许多中厚板厂未能得到有效使用，甚至有人认 材宽度方向
的压弯量相同与否，中厚板辊式热矫为其作用不大，主要原因一是来料的三维缺陷
种 直机中弯辊的作用可分两种。一是使矫直辊轴线类难以用一种弯辊形式消除，另
外弯辊量的确定 平直，该弯辊的作用实质上是抑制矫直辊在矫直 138 周存龙等:
中厚板辊式矫直机弯辊机构作用研究过程中发生挠曲。如图 1a所示L 为辊身长，b
程度的延伸，对矫直辊的辊缝形状进行控制，如为板宽。二是按工艺要求正、负弯
辊或使矫直辊 图 1(b)所示。这里把板材中部受到大的延伸变横向倾斜。具有中
浪、边浪及瓢曲等板形缺陷的 形的弯辊方向叫正弯辊;使板材边部受到较大的板材，
纵向纤维长度不一致，为了让其得到不同 延伸变形的弯辊方向叫负弯辊。 L L b b a
L b b b L a 辊缝保持平行 b辊缝呈弯曲形状。 图1 矫直辊的弯曲作用 Fig.1
Bending of straightening rolls 可以实现该种弯曲功能的装置见图 2 所示的弯辊机构
装置。它是由左右对称呈梯形两块箱体(上压力框架)组成、下方中部通过一圆柱
体套在一联接轴(铰接轴)上，使左右两箱体(上压力框架)可绕中间轴转动，转动驱动由箱体上方的液压机构完成。弯辊机构与上辊系锁紧后，便可随弯辊机构的不同方向的旋转完成正弯辊或负弯辊动作。 图3 上箱体和弯辊机构有限元模型 Fig.3 Finite element of upper box and bending 3 弯辊机构的有限元分析 根据上箱体和弯辊机构的结构对称性特点， 图2 弯辊机构示意图 为了减少计算量，选择一半分析，这里选择操作 Fig.2 Schematic diagram of bending 侧部分进行计算分析。 139 增刊 1 钢铁研究学报 2011 沿竖直方向的 1500 t 的矫直力和沿水平方向的 150 t 的摩擦力。 为了分析弯辊机构在不同工作状态下对辊 系变形的影响，施加了以下两种约束并分别进行 了计算: 1)弯辊机构可自由转动。在弯辊机构和压 下缸相接触的地方施加沿 Y 向的位移约束，在弯 辊机构的铰接点处施加绕 X 向和绕 Y 向的转动约 束以及沿 Z 向的位移约束(使弯辊机构仅能绕铰 接点转动) 。 2)弯辊机构被全约束。在弯辊机构和压下 缸相接触的地方施加沿 Y 向位移约束，在弯辊机 图4 加载后的位移云图 构的铰接点处施加 Z 向位移约束，在两块上压力 Fig.4 Loaded displacement cloud map 框架相互固定的部位施加 X 向位移。3.1 上箱体及弯辊机构的有限元模型建立 4 结果分析 材料的弹性模量为 2.12×105 MPa，泊松比为0.3，采用带有中结点的 Solid 187 单元，网格划 4.1 弯辊机构自由转动时与全约束时的位移分时采用默认的 6 级网格精度。上箱体和弯辊机 加载后弯辊机构的受力状况见图 4 示。为了构的有限元模型如图 3 所示。 便于对比和归纳上箱体
态时的位移分布及其变化情况，将弯辊机构的受 及弯辊机构在不同工作状3.2 加载
上箱体和弯辊机构在矫直过程中所受载荷为 力的最值归结如表 1 和表 2 所示。 表1 上箱体和弯辊机构位移最大、最小值一览表(可自由转动时) Table 1 Maximum and minimum table of upper box and bending displacement free rotation mm 上压力框架 上辊盒 支承辊系 工作辊系 最小 最大 最小 最大 最小 最大 最小 最大 X -9.94 -1.82 -2.62 0.45 -1.77 -0.19 -1.19 0.45 Y -0.91 7.00 -0.60 6.54 0.48 6.46 -0.12 6.70
Z -1.04 0.05 -0.79 0.16 -0.61 0.10 -1.46 0.01 合计 2.11 11.86 0.66 6.96 0.84 6.64 0.66
6.73 表2 上箱体和弯辊机构位移最大、最小值一览表(全约束时) Table 2 Maximum and minimum table of upper box and bending displacement all constraints mm 上压力框架 上辊盒 支承辊系 工作辊系 最小 最大 最小 最大 最小 最大 最小 最大 X -0.24 0.12 -0.05 0.22 -0.04 0.12 -0.01 0.20 Y -0.00 0.64 0.08 0.64 0.19 0.79 -0.01 1.38 Z
-0.23 0.02 -0.25 0.09 -0.16 0.08 -1.105 0.05 合计 0.14 0.64 0.18 0.64 0.25 0.79 0.14
1.55 140 周存龙等:中厚板辊式矫直机弯辊机构作用研究 由表 1 可知，在自由转动状态下，即弯辊机 由图 5 和图 6 可以看出，在不使用弯辊机构构为两部分时，当辊系的最大值为 6.77 时，此时 时，板凸度的最大值为 0.5 mm 左右，而在使用的最大位移值为 11.86。 弯辊机构时，板凸度的最大值为 5 mm 左右。由 由表 2 可知，在全约束状态下，即弯辊机构 此可知弯辊机构的使用对板凸度的影响很大，对为一整体时，当辊系的最大值为 1.55 时，此时的 于存在严重的边浪和中浪的板带建议使用弯辊机最大位移值为 0.64。 构。 这说明弯辊机构在阻止矫直辊的变形时有着 4.2 应力分析重要的作用;又可以理解到，加强对弯辊机构的 为了详细分析上箱体和弯辊机构的强度是否使用，通过正弯曲或负弯曲的作用，弯辊机构则 存在问题，除了位移分析外，我们还进行了应力会起到另外一种预期的作用。 分析。考虑到实际工况和安全准则及其目前弯辊 为了形象展示工作辊系的变形情况，并结合
机构的使用情况，本文对上箱体和弯辊机构在全上工作辊系中入口侧第二根矫直辊受力最大的情 约束时的 Y 向应力和 MISES 应力进行了分析。况，以第二根工作辊辊身长度的一半为研究对象，分析由板带边部到板带中不的变形情况后，可得如图 5 和图 6 所示的工作辊系与板带相接触部位的位移分布情况。 图7 上箱体和弯辊机构 MISES 应力分布 Fig.7 MISES stress distribution of upper box and 图5 弯辊机构自由转动时辊系变形图 bendingFig.5 Roller system deformation with free rotation
of bending 图6 弯辊机构全约束时辊系变形图 图8 上压力框架 Y 向应力云图Fig.6 Roller system deformation with all constraints of Fig.8 Y direction stress cloud map
of upper stress bending frame 141 增刊 1 钢铁研究学报 2011 上述应力云图说明了上箱体框架和上压力框 状况，不过为了更形象的对其各向应力进行分析架沿 Y 向的应力分布状况和 MISES 应力的分布 对比，对各向应力的最值总结如表 3 所示。 表3 上箱体和上压力框架各向应力最值一览表(弯辊机构全约束时，即目前使用状态下) Table 3 Most stress value list of upper box and upper press frame 上压力框架 上辊盒 支承辊系 工作辊系 整体结构 最小最大值 最大最大值 最小 最大 最小 最大 最小 最大 最小 最大 X -250 252 -140 40 -700 340 -125 130 -700 340 Y -420
410 -190 99 -900 200 -275 110 -900 410 Z -300 80 -105 145 -400 200 -199 127 -400 200
MISES 0.02 500 0.21 260 0.07 900 0.33 400 0.02 900 注:应力异常点已剔除，表中所示为大范围应力集中区域的应力最值。由上述分析结果可知，上箱体和上压力框架的应 4 结论力较大，其中上支撑辊系的应力集中现象最为严重，部分节点的 MISES 应力最值甚至可以达到 1 弯辊机构的使用会对辊系变形产生很大900 MPa 左右，支撑辊系在静载荷下的的这种受 的影响，并因此会直接影响到矫直过程中的板凸力特性在承受瞬间冲击载荷和长时间的疲劳载荷 度和矫后产品的质量。对于板型存在严重中浪和后会变的更为恶劣，亟待解决。此外上工作辊系 边浪的较宽板带，建议使用弯辊机构。的应力集中情况也较为严重。 2 通过上箱体和上压力框架的应力值分析， 当然这是在一种极值状态下得到的结果，作 作为设计人员或设备维护人员应注意受力最大值为设计人员或设备维护人员应注意受力最大值所 所处的位置，应通过选择高强度钢板或增加厚度、处的位置，应通过选择高强度钢板或增加厚度、 加强筋板等多种方式，提高设备局部危险位置的加强筋板等多种方式，提高设备局部危险位置的 强度或刚度。强度或刚度。 142
范文四：CVC四辊轧机的CAD图 装配图、工作辊、弯辊液压缸的图纸
图表 1装配总图:
240G006.2 图表 2支承辊轴承座透盖:
ZL300.2-6 图表 3支承辊轴承座闷盖:ZL300.2-2
图表 4支承辊压盖:
ZL300.2-3 图表 5支承辊密封圈:
ZL300.2-5 图表 6支承辊:ZL240G.2P-2
图表 7销轴(一) :
ZL240G.2-19 图表 8销轴(二) :
ZL240G.2-27 图表 9下支承辊左轴承座:ZL240G.2P-6
图表 10下支承辊右轴承座:
ZL240G.2P-7 图表 11下工作辊左轴承座:
ZL240G.2D-12 图表 12下工作辊右轴承座:ZL240G.2D-18改
图表 13上支承辊左轴承座:
ZL240G.2P-1 图表 14上工作辊左轴承座:
ZL240G.2D-8 图表 15上工作辊右轴承座:ZL240G.2D-20改
图表 16密封圈压盖:
ZL240G.2A-10 图表 17螺钉销:
ZL240G.2-20 图表 18工作辊轴承座压盖:ZL240G.2A-7
图表 19工作辊轴承座透盖:
240G006.2-2 图表 20工作辊轴承座闷盖:
ZL240G.2A-6 图表 21工作辊:240G006.2-1
图表 22顶轴:
ZL240G.2A-20 图表 23垫片组:
ZL240G.2-28 图表 24垫板:ZL300.2-25
图表 25挡环(一) :
ZL240G.2-18 图表 26挡环(二) :
ZL240G.2-26 图表 27弹簧:ZL240G.2-21
范文五：弯辊与窜辊
WRS(Work Rool Shifting)工作辊窜辊 一、 综述
所谓工作辊窜辊就是工作辊就是工作辊沿轴线方向上的水平移动，工作辊的窜辊是均匀工作辊磨损的优选措施，同时对提高弯辊的功效，降低工作辊的过度挠曲及减小有害接触区有一定的作用。
工作辊的窜辊有四个液压缸进行控制，分别分布在上下工作辊操作侧的入口侧和出口侧，每个液压缸上都有一个位置传感器，通过传感器检测工作辊的窜动位置，在窜动过程中必须保持上下工作辊偏离中心线的位置同步、上工作辊入口侧和出口侧两个液压缸的位置同步、下工作辊入口侧和出口侧两个液压缸的位置同步，这些都通过传感器检测的数值反馈到程序内部进行计算并把计算的结果输出到对应的伺服阀来进行调节。
工作辊的窜辊分为正窜和负窜:所谓正窜就是指上工作辊向驱动侧移动，下工作辊向操作侧移动，使辊的弯曲度增加(positive)，能有效减少边部波浪;所谓负窜是指上工作辊向操作侧移动，下工作辊向驱动侧移动，使辊的弯曲度减小(negtive)，使边部波浪产生的可能性增加。
窜辊是在静态状态下进行的，在1+4热连轧项目中应用在精轧部分，在自动模式下窜动的位置由二级(过程自动化)给定，手动模式下操作员可以根据经验值进行设定
值的调整，窜辊在板带材进入机架前已经提前摆好位置并锁定，在轧制过程中是不允许进行窜动的，窜动的目的主要是减小轧辊的磨损，但对板带材的平整度控制也有一定的影响，另外在换辊时窜动一定的位置可以方便上工作辊
DRIVE SIDEOPERATING SIDE落在下工作辊的支撑位置方便工作辊的抽出。
a) Center line Shifting position = 0 mm
b) Positive axial shifting Shifting position = +150 mm
Axial_shift.dsf
c) Negative axial shifting二、 功能概述 Shifting position = -150 mm窜辊包括三个功能单元
1、 位置控制:控制的计算、模式选择、监视
Definition of the axial shifting
2、 设定点的选择:模式选择、轴向位置的设定点、窜动速度 3、 辅助功能:伺服阀的监视、压下位置的补偿、预设的实际值
计算的结果用来控制伺服阀的输出，伺服阀的输出不能超过极限值，限定值与压力和电流有关，监视功能包括窜动速度、位置、阀的输出，模式选择包括轧制模式和换辊模式
自动模式下，在带材进入机架前二级会把设定值通过SDH发给一级的WRS功能单元进行控制，控制的速度和轧制力以及机架的速度有关，伺服阀的运动范围+100—-100，检修模式下可以沿轴向位置移动不会被锁定，但移动速度只有1mm/s,位置设定(自动，手动介入，换辊模式的固定位置)
v / vWRSRoll
1/2000v: Shifting SpeedWRS
v: Rolling SpeedRoll
: Roll ForceFRoll
1/3000
With Strip
Without Strip1/4000
F [MN]Roll0,81.05.014.0Work_Roll_Shifting_Speed_01.vsd 辅助功能:辊缝开口度的补偿调校，弯辊必须是打开的状态(机架和换完辊后的零位校准)
三、 软件结构(CFC)
Folder Description
F_STAND00x Project name
CO Finishing mill COmmon charts, blocks for the sysfunctions of all sub-rack CPU's FP_Nx Plant area Finishing mill Process, stand x (x=1..4)
P01 STM P03 TEC P03 GCS (Logic part)逻辑部分 (Technological part)工艺控制部分 (Controller part)控制部分
CPU CPU Function Function charts Count
folder folder number P01 100_STM
330_WRS P01_STM_WRS_INP Input Interface输入接口 441
P01_STM_WRS_HMI HMI Interface HMI接口 442
P01_STM_WRS_LOG Logic 逻辑功能 443
P01_STM_WRS_REF Reference 参考值 444
P01_STM_WRS_MAM Maintenance Mode 检修模式 445
P01_STM_WRS_MSG Messages 信息 446
P01_STM_WRS_OUT Output interface 输出接口 447
P03 200_TEC
350_WRS P03_GCS_WRS_TEC Technological part工艺控制部分 330
P03 300_GCS
350_WRS P03_GCS_WRS_PAR Control parameter 控制参数 400
P03_GCS_WRS_ACT Actual values 实际值 330
P03_GCS_WRS_TOP Top Controller 上辊控制 340
P03_GCS_WRS_BOT Bottom Controller 下辊控制 350 P01_STM_WRS_INP
机架信息、窜动控制系统、压下控制系统、
P01_STM_WRS_HMI
P01_STM_WRS_LOG
Operation logic 操作逻辑 LOO name WRS Work Roll Shifting Status 状态 WRS_A_00 WRS Top Control On/Off 上辊控制开/关 WRS_A_01 WRS Bottom Control On/Off下辊控制开/关 WRS_A_02 WRS Manual Mode 手动模式 WRS_A_03 WRS Automatic Mode 自动模式 WRS_A_04 WRS To Center Position 中间位置 WRS_A_05
WRS_B_00 WRS Manual Intervention Status手动干预状态
WRS_B_01 WRS Position Manual Increase 手动加
WRS_B_02 WRS Position Manual Decrease 手动减
WRS Valve Status 阀状态 WRS_C_00 WRS Check valve Top Entry WRS_C_02 WRS Check valve Top Exit WRS_C_03 WRS Check valve Bottom Entry WRS_C_04 WRS Check valve Bottom Exit WRS_C_05 HMI中控制模式的选择
P01_STM_WRS_MAM
Maintenance Operationc检修模式 LOO name WRS Maintenance Mode Status 状态 WRS_M_00 WRS Maintenance Mode 检修模式 WRS_M_01 WRS top entry jog forward入口向前慢进 WRS_M_02 WRS top entry jog reverse入口向后慢进 WRS_M_03 WRS top exit jog forward 出口向前慢进 WRS_M_04 WRS top exit jog reverse 出口向后慢进 WRS_M_05 WRS bottom entry jog forward WRS_M_06 WRS bottom entry jog reverse WRS_M_07 WRS bottom exit jog forward WRS_M_08 WRS bottom exit jog reverse WRS_M_09
WRS(Work Rool bending)工作辊弯辊 一、 综述
对于工作辊的弯辊主要的目的是为了保证带材的平整度，自动状态下弯辊力的大小会由二级提前根据板坯的参数计算出来下发到一级执行，一级在执行过程中会根据现场收集的适时数据不断进行调整以保证达到最精确的控制，同时操作员也可以根据经验进行手动干预，正常情况下不建议进行人工干预，除非异常情况下必须进行有效的干预才能保证设备的安全运行时操作员才可以采取正确的干
预方式。弯辊分为正弯和负弯，但我们的CVC+辊由于辊型本身的特点只有正弯，所谓正弯就是上工作辊向上增加弯辊力，下工作辊向下增加弯辊力，辊的弯曲度加大，轧制力减小，这样就可以降低带材中心的厚度，边部的厚度相对增加;而负弯就是上工作辊向下增加弯辊力，上工作辊向下增加弯辊力，辊的弯曲度减小，轧制力增大，这样就可以增加带材中心的厚度，边部的厚度相对减小。 二、 功能概述
窜辊包括三个功能单元
1、 弯辊力的控制:控制的计算、模式选择、监视，伺服阀的
Drive sideOperating side
输出 a) Neutral bending
=> 0%
2、 设定值的分配:模式选择、设定值的选择、弯辊力的补偿Upper roll
计算
3、 辅助功能:伺服阀的监视、实际值的调整
Lower roll
b) Negative bending
=> -100%
Upper rollFBFB
FBFBLower roll
c) Positive bending
=> + 100%Bending_01.vsd
Upper rollFBFB
FBFB
Lower roll
三、算法
弯辊力有伺服阀进行控制，限定值受控于电流值和压力，输出不能超出极限值，一旦超出就会发出报警信息，并锁定在极限位置，这其中监视的主要参数是阀的电流值和轧制力。有以下几种模式:机架校准、轧制时的弯辊操作、弯辊力的重新设定、弯辊平衡、正弯、维修模式、停止模式。设定值的管理，机架校准时是固定值，手动模式来自于人工干预值，正常轧制时来自于二级自动化，补偿只来自与板型的控制,补偿值与温度的变化有相当大的关系。
Dynamic Profile Control (DPC)动态板型控制 K=dFB/dFW
k = dFB/dFW
dFB=k*dFW
Adaption of the bending characteristic curve
k=f(b)
bieg08.drw
Strip widthBending characteristic curve
F = x * (A * P – A * P) BPSPSRSRS
Where:
F = effective bending force per work roll B
A = cylinder area on piston side 活塞侧 PS
A = cylinder area on rod side 杆侧 RS
P = actual pressure on piston PS
P = actual pressure on rod side RS
x = number of cylinders 四、软件结构
P01 STM P03 TEC P03 GCS (Logic part) (Technological part) (Controller part)
主要的CFC
CPU CPU Function Function charts Count
folder folder number P01 100_STM
320_WRB P01_STM_WRB_PAR Parameter 430
P01_STM_WRB_INP Input Interface 431
P01_STM_WRB_HMI HMI Interface 432
P01_STM_WRB_LOG Logic 433
P01_STM_WRB_REF Reference 434
P01_STM_WRB_MAM Maintenance Mode 435
P01_STM_WRB_MSG Messages 436
P01_STM_WRB_OUT Output interface 437
P03 200_TEC
340_WRB P03_GCS_WRB_TEC Technological part 430
P03 300_GCS
340_WRB P03_GCS_WRB_PAR Control parameter 430
P03_GCS_WRB_ACT Actual values 435
P03_GCS_WRB_CTR Controller 440
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