帶鋼重卷機(jī)組卷取機(jī)的糾偏系統(tǒng)

喬順平，趙春禾

(1.寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司 上海201900;2.上海西重所重型機(jī)械成套有限公司，上海201900)

帶鋼重卷機(jī)組卷取機(jī)的糾偏系統(tǒng)

喬順平1，趙春禾2

(1.寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司 上海201900;2.上海西重所重型機(jī)械成套有限公司，上海201900)

本文針對(duì)生產(chǎn)中存在的如鋼卷邊部不齊、錯(cuò)邊現(xiàn)象，影響帶鋼質(zhì)量的問題，在設(shè)計(jì)中通過采取帶鋼邊部自動(dòng)定位伺服糾偏系統(tǒng)，亦即EPC(edge position control)尋邊系統(tǒng)的卷取機(jī)糾偏系統(tǒng)的方法，以及改變卷取機(jī)本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)和提高張力控制精度等辦法，解決了鋼卷邊部不齊、錯(cuò)邊現(xiàn)象，取得了糾偏精度提高，帶鋼質(zhì)量增加的預(yù)期效果。

卷取機(jī);EPC糾偏機(jī)構(gòu);LM導(dǎo)軌

0 前言

近幾年，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，家電行業(yè)以及汽車制造行業(yè)對(duì)冷軋薄板、鍍鋅板、彩色鋼板的需求日益增多，國內(nèi)先后建成并投產(chǎn)了近百條生產(chǎn)線，由于技術(shù)裝備不同，帶鋼的產(chǎn)品質(zhì)量也不盡相同，除了其它影響帶鋼產(chǎn)品質(zhì)量的因素外，在卷取過程中造成的成品帶鋼質(zhì)量缺陷，如鋼卷邊部不齊、錯(cuò)邊、塔形、塌卷、表面擦傷、帶頭折痕等，嚴(yán)重影響了用戶的后續(xù)使用。隨著冷軋?zhí)幚砭€技術(shù)的進(jìn)步，許多鋼廠通過卷取機(jī)糾偏系統(tǒng)提高帶鋼卷取質(zhì)量。

1 卷取機(jī)設(shè)備組成及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 設(shè)備組成

卷取機(jī)用于在所需的卷取張力下對(duì)帶鋼進(jìn)行齊邊卷取操作。卷取機(jī)主要由卷取機(jī)本體、壓輥裝置、底座、外支承、皮帶助卷器及稀油潤滑系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。

卷取機(jī)有上卷取和下卷取兩種工作方式，采用進(jìn)口特種橡膠套筒減少帶頭壓痕。卷取機(jī)本體由卷筒、齒輪減速箱、漲縮油缸、回轉(zhuǎn)接頭及主傳動(dòng)電機(jī)等組成。卷筒為懸臂漲縮式，是4塊斜楔扇形塊式結(jié)構(gòu)，由一個(gè)脹縮液壓缸帶動(dòng)，三位四通閥控制，主傳動(dòng)電機(jī)經(jīng)減速箱帶動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)。扇形塊采用鍛鋼材質(zhì)并經(jīng)熱處理，斜楔塊采用銅質(zhì)材質(zhì)澆鑄而成。壓輥裝置由鋼結(jié)構(gòu)擺臂、包膠壓輥、擺動(dòng)液壓缸組成，用于上鋼卷、卸鋼卷及處理事故時(shí)壓住帶卷以防松卷。

底座是卷取機(jī)承重載體及實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)的機(jī)座，它由移動(dòng)底座、移動(dòng)副、固定底座和一臺(tái)液壓缸(EPC液壓缸)組成。卷取機(jī)本體安裝在移動(dòng)底座上，由EPC液壓缸驅(qū)動(dòng)作橫向移動(dòng)，通過卷取機(jī)從機(jī)組中心線向操作側(cè)或傳動(dòng)側(cè)移動(dòng)150 mm的行程量，實(shí)現(xiàn)在工作過程中使帶材邊緣保持一致的效果。

卷取開始前，卷筒會(huì)自動(dòng)執(zhí)行與機(jī)組中心線的定位操作。在卷筒的末端，機(jī)組作業(yè)線操作側(cè)，設(shè)有供支承卷筒用的外支承。該外支承主要由支撐輥、擺臂、連桿、機(jī)架和干油潤滑系統(tǒng)組成。利用液壓缸動(dòng)作帶動(dòng)連桿和擺臂將擺臂頭部的半圓型支撐輥抬起，用以支承卷取機(jī)懸臂卷筒軸頭，使卷取機(jī)卷筒軸在承受最大卷重帶卷時(shí)有足夠的剛度，同時(shí)克服開卷張力對(duì)卷筒軸的影響。

皮帶助卷器只要求具有上助卷一種功能，采用皮帶助卷方式，助卷器常安裝在卷取機(jī)本體上，隨卷取機(jī)一起浮動(dòng)。助卷器主要由助卷架體、擺臂、皮帶張緊機(jī)構(gòu)、助卷皮帶、油缸及輥?zhàn)拥冉M成。

稀油潤滑系統(tǒng)由稀油泵、電機(jī)、過濾器、油流指示器、冷卻器、閥類及噴嘴組成，主要用于卷取機(jī)的減速箱齒輪及軸承的潤滑。

圖1 卷取機(jī)配置圖Fig.1 Deployment diagram of coiler

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

橡膠卷筒尺寸/mm 610/508

卷筒的有效長度/mm 2 100

承載能力/kg Max.28 000

卷取機(jī)橫移范圍/mm±150

2 生產(chǎn)中存在的問題

在帶鋼生產(chǎn)中，影響卷取質(zhì)量的因素有很多，例如，帶鋼卷取張力抖動(dòng)、帶鋼橫向跑偏、卷筒漲開后外圓不是真圓、卷筒中心線與機(jī)組中心線不垂直等。隨著機(jī)組速度的進(jìn)一步提高以及用戶對(duì)卷取精度的要求由±0.5～±1 mm提高到±0.1～±0.2 mm;鋼卷在運(yùn)輸過程中為了起吊鋼卷需將鋼卷立式放置，因此，對(duì)鋼卷的邊部對(duì)齊精度要求高，否則，帶鋼質(zhì)量卷邊現(xiàn)象不可避免。

3 問題分析

為了提高帶鋼邊部卷齊精度，鋼卷齊邊要求允許偏移量±0.5 mm。機(jī)組在運(yùn)行過程中，卷取機(jī)卷筒必須隨時(shí)根據(jù)帶鋼的跑偏方向進(jìn)行同方向的等量橫移，這就要求在改進(jìn)傳感裝置的同時(shí)，還必須通過改變卷取機(jī)本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)和提高張力控制的精度等辦法，達(dá)到提高糾偏精度以滿足用戶的要求。

通常采用的卷取機(jī)浮動(dòng)裝置，即糾偏裝置，是依靠液壓缸來完成的，有時(shí)亦有采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來完成的。液壓缸的浮動(dòng)量是由帶材實(shí)際跑偏量來決定的。從理論上說:“跑多少，移多少”。由于跑偏量變化是相當(dāng)快的，移動(dòng)液壓缸速度亦應(yīng)與之相適應(yīng)，為了取得較好的糾偏效果，一般需采用跟蹤隨動(dòng)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)。

4 自動(dòng)定位伺服糾編系統(tǒng)

帶鋼邊部自動(dòng)定位伺服糾偏系統(tǒng)，亦即EPC(edge position control)尋邊系統(tǒng)，是機(jī)電液一體化系統(tǒng)，主要由檢測(cè)器、數(shù)字控制單元、位置傳感器、液壓控制站幾部分組成。該控制系統(tǒng)與機(jī)組張力控制是緊密關(guān)聯(lián)的，只有在機(jī)組建張后，EPC系統(tǒng)才能正常投入工作，即如果機(jī)組失張時(shí)或抖動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)就不能正常工作。

常用的EPC尋邊系統(tǒng)有光電液和氣液兩種控制系統(tǒng)。光電液控制系統(tǒng)具有精度高，光電頭檢測(cè)距離大，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于浮動(dòng)卷取機(jī)的控制系統(tǒng)上。氣液控制系統(tǒng)雖然精度差，但由于設(shè)備簡單有時(shí)亦被采用。

4.1 氣電液控制系統(tǒng)

氣電液控制系統(tǒng)是在氣液控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，即檢測(cè)裝置采用氣嘴，把檢測(cè)信號(hào)氣壓經(jīng)過氣電轉(zhuǎn)換器變成電量。然后再經(jīng)過電液隨動(dòng)閥帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(液壓缸)動(dòng)作。系統(tǒng)方框圖，如圖2所示。

圖2 浮動(dòng)卷取機(jī)控制系統(tǒng)方框圖Fig.2 Block diagram for control system of float coiler

浮動(dòng)卷取機(jī)一般采用閉環(huán)控制系統(tǒng)(反饋控制系統(tǒng))。反饋控制系統(tǒng)采用位置反饋，即檢測(cè)裝置剛性地固結(jié)在卷取機(jī)上，與卷筒一起浮動(dòng)，如圖3所示。與開卷機(jī)相反，浮動(dòng)卷取要求帶鋼在轉(zhuǎn)向輥上的接觸角盡可能大，以便把帶鋼“定住”。當(dāng)卷取機(jī)卷筒移動(dòng)時(shí)，帶鋼在轉(zhuǎn)向輥上不發(fā)生相對(duì)橫向移動(dòng)。因此，在轉(zhuǎn)向輥面上包一膠層，以增加其上的摩擦。如果卷筒與張力輥之間沒有轉(zhuǎn)向輥，帶鋼就要繞張力輥回轉(zhuǎn)，盡管檢測(cè)裝置與卷筒一起浮動(dòng)，仍然難以實(shí)現(xiàn)反饋跟蹤。所以在浮動(dòng)卷取機(jī)上，卷筒是按帶鋼邊緣來定心的，盡可能要求不使帶鋼產(chǎn)生橫向移動(dòng)，所以要求增加帶鋼在轉(zhuǎn)向輥上的摩擦阻力。

圖3 浮動(dòng)卷取機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of float coiler

在浮動(dòng)卷取機(jī)液壓控制系統(tǒng)中，由檢測(cè)裝置檢測(cè)到跑偏信號(hào)以后，經(jīng)過放大，傳給電液隨動(dòng)閥。壓力油經(jīng)過電液隨動(dòng)閥進(jìn)行功率放大，推動(dòng)執(zhí)行油缸，移動(dòng)浮動(dòng)卷取機(jī)卷筒，達(dá)到糾偏目的?？刂七^程一般采用位置反饋來實(shí)現(xiàn)跟蹤糾偏。對(duì)浮動(dòng)卷取機(jī)控制系統(tǒng)有三方面要求，即穩(wěn)(系統(tǒng)穩(wěn)定性)、準(zhǔn)(系統(tǒng)精度，靈敏度)、快(系統(tǒng)快速性)。一般說來，提高放大倍數(shù)，可以提高系統(tǒng)靈敏度及精度。對(duì)于浮動(dòng)卷取機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)頻率為1～2 Hz就可滿足靈敏度的要求。為了提高系統(tǒng)的快速性，可提高執(zhí)行油缸和慣性負(fù)荷所產(chǎn)生的頻率。

4.2 光電液糾偏控制系統(tǒng)

光電液糾偏控制系統(tǒng)是近年來常用的一種EPC系統(tǒng)。國內(nèi)常用的光電液糾偏控制系統(tǒng)采用光電傳感器檢測(cè)帶材的邊緣位置，在生產(chǎn)過程中當(dāng)帶材邊緣偏離生產(chǎn)線正確位置時(shí)，根據(jù)傳感器接收的光通量的變化，使輸出電信號(hào)隨之變化，變化的大小與帶材的偏離程度成正比。缺點(diǎn)是帶鋼邊部檢測(cè)的光電傳感器不但要根據(jù)板材寬度的不同需要進(jìn)行橫向位置調(diào)整外，還要隨卷取機(jī)卷筒浮動(dòng)，很容易產(chǎn)生故障。而且煙霧、蒸汽、灰塵等污染以及行車吊物掠過時(shí)也會(huì)影響檢測(cè)光電傳感器的檢測(cè)精度。其優(yōu)點(diǎn)是成本低。

國外常用的光電液糾偏控制系統(tǒng)的光電檢測(cè)元件則與國內(nèi)的不同，其光電檢測(cè)元件分為發(fā)射和接收兩部分，發(fā)射元件為直線陣列發(fā)光二極管，由石英鐘控制掃描順序發(fā)光，接收元件為一光敏接收器，用于檢測(cè)在規(guī)定的掃描時(shí)間內(nèi)發(fā)光二極管是否發(fā)光。其發(fā)射和接收光電檢測(cè)元件都安裝在固定支架上，不隨板寬調(diào)整，也不隨卷取機(jī)移動(dòng)，工作可靠，檢測(cè)精度高，但是成本高。

4.3 卷取機(jī)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)中的LM導(dǎo)軌

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌(簡稱LM導(dǎo)軌)實(shí)質(zhì)上是一種滾動(dòng)摩擦副，也是一種直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、返向器、保持架、密封端蓋及擋板等組成，如圖4所示。

糾偏系統(tǒng)中采用的LM導(dǎo)軌與滑動(dòng)摩擦相比，有阻力小、響應(yīng)準(zhǔn)、磨損小、維護(hù)工作量小等明顯優(yōu)點(diǎn)。左右各1條負(fù)荷滾珠列與轉(zhuǎn)動(dòng)溝形成45°的接觸，能夠承受所有方向的載荷。當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊在作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)。鋼球在滾動(dòng)直線軌道中與滑塊一起在4列精密研磨加工過的滾動(dòng)溝槽上進(jìn)行滾動(dòng)，再通過球保持器與裝在滑塊上的端蓋板，實(shí)現(xiàn)各列球的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。為了使滑塊的4個(gè)方向(徑向、橫向)具有相同的額定負(fù)荷，各球列被設(shè)計(jì)成45°的接觸角，實(shí)現(xiàn)其可在各種各樣的姿勢(shì)中使用的目的。并且因能施加均等的預(yù)壓，從而既能一邊維持較低的摩擦系數(shù)，又加強(qiáng)了4個(gè)方向的剛性。同時(shí)，因斷面高度低，對(duì)滑塊的高剛性設(shè)計(jì)，從而能獲得穩(wěn)定的高精度直線運(yùn)動(dòng)。

圖4 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的組成Fig.4 Composition of rolling straight guide rail

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的運(yùn)動(dòng)精度和摩擦力是導(dǎo)軌副的兩項(xiàng)突出的性能指標(biāo)，其中，運(yùn)動(dòng)精度是指LM導(dǎo)軌副在工作過程中滑塊體直線運(yùn)動(dòng)的誤差情況。而摩擦力又是影響運(yùn)動(dòng)精度的另一個(gè)重要因素。LM導(dǎo)軌副摩擦系數(shù)相比滑動(dòng)摩擦系數(shù)，要小得多了，動(dòng)靜摩擦之差也很小，既消除了滑動(dòng)導(dǎo)軌的滑移，又能夠靈活運(yùn)動(dòng)。

此外，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副具有良好的誤差均化功能。因?yàn)閷?dǎo)軌副具有較高的自動(dòng)調(diào)芯能力，導(dǎo)軌安裝后，其基準(zhǔn)面的誤差將不會(huì)全部反映到導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)誤差上來，即使2根軸的安裝精度沒調(diào)好，也可由LM滑塊將誤差吸收。因此，采用LM導(dǎo)軌后，較低的安裝精度同樣能達(dá)到較高的運(yùn)動(dòng)精度。

因?yàn)長M導(dǎo)軌副裝有球保持器，使球與球之間相互摩擦所引起的球磨損消失，球被均勻地排列后進(jìn)行循環(huán)，金屬?zèng)_突音消失，滾動(dòng)摩擦阻力變動(dòng)小，使運(yùn)動(dòng)變得平滑穩(wěn)定，面壓變低，發(fā)熱減少，延長了潤滑脂的壽命。

關(guān)于超重負(fù)載設(shè)備用的導(dǎo)軌副，一般選用滾柱重載直線導(dǎo)軌副，因?yàn)?，滾柱的剛性極高，相比滾珠，可使點(diǎn)接觸受力方式變成負(fù)載線接觸受力，大大提高了負(fù)載能力。這里，為了避免滾柱之間的內(nèi)部碰撞而引起的噪音，特采用滾柱鏈將滾柱分隔開，由于滾柱鏈的設(shè)置，防止了滾柱的歪斜運(yùn)動(dòng)，此外，滾柱與保持鏈之間形成的油膜接觸也避免了滾柱之間的摩擦，滾柱鏈中存在一定量的潤滑脂，又實(shí)現(xiàn)了長期無需維修保養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)，并延長了使用壽命。

當(dāng)然，目前重型卷取機(jī)(卷重大于15 t)，其浮動(dòng)機(jī)構(gòu)為降低投資成本，不少卷取機(jī)糾偏機(jī)構(gòu)是采用銅滑板結(jié)構(gòu)的，即卷取機(jī)卷筒和齒輪箱箱體在固定底座上前后滑動(dòng)達(dá)到糾偏目的，這種設(shè)計(jì)，雖然價(jià)格相比LM導(dǎo)軌低廉不少，但控制精度卻不如LM導(dǎo)軌，因?yàn)樵摲N機(jī)構(gòu)機(jī)加工有誤差，安裝精度不高，潤滑也不暢，不具有誤差均化功能，于是，卷取機(jī)本體滑動(dòng)阻力很大，特別是因其動(dòng)靜摩擦系數(shù)差較大，很容易造成低速爬行，自然會(huì)影響卷取機(jī)的糾偏控制精度。

由此可見，為了減小卷取機(jī)的軸向阻力，采用直線導(dǎo)軌可將原來銅滑板的滑動(dòng)摩擦變成LM導(dǎo)軌的滾動(dòng)摩擦，大大降低了二者間的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力，從而使得動(dòng)、靜摩擦力之差很小，隨動(dòng)性很好，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度，如圖5所示。

圖5 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌在糾偏裝置中的應(yīng)用Fig.5 Application of rolling straight guide rail in deviation rectification device

6 結(jié)論

通過對(duì)卷取機(jī)尋邊控制應(yīng)用的分析不難得出，采用帶有EPC控制的卷取機(jī)浮動(dòng)糾偏裝置大大改善了帶鋼的卷取質(zhì)量，而采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅滑板結(jié)構(gòu)滑動(dòng)導(dǎo)軌不但大大降低了卷取機(jī)軸向運(yùn)動(dòng)阻力，也減小了動(dòng)靜摩擦力之差，隨動(dòng)性很好，同時(shí)減小了糾偏靜差，還消除了低速爬行的現(xiàn)象，更大程度提高了糾偏精度。

本文通過對(duì)執(zhí)行機(jī)械結(jié)構(gòu)本身及光電液控制系統(tǒng)兩方面進(jìn)行改進(jìn)，在實(shí)際應(yīng)用中使糾偏精度滿足生產(chǎn)的要求。

［1］陳舉慶.開卷機(jī)自動(dòng)對(duì)中液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析 ［J］．一重技術(shù)，2001(2)．

［2］白振華.卷取過程中鋼卷內(nèi)部應(yīng)力的計(jì)算 ［J］．上海金屬，2002(2)．

［3］顧軍.鋼帶自動(dòng)對(duì)中(對(duì)邊)CPC/EPC糾偏控制系統(tǒng) ［J］．江蘇冶金，2004(6)．

Deviation rectification system for coiler of strip steel rew inder

QIAO Shun-ping1，ZHAO Chun-he2
(1．Baosteel Engineering＆Technology Group Co．，Ltd．，Shanghai201900，China;2．Shanghai XZSHeavy Machinery Integration Co．，Ltd．，Shanghai201900，China)

In view of the problems of strip-coil edge irregularity and edgemisalignment，which affect the strip quality，an automatic positioning servo deviation rectification system i.e．EPC(edge position control)edgeseeking system is adopted in the design to change themechanical structure of the coiler and improve the tension control accuracy．The method solved the problems and improved the strip qulity and reached the expected effect．

coiler;edge position control;deviation rectification mechanism;LM guide rail

TG333.2

A

1001－196X(2012)04－0033－05

2012－04－09;

2012－06－11

喬順平(1960－)，女，上海人，高級(jí)工程師，寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司主任管理師。