鋁熱軋立輥的應(yīng)用

鄭自鏈 陳秋霞

摘 要：本文主要介紹鋁板帶熱連軋機(jī)組中立輥的設(shè)備結(jié)構(gòu)和控制方式，以及在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題和改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：立輥；鋁熱軋機(jī)；控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.051

1 立輥的作用

與鋼鐵行業(yè)相比，在鋁加工熱軋中立輥的作用在寬度控制方面較弱，主要作用還是用于改善邊部質(zhì)量。在軋件厚度在200mm以上的幾個(gè)道次中，由于軋件的變形量相對(duì)絕對(duì)厚度比不大，變形通常只發(fā)生在軋件表面層，而不深入到軋件內(nèi)部，這種情況會(huì)使軋件的側(cè)面出現(xiàn)雙鼓形，導(dǎo)致邊部質(zhì)量不合格的部分增大，最終使后工序切邊量增大，造成成品率降低。所以，在鋁加工熱軋的前幾個(gè)道次要進(jìn)行滾邊，以消除軋件邊部的雙鼓形缺陷。同時(shí)在軋制5系以上硬鋁合金時(shí)易出現(xiàn)裂邊現(xiàn)象，軋件邊部開裂后，也會(huì)導(dǎo)致軋制后的切邊量加大。所以通過立輥滾邊，也可以改善軋件的邊部質(zhì)量，減少或消除軋件邊部的開裂缺陷。

2 立輥的設(shè)備結(jié)構(gòu)和組成

以中鋁瑞閩公司1+3熱連軋的立輥為例，介紹一下立輥的設(shè)備結(jié)構(gòu)和組成。立輥設(shè)備結(jié)構(gòu)布置示意圖如圖2-1所示。安裝在粗軋機(jī)對(duì)中導(dǎo)尺入口處，采用液壓擺輥縫和電動(dòng)傳動(dòng)的方式。設(shè)備主要由立輥牌坊、立輥軋輥、液壓裝置、電機(jī)傳動(dòng)裝置、其他傳感元器件等組成。立輥牌坊用于固定壓下液壓缸，承受軋制過程中由帶材傳遞到液壓缸缸頭的軋制力，完成帶材寬度控制。安裝于兩側(cè)的一對(duì)立輥采用錐形輥。錐形輥能夠有效抑制側(cè)壓時(shí)帶材往一邊上揚(yáng)的趨勢，消除軋件的不穩(wěn)定性。

液壓傳動(dòng)裝置主要由分布在牌坊兩側(cè)的液壓缸、液壓伺服系統(tǒng)組成。每側(cè)牌坊上下各一個(gè)液壓缸，配套使用的液壓伺服系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)壓下液壓缸完成伸出和收回的精確位置控制。在每個(gè)液壓缸的活塞腔和桿腔均裝有位移傳感器和壓力傳感器。位移傳感器用于精確測量液壓缸的位置變化量，通過輥縫標(biāo)定工作實(shí)現(xiàn)液壓缸位置與立輥輥縫位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)立輥輥縫的控制。壓力傳感器主要用于立輥軋制力的計(jì)算，通過壓力傳感器的壓力變化準(zhǔn)確測量計(jì)算立輥實(shí)時(shí)軋制力值。

電機(jī)傳動(dòng)裝置采用下臥式傳動(dòng)方式，通過一臺(tái)1400KW的交流異步電機(jī)（帶減速箱）經(jīng)萬向聯(lián)軸器傳動(dòng)立輥軋輥。電機(jī)水平布置在地面上，電機(jī)傳動(dòng)軸和立輥軋機(jī)的傳動(dòng)軸相互垂直，需要人字齒輪裝置來改變傳動(dòng)方向。交流異步電機(jī)傳動(dòng)控制采用西門子6SE70交直交變頻系統(tǒng)，速度控制采用矢量控制方式。

3 立輥的位置控制

立輥是通過位置閉環(huán)的控制方式來調(diào)節(jié)液壓缸的行程變化，最終達(dá)到調(diào)節(jié)立輥輥縫大小為目的的寬度控制。立輥輥縫控制結(jié)構(gòu)圖如3-1所示。

輥縫控制的核心在于單個(gè)液壓缸的位置控制閉環(huán)。液壓缸位置控制閉環(huán)是根據(jù)立輥位移傳感器測量值與給定值的偏差，通過PI調(diào)節(jié)器去控制液壓伺服閥的開口度，達(dá)到調(diào)整液壓缸的行程。立輥兩側(cè)上下合計(jì)四個(gè)液壓缸使用各自獨(dú)立的閉環(huán)位置調(diào)節(jié)器，閉環(huán)位置調(diào)節(jié)器通過位置控制算法將液壓伺服閥輸出與液壓缸位置反饋統(tǒng)一，構(gòu)成帶位置反饋功能的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3.1 位置反饋控制

閉環(huán)位置控制是以立輥液壓缸的實(shí)際位置與設(shè)定位置的差值為反饋量，對(duì)各自壓下液壓缸的伺服閥進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)的調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)由位移傳感器、位置調(diào)節(jié)器、伺服放大器、執(zhí)行器和液壓伺服系統(tǒng)組成。調(diào)節(jié)器根據(jù)立輥液壓缸的實(shí)測位置和給定行程之間的偏差，經(jīng)過運(yùn)算放大后輸出調(diào)節(jié)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器調(diào)節(jié)伺服閥的開口度，從而調(diào)整立輥液壓缸的行程，使液壓缸的行程偏差控制在允許的范圍之內(nèi)。調(diào)節(jié)器的算法設(shè)計(jì)一般運(yùn)用比例積分調(diào)節(jié)，通過比例系數(shù)提高液壓缸的動(dòng)作速度，通過優(yōu)化積分系數(shù)保證控制器的精度，達(dá)到消除位置偏差的目的。位置調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。

3.2 速度平衡控制功能

每個(gè)立輥液壓缸由于速度或動(dòng)作響應(yīng)存在差別，簡單的閉環(huán)位置控制不能保證同側(cè)液壓缸運(yùn)行的同步性。同側(cè)上下兩個(gè)液壓缸不同步，會(huì)導(dǎo)致立輥發(fā)生傾斜。嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致立輥發(fā)生機(jī)械卡阻。速度平衡控制用于立輥液壓缸的速度補(bǔ)償，一要保證同側(cè)液壓缸的速度同步，二要保證兩側(cè)液壓缸的速度同步性。使立輥在運(yùn)行中出現(xiàn)如果同側(cè)偏差或兩側(cè)偏差達(dá)到一定值后，系統(tǒng)鎖定比例伺服閥不再運(yùn)行，以保護(hù)機(jī)械設(shè)備。

4 現(xiàn)場應(yīng)用中的典型故障

立輥軋機(jī)與平軋機(jī)相比，有著自身的特殊性。立輥軋機(jī)的正常工作需要四套電液伺服系統(tǒng)的協(xié)同配合，即由四個(gè)液壓伺服系統(tǒng)分別對(duì)四個(gè)液壓缸進(jìn)行控制。

比例伺服閥是立輥液壓伺服系統(tǒng)中的核心元件，也是最容易出故障的部件。當(dāng)立輥單個(gè)液壓缸不動(dòng)作或者同側(cè)上下液壓缸同步性差別較大時(shí)候，首先要排查比例伺服閥是否有異常。比較容易的方法是檢測比例伺服閥的給定閥位和實(shí)際反饋閥位，如果比例伺服閥工作異常，在PI的調(diào)節(jié)下，閥位給定逐漸變大直到飽和。比例伺服閥工作異常又有可能是閥自身故障和外圍控制回路故障兩種。

以現(xiàn)場常用的Rexroth的4WRDE型三級(jí)高頻響方向閥為例，該閥可用于開環(huán)控制或閉環(huán)調(diào)節(jié)液流的大小和方向。先導(dǎo)閥通過電氣連接線插頭實(shí)現(xiàn)信號(hào)的給定，如圖4-1所示，當(dāng)輸入電源電壓為24V直流電壓時(shí)，閥閉環(huán)控制回路使能。給定值接入D和 E端子，反饋值接F和E端子。

其中閥位給定信號(hào)電壓值-10V到10V對(duì)應(yīng)閥給定開口的-100%-100%。閥位反饋信號(hào)電壓值與閥開口度信號(hào)也一致。如果給定信號(hào)與控制給定一致，而反饋信號(hào)偏差很大，則可以判斷比例伺服閥異常。這種情況多發(fā)生于比例伺服閥先導(dǎo)部分有異物，導(dǎo)致油路工作異常，需要拆解清洗先導(dǎo)閥。

如果給定信號(hào)與控制給定偏差大，甚至無給定信號(hào)，則可能是給定回路電路異常。需要逐級(jí)排查信號(hào)，如AI輸出板，各個(gè)信號(hào)接頭松動(dòng)等。

5 現(xiàn)場應(yīng)用中的使用優(yōu)化

在立輥軋機(jī)的運(yùn)行中，立輥采用位置閉環(huán)控制，即輥縫控制。測量的軋制力用于顯示和壓力極限保護(hù)。在鋁加工熱軋中，立輥的寬度控制功能較弱，主要用于滾邊以改善邊部質(zhì)量防止裂邊。輥縫的給定值實(shí)際上只采用開環(huán)控制，即在立輥咬料時(shí)給定值不自動(dòng)調(diào)整。軋件通過立輥只需要達(dá)到一定的滾邊軋制力即可（50-100噸），因此立輥運(yùn)行的平順性就顯得比較重要。下面根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，提出以下幾個(gè)改善運(yùn)行平順性的措施。

5.1 頭部咬料速度補(bǔ)償

按照正常的軋制流程，立輥道次時(shí)立輥的線速度與輥道速度是一致的，但在立輥咬料的瞬間，立輥軋機(jī)的速度因咬料沖擊造成速降，速度的下降值隨著頭部咬料軋制力的增大而增大。而此時(shí)輸送輥道速度相對(duì)立輥速度較快，兩者速度不一致，易造成板錠輸送輥道電機(jī)跳閘。針對(duì)該問題，可對(duì)立輥的速度控制引入頭部速度補(bǔ)償系數(shù)。在立輥咬料前，將立輥速度按照正常給定速度的1.1倍運(yùn)行，當(dāng)帶材咬入后，再將立輥速度按照設(shè)定速度值運(yùn)行，在實(shí)際應(yīng)用中，這種速度提前補(bǔ)充的方式可以有效降低咬料速降，減少輸送輥道電機(jī)跳閘故障。

5.2 輥縫補(bǔ)償

立輥的工藝設(shè)定寬度由二級(jí)模型根據(jù)板錠寬度計(jì)算給定。當(dāng)模型給定寬度偏小時(shí)，軋件咬入立輥軋機(jī)時(shí)，如果輥縫目標(biāo)值設(shè)定與實(shí)際帶材寬度相差較大，咬料瞬間會(huì)對(duì)液壓缸造成很大的沖擊。而此時(shí)立輥的軋制力和立輥電機(jī)的扭矩也會(huì)偏大，甚至達(dá)到上限值。立輥主傳動(dòng)堵轉(zhuǎn)，軋件卡在立輥軋機(jī)位置。如果手動(dòng)干預(yù)輥縫（開輥縫）不及時(shí)，會(huì)造成立輥傳動(dòng)過流跳閘和輥道跳閘，影響生產(chǎn)節(jié)奏。針對(duì)該問題，可以設(shè)計(jì)一個(gè)上限保護(hù)功能，即根據(jù)軋制力和扭矩的值進(jìn)行適當(dāng)?shù)妮伩p補(bǔ)償，當(dāng)實(shí)際軋制力或扭矩飽和后，輥縫會(huì)自動(dòng)打開一定寬度，以便該板錠能夠順利的軋制。

5.3 安全控制的改進(jìn)

在立輥打開、關(guān)閉輥縫的過程中，會(huì)因各種故障出現(xiàn)單側(cè)油缸卡阻的現(xiàn)象，按照原來的控制方式，檢測到比例伺服閥給定電流很大或是上下缸位置偏差超過一定值后，控制系統(tǒng)將伺服閥輸出鎖定，讓油缸停在當(dāng)前位置。但此時(shí)如果是因?yàn)樗欧y閥芯卡阻的故障，伺服閥開口度不受信號(hào)控制，液壓缸還是會(huì)繼續(xù)按照伺服閥實(shí)際開口度的方向運(yùn)行到最小或最大輥縫，這樣對(duì)液壓缸和機(jī)械設(shè)備有很大沖擊，而且也失去了保護(hù)功能。針對(duì)該問題，將保護(hù)邏輯同時(shí)引到伺服閥前的進(jìn)油閥控制聯(lián)鎖中，即發(fā)現(xiàn)位置偏差大的同時(shí)關(guān)閉進(jìn)油閥，防止誤動(dòng)作，以減少不必要的機(jī)械和液壓損傷。

6 結(jié)束語

本文介紹了鋁熱連軋機(jī)組中立輥的工藝作用、設(shè)備結(jié)構(gòu)和控制方式，以及在實(shí)際運(yùn)行中的典型故障和改善運(yùn)行平順性的改進(jìn)措施。

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