冷軋板廠拉矯機傳動系統(tǒng)的分析與改進

冷軋板廠拉矯機傳動系統(tǒng)的分析與改進

在連續(xù)生產(chǎn)過程中，冷焊帶鋼通常用于實現(xiàn)其工藝目的，而彈性彎曲彎曲機（以下簡稱拉壓機）通常用于實現(xiàn)其工藝目的。某鋼鐵公司冷軋板廠酸軋機組及熱鍍鋅機組在其機組的酸洗入口段和熱鍍鋅光整機出口段布置了拉矯機。酸軋機組布置拉矯機的目的使熱軋板表面破磷和板形矯直為隨后的酸洗、軋制工序做準備。熱鍍鋅機組布置拉矯機的目的是進一步改善板形,并改善平整后帶鋼的機械性能。從機組的整體設計來說,拉矯機的功能對于保證板帶的產(chǎn)品質(zhì)量起著重要作用。通常拉矯機設計為兩彎一矯形式。由于拉矯機承擔的重要作用,每卷帶鋼均要求拉矯機投入使用。拉矯機的工作原理為使帶材在拉伸、彎曲的聯(lián)合作用下發(fā)生彈塑性變形,由此實現(xiàn)工藝目的。其中延伸率的獲得精度最關鍵。延伸率的實現(xiàn)有很多前提,如產(chǎn)生張應力的張緊輥組,以及產(chǎn)生彎應力的小輥徑的工作輥組。延伸率穩(wěn)定的另一個前提是帶鋼在通過整個拉矯機本體時,希望速度是均勻的,張力也是穩(wěn)定的,沒有突變、波動過大等現(xiàn)象。速度和張力的此種要求通常應該由系統(tǒng)的機電設計來保證。而現(xiàn)役的拉矯機往往由于系統(tǒng)設計上的缺陷、不足,導致速度、張力不能穩(wěn)定,容易受到干擾。因此采取必要的、有效的措施來防止帶鋼速度、張力的異常波動,獲得允許精度范圍內(nèi)的帶鋼實際延伸率大小在現(xiàn)場有現(xiàn)實意義。本文寫作即在分析酸軋機組拉矯機在實際使用中出現(xiàn)的問題的基礎上,對產(chǎn)生問題的根源進行了分析,并對酸軋機組的拉矯機的系統(tǒng)設計給出了一些建議。1前后張緊輥組的傳動機構(gòu)設計如前言所述,酸軋機組的拉矯機通常布置在機組的入口段,主要用于疏松帶鋼表面氧化層,為隨后的表面酸洗創(chuàng)造條件以及改善熱軋帶鋼的板形以利于隨后的冷連軋機的軋制。圖1為酸軋機組拉矯機的系統(tǒng)布置圖,該拉矯機為兩彎一矯架構(gòu)。使用對象為厚度2.0mm～4.0mm的低碳含量的熱軋板,為后續(xù)工序中的酸洗以及軋制提供表面破磷以及板形改善。前后張緊輥組各由2根大直徑的張緊輥組成,張緊輥輥面材質(zhì)為聚胺酯,表面硬度HSA90±5,表面粗糙度Ra1.6。該傳動機構(gòu)設計較為簡單(見圖1),一臺主電機和一臺延伸率電機,其中延伸率電機通過一套差速機構(gòu)連接到傳動鏈中,系統(tǒng)通過設計保證了前后張緊輥組間輥子的轉(zhuǎn)速一致,但系統(tǒng)的定速比輪系設計使得輥子間的速度差不可調(diào)節(jié)。在實際使用中,該設備出現(xiàn)了以下主要問題:(1)前后張緊輥磨損較大,造成實際延伸率與設定延伸率誤差較大,工藝參數(shù)出現(xiàn)較大偏差,且張緊輥表面磨損狀態(tài)各異。下文中的三張照片為該拉矯機在實際使用中出現(xiàn)的缺陷實圖。圖2為入口第1根輥輥面磨損情況,該輥為聚胺酯輥面,上機使用6個月之后,經(jīng)下機實測,該輥的半徑平均減少量為2mm左右,輥面粗糙度測量為Ra2以上。圖3為入口第2根輥輥面磨損情況,輥面條件以及使用時間一樣,經(jīng)下機實測,該輥的半徑平均減少量為3.2mm,輥面粗糙度很小,輥面很光滑,為Ra0.1左右。(2)矯直機輥系中,與帶鋼直接接觸的輥子,彎曲輥以及矯平輥磨損異常,使用壽命平均為一周,圖4。(3)機組在升降速時,傳動齒輪箱有明顯異常振動;2酸軋機組拉矯機在張力輥組間出現(xiàn)明顯的滑酸軋機組裝備的拉矯機在現(xiàn)場實際使用中出現(xiàn)的主要問題如上分析。矯直工作輥壽命太短,該輥輥面材質(zhì)為GCr15,即滾動軸承鋼。輥面工藝技術(shù)要求中,要求表面淬硬層深度為3mm。實際使用壽命只有一周左右,故障表現(xiàn)為輥子在帶鋼邊部位置磨損劇烈。分析原因主要有兩個:一是延伸率設定偏大,通常為3%,導致帶鋼張力大,帶鋼與輥之間的接觸應力及摩擦力大。二是傳動系統(tǒng)設計單薄,帶鋼經(jīng)過拉矯機本體時,輥子與帶鋼之間存在較大的滑動摩擦部分。上述二者的共同作用下,導致輥子使用壽命短。上述原因只是造成缺陷的直接原因,對該問題深入分析:(1)拉矯機裝備在酸軋機組上的主要目的為疏松帶鋼表面氧化層以及矯正板形,為后工序的酸洗、冷連軋打好基礎。因此拉矯機的設計主要要圍繞延伸率的獲得以及延伸率的精確性展開,延伸率的大小及穩(wěn)定性是拉矯機的最重要的參數(shù)。而該酸軋機組拉矯機由于在張力輥傳動鏈中只布置了兩臺電機,即主電機和延伸率電機。而延伸率的獲得是通過計算最接近拉矯機本體的入口,出口張力輥(即主導輥)的輥子線速度來保證的。速度差的獲得完全靠兩個電機的速度來控制。沒有考慮到前后輥組間的速度差,以及可能的帶鋼在張力輥上的打滑。因而設計上存在著很大的缺陷。(2)對于拉矯機來說,為了保證延伸率穩(wěn)定,帶鋼張力的穩(wěn)定以及速度的穩(wěn)定是前提。因此,在系統(tǒng)設計時,必須保證張力穩(wěn)定和速度的穩(wěn)定,應該重視前后輥組間的傳遞扭矩的穩(wěn)定,即張力輥的力矩分配、匹配問題?；谝陨戏治?造成酸軋機組拉矯機出現(xiàn)的問題的根源在于系統(tǒng)的設計不合理,輥組間無調(diào)速手段,主導輥存在著明顯的打滑現(xiàn)象,即入口輥組間存在速度差,同時輥子的力矩分配也不一樣。在高速,講究高質(zhì)量的現(xiàn)代連續(xù)酸軋線,顯然不合理。根據(jù)以上理論分析和現(xiàn)場的大量跟蹤觀察。明確了故障的根源是系統(tǒng)設計存在先天不足,現(xiàn)場能采取的對策效果很有限。對于酸軋機組,現(xiàn)場實際采取的措施主要有:定期更換張緊輥,保證輥面直徑以及輥面的表面狀態(tài);拉矯機入口出口增設夾緊輥,保持入口出口帶鋼的張力波動小;盡可能地優(yōu)化工藝參數(shù),在滿足酸洗表面質(zhì)量要求的前提下,降低設定延伸率。3旋轉(zhuǎn)編碼器的參數(shù)控制圖5為筆者心目中理想的酸軋機組拉矯機新的控制系統(tǒng)圖,該圖在原系統(tǒng)的基礎上,通過新增設備,豐富控制手段。主要改動有:機械裝備上,在傳動系統(tǒng)的二級鏈中各增加了一個差動機構(gòu),并各由一臺交流變頻控制的電機驅(qū)動,這是實現(xiàn)張緊輥負荷閉環(huán)控制的基本前提,由此方可實現(xiàn)張緊輥在輥徑、粗糙度等發(fā)生變化時,可以通過實時調(diào)整輥子的轉(zhuǎn)速來達到平衡輥子所受扭矩的目的。電氣控制上,第一,為了實現(xiàn)延伸率閉環(huán)伺服控制,通過在拉矯機的主導輥的非傳動側(cè)各安裝一個高精度光電旋轉(zhuǎn)編碼器,通過編碼器的計數(shù)采樣,由PLC中的采樣周期指令,實時獲得兩個光電旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖的數(shù)量,由此來調(diào)整延伸率電機的轉(zhuǎn)速。第二,由于新增了二級力矩電機,力矩電機要對輥子的實際負載與設定負載之間的差做出及時響應,實現(xiàn)調(diào)整,因而力矩電機的輸入信號要來源于輥子的實際所傳遞的扭矩。另外在前后張力輥輥組間各布置了一臺力矩電機以協(xié)調(diào)輥間速度。同時,延伸率的獲得是通過直接對主導輥的速度進行采樣,通過旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號,通過PLC對延伸率電機進行動態(tài)調(diào)整。這種實際可以保證延伸率的精確,可以防止帶鋼的打滑造成的設定延伸率與實際延伸率之間的較大的誤差。通過在每根張緊輥的懸掛齒輪箱下各安裝一個力矩螺栓,通過各個力矩螺栓的輸出,獲得每根張緊輥的實際所受的力矩,通過負荷平衡計算單元對力矩電機的速度進行實時調(diào)整,從而達到扭矩平衡的目的。力矩電機通過恒轉(zhuǎn)差變頻調(diào)速,在張緊輥的所受轉(zhuǎn)矩變化時,可以將轉(zhuǎn)矩變化轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣仍隽?通過變頻器調(diào)整1#、4#輥的轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速的變化又引起轉(zhuǎn)矩的變化,由此構(gòu)成轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。而轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定,又意味著拉矯機工作平穩(wěn),輥面與帶鋼之間的配合主要由滾動部分組成?；瑒硬糠肿畲蠡厥艿揭种啤Ｓ绕涫窃跈C組升降速時,以及拉矯機的入口、出口帶鋼張力波動時可以快速作出調(diào)整。而輥面與帶鋼之間的滑動成分的存在,正是造成帶鋼表面振動紋,張緊輥輥面異常磨損以及工作輥早期磨損的主要原因。因此,對于帶差動機構(gòu)的集中驅(qū)動模式,筆者認為對張緊輥組間的帶鋼的速度進行可控設計,是防止文中所列問題的出現(xiàn)的根本解決辦法。4帶鋼拉矯機的建模拉矯機的傳動系統(tǒng)是一個機