中厚板液压压下控制系统设计-辽宁科技大学本科生毕业设计.doc

1、 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1 页1 绪论1.1 引言中厚板是冶金产品中的重要产品之一，它的生产水平和产品质量代表了一个国家钢铁工业的发展水平，进几十年世界工业发达国家和我国的中厚板生产装备与技术都有了很大的进步，板厚控制技术及其理论的发展经历了由粗到细、由低到高的发展过程。20 世纪 30 年代以前，近代轧制理论处于孕育萌生期。20 世纪 3060 年代，是轧机的常规自动调整阶段。该阶段中轧制理的发展和完善为板带轧机的厚度控制奠定了基础。同时随着自动调节理论和技术的发展，并逐步应用于轧制过程，使轧机的控制步入了常规模拟式调节的自动控制阶段。20世纪 6080 年代，进入计算机控制阶段；

2、 60 年代中期出现了热连轧机发展的鼎盛时期； 60年代后期，逐步过渡到以计算机设定和微机进行 DDC 过程控制阶段，并将这种控制方式大量应用于冷连轧机； 70 年代起，液压厚控技术的应用使板厚控制技术发生了重大变革。20 世纪 80 年代到现在，板厚控制向着大型化、高速化、连续化的方向发展，成为板厚技术发展的新阶段。这一阶段已将板厚控制的全过程溶入计算机网络控制的自动化级和基础自动化级。1.2 液压压下系统的发展背景及优势当今世界钢铁工业发展导致钢材市场竞争愈演愈烈，激烈的竞争无疑会驱使世界各大钢铁生产厂家努力提高生产技术从而提高产品质量。钢铁生产厂家连续化，自动化作业的迅猛发展，除要求中厚

3、板的性能均匀以外，还要求钢材具有很高的尺寸精度。然而，随着国民经济的高速发展，科学技术的不断进步，机械制造、造船和锅炉用板对中厚板材的质量提出了更高的要求。随着提倡节约型社会和提高企业工作效率的呼声不断提高，对中厚板的板厚和板型控制和生产设备也有了很高的要求。在中厚板所有的尺寸精度指标中，厚度精度是衡量中厚板的最重要的质量指标之一，己成为国内外冶金行业普遍关注的一个焦点。自动板厚控制（automatic gauge control 简称 AGC） ，是近几年来运用液压技术，控制工作辊的抬起高度来控制辊缝的高度，从而控制轧制出的板材的厚度。它将机械式的电动压下改为长行程的液压压下，将 C 形钩换

4、辊改为液压小车换辊，并对自动控制系统进行全面的升级改造。与以前机械式的压下系统比主要有以下几个方面的优点：1功率体积比大。减小了机械设备的体积，有助于工作车间的优化设计。2采用液压传动控制能在较大范围内实现无级调速。机械式电辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页动压下变速比较困难而且在低速状态下工作不是很稳定，而液压压下恰好能克服这些困难。3液压压下系统易于实现自动化。液压系统对流量、方向、压力的控制有多种操作方式，尤其在电子技术和机械加工技术的成熟条件下，液压系统式 PLC 等计算机控制的典型对象，很容易实现开关控制，顺序控制以及比例，伺服控制。4液压压下工作平稳，易于实现过载保护。5液压压

5、下系统抗负载的刚度大，即输出位移受外负载的影响小，控制精度高。这一点是电气和气动控制所不能比拟的。因此，AGC 成为控制板厚的重要方法，其目的是提高中厚板的表面精度，从而生产出合格产品。目前，AGC 已成为现代化中厚板生产中不可缺少的组成部分。近年来国内外在中板厚控制技术方面取得了许多新的进展，大大提高了板带材几何尺寸精度。伴随着轧制产品尺寸精度的提高，经济效益也会大幅度上升。因此，通过对轧制过程控制计算机的高精度设定和基础自动化的 AGC 控制系统的改进，厚度精度已经达到了很高的水平。1.3 近年来压下系统在国内外发展状况近年来，国内外在中厚板板厚控制技术方面取得了许多新的进展，大大提高了中

6、厚板的几何尺寸精度，和压下系统的稳定性。为满足船舶制造、锅炉生产、重工业等各领域的需要，生产出更高精度的中厚板产品，占领钢铁市场，各国相继投入了大量的人力、物力，开发研制了多种现代化大型轧机。具有代表性的有日本日立公司研制的工作辊可轴向移动的 HC 轧机，德国西马克公司研制的连续可变凸度 CVC 轧机，中间辊即可弯曲又可移动的 UC 轧机，日本三菱公司研制的成对轧辊交叉式的 PC 轧机，德国曼内斯曼一德马科公司的 UPC 轧机等。这些轧机配以现代化控制手段，可实现多功能精密轧制，生产出微米级厚度精度的板带材产品。尤其是近 20 年来，发达国家工业结构变化和发展中国家国民经济增长对热轧钢板质量、

7、品种和数量提出了新的要求，为轧制过程的控制进一步增加了难度，用传统方法己经很难进一步提高控制水平了。因此，一些国家开始全面、有计划的开发智能控制如模糊控制技术、神经网络技术等以适应更高精度的要求。日本、美国、德国、法国等，在烧结、炼钢、连铸及轧钢等钢铁生产领域己获得了成功应用。尤其是日本，在这方面投入了很大力量，并获得了许多成果。例如，日本神户钢铁公司加古川厂五机架冷轧机的神经模糊板形控制系统、日本日立公司森吉米尔轧机的神经模糊板形控制系统等等。我国在高精度轧制技术方面也作了大量的研究开发工作。新中国成立后为实现工业化，从国外引进了大型冶金设备和技术，我国技术人员经过多年的学习与研究，在此基础

8、上结合我国的实际情况，自行开发出一些有关辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页提高产品精度的基础理论和实用的先进工艺及装备，其中有些技术已达到或超过国外的先进水平。并且我国将智能控制技术在轧机中也得到了一定的应用，象鞍钢热轧厂 1780 的液压压下系统的开发研究、济钢热轧厂 1580 的液压压下系统运用等这些国内外的例子均说明液压压下系统具有极好的前景。但总体来说，我国自行研制的液压压下系统，技术含量不高，工作也尚不稳定，工作时经常会出现一些技术问题。生产出的产品竞争力不强，每年需要进口大量的高精度中厚板产品，许多轧机的生产状况，也不能令人满意，厚度精度急待提高，许多理论问题以及所采用的先进技

9、术，也待进一步消化研究。在液压压下系统的设计方面，尽管已经比较完善，但仍存在一些通常被人们所忽略的因素。因此，为了更好地实现控制，实现更好的自动化，提高中厚板的质量，液压压下系统还有待于对它进一步补充完善。1.4 研究本课题的意义及内容中厚板的自动板厚控制技术在我国运用已经多年，但由于轧机的压下控制技术综合了众多学科领域的知识，在实际的应用生产上，仍存在着诸多的问题。国内在板厚控制系统的软件开发、检测仪器仪表、液压伺服系统元件的机械加工水平、精度上仍然存在差距。即使从国外引进的 AGC 系统，在实际运用中也不能使自动控制系统能够完全发挥作用。同时，由于伺服系统工作的条件十分苛刻，对工作油液和材

10、料的要求非常高，再加上伺服技术在我国不是十分成熟。所以现场工作的液压压下系统仍然存在众多问题，而此一系列的问题最终就反应再中厚板的性能和表面几何尺寸上。本论文的主要任务是以现场实际运用的液压压下系统作为本论文的研究对象，设计比较完善的液压 AGC 系统结构模型，并探讨适合于液压 AGC系统的伺服控制方法，具体内容如下。1熟悉了解液压 AGC 系统的工作机理，在此基础上建立针对目前存在的如压下系统工作的不稳定，压下系统的伺服控制等问题，设计更加完善的 AGC 系统，如在设计的系统中出现不稳定现象可将进行 PID 调节或者加动压反馈，最终使系统性能满足设计要求。2将所设计的压下系统进行仿真，并与设

11、计要求比较，验证此设计的正确性与合理性。3根据系统的实际性能指标，选择各种动力元件，执行元件和辅助元件的类型参数。通过计算确定所设计的 AGC 的控制精度，工作频宽和响应性。4对所设计的 AGC 系统进行仿真，并与现场的压下系统进行比较。5对阀站进行设计，需要考虑阀块设计是否满足加工的要求。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4 页2 液压压下系统的设计计算2.1 中厚板板厚控制系统的简介板厚控制技术及其理论的发展经历了由粗到细、由低到高的发展过程。20 世纪 30年代以前，近代轧制理论处于孕育萌生期。20 世纪 3060 年代，是轧机的常规自动调整阶段。该阶段中轧制理论的发展和完善为板带轧机的厚

12、度控制奠定了基础。同时随着自动调节理论和技术的发展，并逐步应用于轧制过程，使轧机的控制步入了常规模拟式调节的自动控制阶段。20 世纪 6080 年代，进入计算机控制阶段； 60 年代中期出现了热连轧机发展的鼎盛时期； 60 年代后期，逐步过渡到以计算机设定和微机进行DDC 过程控制阶段，并将这种控制方式大量应用于冷连轧机； 70 年代起，液压厚控技术的应用使板厚控制技术发生了重大变革。20 世纪 80 年代到现在，板厚控制向着大型化、高速化、连续化的方向发展，成为板厚技术发展的新阶段。这一阶段已将板厚控制的全过程溶入计算机网络控制的自动化级和基础自动化级。2.1.1 中厚板板厚控制系统的结构中

13、厚板板厚控制系统的结构图如图 2.1 所示。图 2.1 中厚板板厚控制系统的结构图辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5 页中厚板板厚控制系统的控制原理图，如图 2.2 所示。图 2.2 中厚板板厚控制系统的控制原理图2.1.2 中厚板板厚控制系统的控制功能中厚板轧机的液压 AGC 具有以下功能。（1）液压缸控制对液压缸的控制有压力控制、位置控制和导引（差位）控制。（2）厚度控制厚度控制有绝对 AGC、相对（锁定）AGC、自动辊缝设定（AGS）和厚度误差修正。（3）对轧机的各种补偿对轧机的补偿有轧辊偏心补偿、油膜轴承油膜厚度的补偿、轧辊热膨胀补偿和轧辊磨损补偿。（4）自动轧机校准液压 AGC 系统

14、在轧机的状态（即各零部件）一定时，可进行轧机自动校准，即可以自动测出该状态下轧机的弹性曲线（轧机刚度 K） ，并可储存。一般来说，当轧机状态发生变化时，如更换轧辊、压下缸或压下螺丝等，就要对轧机进行自动校准。也可以随时进行校准。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 6 页（5）自动轧机调零带有液压 AGC 的轧机，轧机调零在上、下工作辊接触以后由液压缸完成。预压靠的预压力 p0 在已测出的轧机弹性曲线上选定（见图 2.l） ，p 0 大于弹性曲线上非线性段的轧制力即可，这要求轧制钢板时的轧制力必须大于 p0。当预压靠的预压力达到 p0 时，液压缸则停止动作。此时，辊缝仪读数定为零，液压缸的位置即为液

15、压缸的位置基准。另外，液压 AGC 的功能还有平面形状控制，安全保护等。2.1.3 液压 AGC 的设备组成液压 AGC 技术是将机械、液压、自动控制以及轧制工艺等专业紧密联系在一起的综合先进技术。它的主要设备由一套以计算机、检测元件为主的控制装置和以一套液压系统、两个液压缸（每侧一个）为主的执行机构组成。检测元件主要有：一个测厚仪、两个测压仪（每侧一个）以及安装在液压缸上的四个位置传感器（每个液压缸两个）和两个压力传感器（每个液压缸一个） 。液压系统为伺服控制系统。2.2 中厚板板厚控制系统的设计参数和设计要求参数和设计要求：上辊系运动部分的总质量 72600kg最大轧制力 35000kN压

16、下行程 200mm压下速度 2.5mm/s回程速度 20mm/s频宽（-3dB） 1030HZ位置精度 100 m相位裕度 45幅值裕度 6dB2.3 设计方案选择本系统是生产中厚板的核心技术它的性能直接影响中厚板的质量，因此在设计时辽宁科技大学本科生毕业设计 第 7 页必须要求系统有足够的稳定性、有较快的响应性和良好的准确性。中和液压传动系统、液压比例系统和液压伺服系统的优缺点，本系统选择伺服控制系统。2.4 中厚板板厚控制系统的液压原理图设计中厚板板厚控制系统的液压原理图（如图 2.3）图 2.3 系统的液压原理图2.5 中厚板板厚控制系统执行元件的设计计算2.5.1 静态设计按负载匹配确

17、定液压动力元件的参数，包括选择系统的供油压力 ps，设计执行元件的有效面积 AP1，伺服阀的规格（最大空载流量 qom 及额定流量 qn）等。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 8 页（1）选取供油压力 ps由于中厚板压下系统的轧制力大，导致系统的压力太大，为保证系统能够稳定的工作，故选 ps=30MPa，增大供油压力在推动同等力的情况下可以减小液压缸的体积和质量，而且选择高压系统可以提高系统的固有频率，增加系统的稳定性，而且可以优化厂房的配置。但加大了供油压力会加大系统的泄漏，降低了系统的功率，这要求密封元件有足够的密封性能。综合利弊该系统选择高压较为合理。（2）进行动力分析并绘制负载轨迹图本系

18、统是压下系统摩擦力和弹性力很小，一般只考虑重力 Fm 惯性力 Fa 和负载力F。总运动质量 Mt 为Mt=72600kg重力 Fm 为N71480.97260mF最大压下加速度为 amax 为Bfva3mx2（2.1）由公式（2.1）可得m/s2314.02105.23max惯性力力按最大工作加速度计算（2.2）maxMFta由公式（2.2）可得N4.279631.0726a最大负载力 F 为F=35000000N系统在所有负载力都存在，且加速度最大时总负载力 FLmax 为FLmax= Fm + Fa + F=711480+35000000+22796.4=35734276.4N综上分析课绘

19、出各力及合力的轨迹图（负载力与压下速度的关系曲线）如图 2.4。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 9 页图 2.4 各力及合力的轨迹图最大功率点的负载力和最大速度为FLmax =35734276.4Nvmax=2.5mm/s（3）计算液压缸的主要结构参数由于一个压下辊由两个液压缸拖动，因此每个液压缸的受力为 ，即max21LFN.178634.35212maxax LLF中厚板的压下缸为单杆液压缸，而且液压缸直接拖动负载，负载压力 pL=2/3pS，则液压缸的无杆腔面积为 AP1 为LpFmaxAP（2.3）由公式（2.3）可得辽宁科技大学本科生毕业设计 第 10 页m2893.01327863

20、APmaxax1 sLLpF确定液压缸的活塞直径及活塞杆直径活塞直径 D 为m07.14APD圆整后 D=1.1m圆整后的无杆腔面积 AP1 为m295.01.422AP取 d/D=0.7 m7.0d圆整后 m8有杆腔面积 AP2 为m248.0)(422dDAP（4）确定伺服阀的规格在压下系统中工作状态一般由无杆腔，所以在计算伺服阀流量时，液压缸的面积用 AP1。由于系统回油路上有伺服阀，据分析回油路上应有较大的被压。取 p2=5MPa。液压缸的工作压力 pL 和工作流量 qL 为2max1APpFAP（2.4）由公式（2.4）可得MPa2.102.195.048.12178636612max PaAPpFpLL/min5./75. 343ax smvqL初算时，把压力损失全部认为是伺服阀损失的。此时伺服阀的压降 pv 为MPa8.210Lsvp考虑到泄漏等影响，将负载流量 qL 放大 20%。