带钢跑偏控制

带钢跑偏控制摘要：本文对带钢连续处理机组的带钢跑偏机理进行了详细的分析，并指出一些常用的防跑偏对策；对“卷效应”的原理及 其可能对带钢表面产生的影响进行了说明；对带钢自动纠偏控制装置的各种形式进行分析，并指出在应用中应注意 的问题；并对硅钢机组的纠偏辊布置的合理性进行了分析。关键词：带钢 跑偏 摩擦 扰动 机理1 前言众所周知，在带钢连续作业线上，带钢的跑偏几乎是不可避免的，带钢跑偏不仅会影响带钢质量，甚 至会严重损坏机组设备，对机组的稳定运行带来严重影响。特别是随着涂镀、连续退火及酸轧联合机组的 发展，机组处理的带钢长度长、厚度薄及机组速度高和活套量的增加，为了保证机组的稳定运行及获得边 部整齐的带卷，对带钢的跑偏进行研究和控制显得越来越重要。2 带钢跑偏的机理在带钢连续作业线上，除开卷机及卷取机外，带钢在传输过程中主要与各种辊子接触，从力的角度来 说，带钢稳定传送过程中所受的横向扰动主要来自开卷机、卷取机及带钢与辊子之间的摩擦力，以及带卷 错边的影响。为了便于分析，可取带钢连续作业机组中常用的一些辊子与开卷机及卷取机组成一个简易机 组模型来进行带钢跑偏机理的分析。1 开卷机 2 夹送辊 3.4.5.6 转向辊 7 支撑辊 8 转向夹送辊 10.11 压辊 9 卷取机2.1 各种辊子与带钢的摩擦接触状态带来的扰动如图 1所示的辊子为绝对圆柱形、辊子轴线与机组中心线垂直、夹送辊及压辊两端的压力相等、板形 平直（断面为矩形），则辊子不会对带钢产生横向扰动，带钢不跑偏。但是，由于辊子的制造及安装误差、 辊面及轴承的磨损、轴承座的松动等，特别是带钢板形的影响，将不可避免对运行中的带钢产生横向扰动。2.1.1 辊子轴线与机组中心不垂直如图2所示，辊子中心线与机组中心不垂直，偏转了a角，其中阴影部分为带钢与辊子接触区域。Vsr图 2 辊子轴线与机组中心不垂直时的跑偏图 3 速度矢量分析当带钢刚绕进辊子5时，在AB上取一点m,则m点处的带钢速度V与辊面线速度V有一夹角a，两者 sr必然有一速度差厶V，于是辊子对带钢产生一个与厶V方向相反的摩擦力F,使带钢跑偏，跑偏方向与F srsr方向一致。如果辊子5 前后的设备对带钢的约束较小或没有约束，带钢将一直跑偏到其运行方向与辊子5 轴线垂直为止，如图2虚线所示，这种现象我们称之为“卷效应”当约束较大时(近距离内有S辊、转 向辊等)，约束力大于F,则在接触区域内带钢与辊面之间产生相对滑动，损伤带钢表面及辊面，这一点可 这样解释：如图3所示，辊面上的m点沿着mn运动，带钢上的m点有沿着ml运动的趋势，若带钢无约 束，则在静摩擦力的作用下，带钢上的m点也将沿着mn运动，随着带钢逐渐绕进辊子，带钢产生跑偏； 若约束较大时，随着带钢在接触区域的运行，带钢与辊子刚接触时的某点m将产生相对位移4 ,随着进入 接触区域的程度，越来越大，根据摩擦学的预位移理论1当大于极限预位移时，带钢与辊面产生相对滑动。 由于带钢的约束总是存在的，故实际上“卷效应”无法使带钢完全与辊子垂直，即实际跑偏量总是小 于理论跑偏量。2.1.2 辊子锥度辊子在加工时呈锥形或由于单边不均匀磨损而呈锥形，如图4所示。在带钢的带动下，辊子以转速n 转动，而辊面上各点的线速度是不同的，从小端到大端辊面的线速度由小于带钢速度V过渡到大于V,于是在带钢上产生摩擦力 矩M,同时带钢张应力分布也变的不均匀，产生偏载，在T(x)及 M的联合作用下，带钢总是向大端跑偏。锥度越大，M越大，T(x) 分布越不均匀,带钢跑偏速度越大.图4辊子锥度的影响 213夹送辐两端压力不均及两辐轴线交叉 带钢在通过夹送辊时，如果两端的压力不均，则会产生与锥形辊相类似的效应，带钢向压力小、开口 度大的一端跑偏；若两辊的轴线交叉，也会产生“卷效应”使带钢跑偏3。2 2 辊子的轴向窜动 传输带钢的辊子在运行过程中，由于轴承的磨损、破坏及轴承座的松动或破坏，辊子将会在垂直于机 组中心线方向窜动(也有一定的摆动)。转向辊及 S 辊与带钢有较大的包角，会“抓住”带钢跑偏，跑偏 量与窜动量一致。对于支撑辊而言，由于包角较小，对带钢跑偏的“贡献”也较小，但是，在带钢与辊面 之间可能会产生互相擦伤。2 3 带钢来料自身的扰动2 31 带钢板形的扰动 带钢来料的板形是多种多样并随机变化的，故其对带钢与辊子之间的摩擦状态的影响相当复杂，对带 钢跑偏的影响很大。例如，带钢单边浪会引起辊子的不均匀磨损，产生“锥形辊”，使带钢跑偏；带钢的镰刀弯会使带钢向曲率中心的反方向跑偏，如图5所示，从理论上讲，跑偏量与镰刀弯的程度相一致，但图 5 带钢镰刀弯的跑偏是，带钢张力大小和两辊之间的距离大小对实际跑偏量有影响。2 32 卷形来料带钢由于上道工序的卷取不良，产生塔形、错层、松卷等缺陷 及本机组的上卷定位不准，带钢在进入机组时就偏离了中心线。2 4 流体的扰动在某些机组中，带钢由气体支撑传送或喷吹冷却、加热，侧向气流 的不均匀会引起带钢跑偏。3 机组工艺参数对带钢跑偏的影响从带钢的跑偏机理来讲，带钢与辊子之间的摩擦状态影响带钢的跑偏行为，提高带钢张力，其静摩擦 力变大，有利于带钢的稳定运行及抗横向扰动能力；张力的稳定也有利于抑制带钢的跑偏，若张力波动较 大将破坏带钢与辊子之间的摩擦平衡，引起带钢跑偏。机组速度对带钢跑偏的影响较大，当机组速度提高 时，从“卷效应”分析可知，带钢横向扰动大，跑偏速度也大，易产生跑偏。带钢的自由运送长度较长时 带钢的约束较小，跑偏量较大，适当布置转向辊，缩短带钢自由运送长度，可减小带钢的可能跑偏量。4 常用的带钢跑偏控制对策引起带钢跑偏的因素较多，要在数量上精确确定某机组带钢的跑偏量和跑偏方向是困难的，随着工艺 参数、来料情况及机组设备状态的变化，带钢的跑偏也随之变化。但是，我们可以利用带钢的跑偏机理， 抑制和纠正带钢的跑偏（采用人为方式抑制或使带钢反方向跑偏而回到机组中心线）。1）采用侧导板（辊）装置。这种装置通过对带钢两边的钢性限制，使带钢运行在机组中心，用于带钢较 厚、机组速度及张力较低的场合以及带钢的穿带对中。否则，将损伤带钢边缘。2）在机组中适当设置定心辊。所谓定心辊就是以带钢中心为界线，在两边对带钢产生指向其中心线的横向摩擦力的、有自动定心作用的一类辊子。其原理可用 2.1.1 节中的方法进行分析，其常用形式有以下几种：A.另一端支撑在调节螺丝上，辊子被动，这样会产如图 6 所示，两根锥形辊（或圆柱形辊）中间铰接，图 6 分段锥形定心辊图 7 刻有斜向沟槽的定心辊生图示方向的摩擦力。当带钢跑偏时，与带钢接触较多的辊子对带钢产生较大的摩擦力，使带钢向辊子中部移动，起到自动定心作用2。可用于活套摆动门、托辊或支撑辊。B. 如图 7 所示，在辊子包胶层上刻有斜向沟槽，当带钢在辊子上有一定包角时，在张力的作用下，使这些斜沟槽压缩而产生指向辊子中部的横向摩擦力，起到自动定心作用2。由于需要一定的包角，一般应用于带钢转向位置。C. 如图 8 所示，以辊子中心为界，两边加工有对称的螺旋线槽，辊子被动，带钢沿图示方向运行，则辊 子两边对带钢都将产生指向辊子中部的摩擦力，起到自动定心作用。而当辊子主动运转时，则产生反 向的摩擦力，无法自动定心。故应用该辊子时，应根据辊子的主、被动情况，选择不同的螺旋线方向。 某厂热镀锌机组的气刀沉没辊应用了这种形式。vOi图 8 双螺旋线定心辊图 9 水平倾斜式定心辊D. 如图 9 所示，用两根辊子在水平方 向（带钢运行方向）倾斜一夹角布置， 带钢沿图示方向运行，则有自动定心作 用，可用于摆动门或托辊（也可与A组 合，在水平及垂直两个方向倾斜）。若 带钢反方向运行，则会增大带钢的跑 偏，故应用该辊子时，要注意倾角方向与带钢运行方向的关系：辊子沿带钢运行方向倾斜。必须清楚的是，自动定心辊的定心能力是有限的，若跑偏量及跑偏速度较大时，则不能保持良好的定心作用。故而在机组中布置定心辊的主要作用是抑制带钢的跑偏而不是纠偏。3）采用带钢自动纠偏装置。这种装置是机、电、液一体化的完善的系统，其具体形式很多，在保证带钢 连续生产线的稳定运行方面起着非常重要的作用。5 带钢自动纠偏控制装置带钢自动纠偏控制装置的具体形式很多，但是，它们的控制方式及液压系统构成却是一致的：由带钢 位置检测装置测量带钢的偏移量，将测量信号放大并处理后送给电液伺服阀，控制液压缸动作，驱动纠偏 辊或开、卷取机运动，从而使带钢始终运行在机组中心线附近，它是一个闭环控制系统，其控制框图如图 10所示。从纠偏行为上讲，带钢自动纠偏控制装置分为P型纠偏辊装置、I型纠偏辊装置、PI型纠偏辊 装置、开卷机纠偏系统及卷取机纠偏系统，前四中简称CPC系统，后一种简称EPC系统。图 10 纠偏系统控制框图l80r wrpSenser双辊P型纠偏辊简图如图11所示,是一种P型纠偏辊装置的结构简图, 固定纠偏辊的活动框架以液压缸为动力，绕位于进带 平面内的转轴转动，依靠带钢与辊子之间的静摩擦力 带动带钢横向移动，使带钢运行在机组中心线附近。 由于带钢始终与辊子轴线垂直，无“卷效应”存在， 故能精确计算其纠偏量：C=（H+d）*sin0，式中符号 的含义见图 12。由于纠偏量与 sin0 （当0 0.003560 W（EWt/T）1/2 式中： 0 -旋转角，弧度出带距离（纠偏辊距的要求较短，见图2，（A）W带钢宽度，mm图 12 进、出带距离及其对带钢张力的影响E-带钢屈服极限， kgf/mm2t -带钢厚度， mmT带钢张力，kgfP 型纠偏辊转动后会使进、出带产 生扭曲，导致带钢内部张应力分布发生 变化，张应力分布形式见图 12。故在 设计及使用P型纠偏辊时，不能使带钢 中部有较大范围的无张应力，而带钢边 缘却有较大的张应力，使带钢边部有残 余变形而影响带钢板形，上式正是基于 这一思想而推导出的。由上面的两个公 式可知，P型纠偏辊装置的纠偏能力与 H、0相关联，故在设计和使用时，应 使它们相互协调，以达到对于给定的最大纠偏量有一个最佳解决方案。我们可用下述方法确定C、H、0及L：首先确定纠偏辊装置的纠偏量C （根 据机组速度与类似机组类比）；然后确定合适的H及0，使之满足C，一般取0 （W/3）*（Cet/T）1/2 （B）式中：C纠偏量，mmE屈服极限，kgf/mm2t带钢厚度，mmT带钢张力， kgfW带钢宽度， mm当进带距离小于该值时，可能会擦伤带钢表面。出带距离按P型纠偏辊装置确定。对于虚拟旋转轴的位置及转动角度的确定，应使积分行为与比例行为对纠偏的贡献大致相等，一般情 况下转动角0大致为5。左右。以此为原则确定四连杆机构的杆件长度及夹角。a图 15 P I 型纠偏辊装置对带钢张力的影响应用pI型纠偏辊装置应注意以下几个问题：1）理论上讲，带钢的总包角为900，也可以达到900+450。若总包角小于 900，将减弱其纠偏能力。在某些情况下，将P型纠偏辊装置的旋转轴倾斜一个角度也成为PI型纠偏辊，此时总包角为1800。2）出带距离在满足要求的前提下，越短越好。3）进带距离必须满足要求，若过短，则会擦伤带钢表面。4）虚拟旋转轴应垂直于进带平面，而不能反向（辊架反向）。6 影响纠偏装置纠偏性能的因素61传感器的精度及安装位置传感器的精度对纠偏精度的影响较大，对于精度要求高的纠偏装置应使用高精度的线性传感器。传感器 的安装位置应尽量靠近纠偏辊出口处（尽量靠近开、卷取机），以减少时间滞后。在选择传感器时，也不能 一味追求高精度，应考虑经济性，在满足机组要求的前提下，尽量选择精度较低的传感器。6 2 液压系统液压系统的设计与选择是纠偏系统设计的重要环节，它对纠偏系统的性能及精度有很大的影响。从液 压控制的角度来说，本文所述的纠偏系统都是一致的：通过伺服阀直接控制液压缸动作。液压系统设计的关键是选择满足要求的性能良好的伺服阀，为减少故障，伺服阀的抗污染能力要强； 纠偏系统频响特性的固有频率不高，故一般采用动圈式伺服阀。其选择的步骤：根据机组张力及设备自重和 动负荷确定纠偏阻力，确定液压缸的工作压力，计算活塞面积；根据纠偏量大小及纠偏辊装置的机构确定液 压缸行程,选择液压缸;根据纠偏速度确定流量（要求的纠偏速度与机组速度有关，可用EMG公司或NIRECO 公司的经验曲线或与同类机组进行类比确定）；计算系统固有频率；选择伺服阀型号。应注意的是：液压缸的速度还与其在纠偏装置中的安装位置有关。若伺服阀不能满足纠偏速度要求， 将严重影响纠偏装置的纠偏性能。7 硅钢机组纠偏辐布置浅析如图16所示（SR 纠偏辊，BR-S辊），是硅钢1号机组纠偏辊布置简图。整条作业线除开卷及卷取 纠偏外，共布置有十套纠偏辊，其中1#、2#、8#、9#、10#为单辊I型纠偏装置，4#为三辊PI型纠偏装置， 其余为双辊P型纠偏装置。入口活套小车转向辊与纠偏辊之间的带钢自由运行长度最大约120M，其布置的I辊纠偏辊能同时纠正 入、出口带钢的跑偏，其布置与选型是合理的，但是该活套是一种支承小车式新型卧式活套，带钢托辊安装 在运动的支承小车上，小车的导轮与轨道有1mm的间隙，小车在运动中难免有所偏斜，而所有托辊均未布 置自动定心辊，带钢的自由运行长度又较大，将会导致活套小车转向辊处带钢跑偏量较大。在退火炉的前后布置有4#及5#纠偏辊，5#纠偏辊为P型纠偏辊，仅能纠正其出口带钢的跑偏，而对其 入口带钢的跑偏是无能为力的，炉子入口转向辊与4#张力辊组之间的带钢自由运行长度大约为245M，炉底 辊、带钢板形、循环冷却风箱气流的扰动、小张力等因素，使带钢在该段的跑偏的可能性较大，而 4#纠偏 辊的作用经过3#张力辊组及转向辊后，对炉内带钢的纠偏作用相对减弱，将会导致炉子出口及4#张力辊图 16 硅钢 1 号机组纠偏辊布置简图组处的带钢跑偏量较大。在后清洗入口及出口活套入口之间（带钢运行长度约230M）布置有6#及7#双辊P型纠偏辊装置，同样， 7#纠偏辊装置对该段带钢的跑偏是无能为力的。6#纠偏辊装置的效果经过后清洗的挤干辊及转向辊、5#张力 辊组后，对涂层室及烘烤炉的带钢纠偏作用已经很弱，特别是烘烤炉内的带钢基本上是由漂浮器支承的，其 气流及循环风箱气流的扰动，使带钢极易跑偏，虽然漂浮器从理论上讲有自动定心作用，但实际效果并不理 想，致使烘烤炉出口的带钢跑偏量较大。而后清洗段的挤干辊一旦状态不好，如压力不均、非均匀磨损、轴 承间隙大、轴线交叉等，将在5#张力辊组处产生较大跑偏。在机组的实际运行中，带钢的跑偏情况与以上分析是一致的，在生产宽带钢G300MM）时，带钢在这 几处地方经常跑偏擦边造成停机，而擦边造成的折边对包覆辊的辊面状况造成一定的影响。对于入口活套，目前的临时对策是根据带钢的实际跑偏情况，在运行状态下调整托辊的轴线使之与机 组纵向中心线倾斜一夹角（如图2所示的原理），给予带钢人为的反向纠偏量，逐步进行调整直到带钢运行 在机组中心线附近。但是，这种方法的适应性较差，一旦板形发生逆向变化，跑偏又会出现。故最好是对托 辊进行改造，间隔布置前文所述的自动定心辊（图9,第4节D）,同时根据两轨道的平行度误差，适当减 小导轮与轨道的间隙。对于烘烤炉的带钢跑偏，必须加强漂浮器的自动定心效果，开发具有强自动定心作用的漂浮器。目前虽 对漂浮器作过一定的尝试性改进，但收效甚微。对于退火炉的带钢跑偏，可以考虑在炉子出口处增加一对夹送辊型纠偏辊装置。必须注意的是，板形对带钢跑偏影响极大，目前硅钢机组的纠偏辊装置布置存在一定的不合理性，为了 保证宽带钢的正常生产及保护设备，应保证来料带钢板形的良好，减少机组带钢跑偏的压力。良好的板形也 将延长包覆辊的寿命及降低涂层辊的更换频率。参考文献：1 、U.B克拉盖尔斯基著，汪一等译，“摩擦磨损计算原理”，机械工业出版社，1982。2 、邹家祥主编，“轧钢机械”，冶金工业出版社， 1992。3 、陈德刚，“HC轧机工作辊轴承座变形及辊系轴向力分析”硕士论文，1994。