CN102179414A

CN102179414A - 一种新型的轧机刚度计算方法

Info

Publication number: CN102179414A
Application number: CN2011100536087A
Authority: CN
Inventors: 王�琦; 杨雁青; 罗文涛
Original assignee: ROLLWARE CO Ltd SHANGHAI
Current assignee: ROLLWARE CO Ltd SHANGHAI
Priority date: 2011-03-07
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2011-09-14

Abstract

本发明揭示了一种新型的轧机刚度计算方法，属于金属加工板带产品轧制技术领域。本发明通过对轧机设备的数学建模获得板带材宽度对轧机刚度的影响；通过配套的轧机刚度测试方法和数据处理方法获得实际轧制力对轧机刚度的影响。综合考虑这两种影响后，可精确计算轧机刚度，进而用于辊缝设定计算以及厚度计算，实现高精度的板带材轧制自动控制。

Description

一种新型的轧机刚度计算方法

技术领域

本发明属于金属加工板带产品轧制技术领域，涉及一种新型的轧机设备刚度设定计算方法，尤其是在线设定计算控制系统；同时，本发明还涉及一种反馈自适应计算方法。

背景技术

金属在轧制时，由于轧辊和轧件相互作用，产生巨大的作用力,该作用力引起轧机的变形,轧机的变形量计算采用胡克定律，即：

ΔS = P/M

其中，P为轧制压力，M为轧机刚度。

轧机刚度M的计算精度决定了生产时自动控制的辊缝设定精度，也是反馈控制厚度计算的基础。

生产时自动控制辊缝设定计算模型如下：

S = h - P/M （1）

（1）中，S为设定辊缝，h为预设定出口厚度,P为预设定轧制力，M为预计算轧机刚度。

反馈控制厚度计算模型如（2）：

h = S + P/M （2）

(2)中，S为实测辊缝，P为实测轧制力，M为实际计算刚度。

（1）、（2）式是板材生产自动控制的基础方程，这两个方程都要用到轧机刚度，轧机刚度的精度决定了生产的控制精度，也决定了后续反馈自适应计算厚度的精度。

轧机刚度计算是一个比较复杂的过程，其精确测定很困难。轧机刚度是轧件宽度和轧制压力的函数，即：

M = f(B, P) （3）

（3）中，B为轧件宽度，P为轧制压力。目前还没有精确的数学模型能够精确描述轧机刚度随着轧件宽度变化以及轧制压力变化的变化规律。

国内的做法一般是通过轧制铝板或者铜板获得相应的回归曲线。（2）式可变化为：

M = P/(h - S) (4)

在（4）中，如果通过一定的方法获得P，h以及S的数值，就可以获得轧机刚度的数值。该方法从理论上是可行的，但是需要按照一定的计划进行编排，而且测量过程不可避免地出现测量偏差。其宽度编排是按照轧机能够生产的板材宽度编排，每隔200-300mm设置一个宽度点；对于3000mm轧机，其厚度规格最少要8个，宽度规格要10个以上，即需要80个规格的铝板或者铜板轧制才能确定轧机刚度M随着宽度和厚度规格变化的趋势。由于铝板或者铜板的价格昂贵，这对于板带材生产企业是难以做到的，而且该方法也只有相对的精度，很难覆盖生产中可能遇到的规格。

国外发达国家的板带材生产企业，由于其工业化早，很多板带材生产企业积累了大量的生产数据，可从（4）反算出轧机的刚度，从而用于工业控制。国外很多相关企业都是采用这种经验数据方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出了一种新的方法，建立了轧机刚度随轧件宽度和轧制压力变化数学模型，不需要经验数据就可以获得高精度轧机刚度的方法。

轧机的弹性变形是一个复杂的模型。轧机由多个机械装置组成，重要的轧机组成设备包括：辊系（工作辊和支撑辊）、轴承座、压下螺丝、液压缸、球面垫、垫板等。轧机的变形就是以上机械设备变形的总和，轧机的变形同时受到轧制压力和轧件宽度的影响，确定二者的影响模型，是一个难点。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

首先从理论上计算出轧机刚度随着轧制压力和轧件宽度变化的变化规律，然后通过现场测量，采用Cramer 法则动态计算出轧制刚度随轧制压力变化的物理规律，通过二者结合的方法，获得高精度的轧机刚度算法模型。

从材料力学可以推导出在一定的轧制压力和轧件宽度下的轧机变形模型：

+

+

+ +

+

+

+

+

+

+

+ +

+ （5）

其中：

f – 轧机的总变形

，

P_z——轧制力，kg；

E₂——支承辊材料弹性模量，N/mm²；

G₂——支承辊材料剪切模量，N/mm²；

K ——截面形状系数，圆截面k=1.11；

D₂——支承辊辊身直径，mm；

——支承辊辊颈直径，mm；

L ——支承辊辊身长度，mm；

l——轴承支承中心线间的距离，mm；

B ——轧件的宽度，mm；

R₀——轴承调心垫的回转半径，mm；

——轴承座沿调心垫滑动时的摩擦系数，取u=0.1-0.15；

D₁——工作辊辊身直径，mm；

E₁——工作辊弹性模量，kg/ mm²；

v_1,2——波桑比；

b₁ ——接触压扁弧宽度，mm；

b₂ ——在轧辊压扁时的轧辊接触弧长，mm；

Q——承受最大负荷的滚动体上的负荷，N；

i——轴承滚动体的列数；

Z——每列滚动体的数目；

a——滚动体接触角，圆柱滚子轴承cosa=1；

l_c——滚动体接触长度，mm；

D₀——轴承外径，mm；

d_i——轴承内径，mm；

W_B——轴承宽度，mm；

E_t——牌坊材料弹性模数，kg/ mm²；

G_t——牌坊材料剪切模数，kg/ mm²；

M₂——立柱上的弯矩，kg·mm；

w_t——横梁长度，mm；

h_t——立柱高度，mm；

F₁——牌坊上横梁截面面积，mm²；

J₁——上截面惯性矩，mm⁴；

F₂——立柱侧面截面面积，mm²；

J₂——立柱侧面截面惯性矩，mm⁴；

F₅——牌坊下横梁截面面积，mm²；

J₅——牌坊下横梁截面惯性矩，mm⁴；

b_t——牌坊与轨座连接用螺栓孔间距离，mm；

K_t——截面系数取1.2；

E_s——压下螺丝材料弹性模量，kg/mm²；

E_n——压下螺母弹性模量，kg/mm²；

G_n——螺母剪切模量，kg/mm²;

H_n——螺母高度，mm；

l₁—— 压下螺丝带螺纹部分最大伸出长度，mm；

l₂—— 压下螺丝端部无螺纹部分长度，mm；

d_p——压下螺丝螺纹中径，mm；

d₂——压下螺丝端部无螺纹部分直径，mm；

D_n——压下螺母外径，mm；

S ——螺距，mm；

E_B——轴承座材料的弹性模量，kg/mm²；

h_u——轴承座上端面到孔心的距离，mm；

Tp——轴承座厚度，mm；

——轴承座上端面长度，mm；

D_h——轴承座孔直径，mm；

E_p1——上垫板材料的弹性模量，kg/mm²；

E_p2——止推垫材料的弹性模量，kg/mm²；

h_p1——上垫板受压高度，mm；

h_p1——止推垫受压高度，mm；

D_t——止推垫直径，mm；

D_up——上垫块直径，mm；

l₃ ——调心垫板长度，mm；

w₃——调心垫板宽度，mm；

R₀——压力调心垫的圆弧半径，mm；

b₃——压扁接触宽度，mm；

E_r——调心垫板弹性模量；kg/mm²；

v₃——调心垫波桑比。

从（5）可以计算出轧机变形随着轧件宽度和轧制压力的变化规律，轧机变形随着轧件宽度的变化规律是很准确的。对于给定的轧机，其生产的产品宽度是有限的，可以按照（5）可以计算出不同宽度下轧机的变形。通过以下模型可以计算出轧机的理论刚度：

M(B) = P/f(B) (6)

(6)中，P为轧制力，B为轧件宽度，f（B）为（5）计算出的轧机变形。

但是（6）计算出来的理论轧机刚度和实际的机械装配后轧机刚度存在一定的区别，必须通过实测轧机刚度进行修正。

实测轧机刚度的方法和步骤是：

A. 首先轧机做好零调；

B. 确定轧机的最大轧制力；

C. 从轧辊接触压力开始（根据压力检测仪表上的数值确定），按照每2MN一个梯度进行自动压下，做轧机刚度测试，最少做到最大轧制压力的60%为止；

D. 根据测试获得轧制压力和辊缝数据，根据Cramer法则，求解出以下方程：

（7）

(8)是在全辊面长度条件下测试出来的计算结果，其中

,

,

,

,

,

是根据Cramer法则计算出的影响系数；

E. 根据(6)和(7)的结果，可获得计算轧机刚度与板带材宽度、轧制力间的关系表达式:

（8）

其中C为补偿系数，

为轧机的全辊面宽度。

本发明的有益效果在于：本发明新型的轧机刚度计算方法，可实现对轧机刚度精确设定计算，进而用于辊缝设定计算以及厚度计算，实现高精度的板带材轧制自动控制。

附图说明

图1为本发明的组成示意图。

图2为本发明轧机刚度随着板带材的宽度和轧制力的变化曲面。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的刚度计算应用实施例。

实施例一

请参阅图1，本发明在某钢厂3000mm轧机应用于生产控制的系统组成示意图。主要包括以下几部分：轧机机械参数、轧机刚度测试方法、实际轧制数据、数据接口、轧机弹性变形计算模块、轧机理论刚度计算模块、轧机刚度测试数据在线处理模块、轧机刚度在线计算模块、轧机刚度补偿模块等。下面详细介绍各部分的内容。

轧机机械参数，根据工厂设备的实际情况进行建模，用于为轧机刚度的理论计算提供原始数据，对于特定的工厂，该参数表固定。

轧机刚度测试方法，根据本发明的设计要求，测量在不同轧制力条件下，实际轧机的弹跳变化情况。一般在机械设备发生较大的变更（如更换支承辊）后，需要进行轧机刚度测试。

实际轧制数据，生产现场采集到的用于在线计算轧机刚度的数据，包括实际轧制力、弯辊力、板带材的实际宽度等。

数据接口，从刚度计算软件外部获得计算必要数据的程序，包括多种形式。如:轧机机械参数必须通过专用的数据文件格式导入；轧机刚度测试的结果、实际轧制数据则由PLC（可编程逻辑控制器）经过工业以太网通信发送至刚度计算软件；轧机刚度的最终计算结果通过进程间通信发送至轧机辊缝计算软件。

轧机弹性变形计算模块，根据输入的轧机机械参数，计算不同板带材宽度和理论轧制力时，轧机的弹性形变量。

轧机理论刚度计算模块，根据轧机弹性变形计算模块的计算结果，计算板带材宽度对轧机刚度的影响曲线。

轧机刚度测试数据在线处理模块，对从轧机刚度测试中采集到的数据进行处理，包括数据的有效性校验、滤波、在线计算。该模块可以计算出不同的实际轧制力对轧机刚度的影响曲线。

轧机刚度在线计算模块，根据板带材宽度、轧制力对刚度的影响曲线，在线计算在实际轧制条件下的轧机刚度。在某次刚度测试的基础上，轧机刚度的在线计算结果如图2所示。

轧机刚度补偿模块，用于补偿在不同工作条件下的轧机刚度。该模块根据轧机刚度计算软件的实施效果进行调节。

轧机辊缝计算软件，根据本发明计算的轧机刚度，预测轧机辊缝。

轧件厚度计算软件，根据本发明计算的轧机刚度，计算轧件的实际厚度。

Claims

1.一种新型的轧机刚度计算方法，用于计算板带轧机（含中厚板轧机、热连轧轧机、热轧炉卷轧机、冷连轧轧机、冷轧可逆式轧机）的刚度，其特征在于：所述方法包含轧机机械参数格式文件、配套轧机刚度测试方法、配套数据接口、轧机弹性变形计算模块、轧机理论刚度计算模块、轧机刚度测试数据处理模块、轧机刚度计算模块、轧机刚度补偿模块；

所述轧机机械参数格式文件，根据工厂轧机设备的实际情况进行数学建模，用于为轧机刚度的理论计算提供原始数据；

所述配套轧机刚度测试方法，实地测量在不同轧制力条件下，轧机的实际弹跳变化情况；

所述配套数据接口，从外部获得计算轧机刚度所需各种数据；

所述轧机弹性变形计算模块，根据输入的轧机机械参数，计算不同板带材宽度和理论轧制力时，轧机的弹性形变量；

所述轧机理论刚度计算模块，根据轧机弹性变形计算模块的计算结果，板带材宽度对轧机刚度的影响曲线；

所述轧机刚度测试数据处理模块，对从轧机刚度测试中采集到的数据进行处理，包括有效性校验、滤波、计算；该模块可以计算出不同实际轧制力对轧机刚度的影响曲线；

所述轧机刚度计算模块，根据板带材宽度、轧制力对刚度的影响曲线，计算在实际轧制条件下的轧机刚度；

所述轧机刚度补偿模块，用于补偿在不同工业条件下的轧机刚度。

2.根据权利要求1所述轧机刚度计算方法，其特征在于：对于特定的板带轧机，其机械参数格式文件通过数学建模确定，且不会发生变化。

3.根据权利要求1所述轧机刚度计算方法，其特征在于：必须通过配套的轧机刚度测试方法能精确地获得实际轧制力对轧机刚度的影响曲线。

4.根据权利要求1所述轧机刚度计算方法，其特征在于：对于机械参数信息不完整的板带轧机，可通过单独计算其辊系弹性变形推算出轧机的弹性变形。

5.根据权利要求1所述轧机刚度计算方法，其特征在于：轧机刚度测试数据处理模块可以在线完成计算，计算出不同实际轧制力对轧机刚度的影响曲线。

6.根据权利要求1所述轧机刚度计算方法，其特征在于：轧机刚度计算模块计算的轧机刚度会因不同的实际轧制条件而发生动态变化；轧机刚度计算模块的计算方法有微分形式、差分形式和积分形式。

7.根据权利要求1所述轧机刚度计算方法，其特征在于：可以根据工业现场的实施效果调节轧机刚度补偿模块，达到更高的计算精度。

8.一种利用权力1至7的任意一项所述轧机刚度计算方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤A：根据板带轧机的设备情况建模，确定轧机机械参数格式文件；

步骤B：按照配套的轧机刚度测试方法要求，编写轧机刚度测试程序；

步骤C：使用轧机弹性变形计算模块，计算不同板坯宽度情况下，轧机的理论弹性形变；

步骤D：使用轧机理论刚度计算模块，计算板带材宽度对轧机刚度的影响曲线；

步骤E：运行轧机刚度测试程序，对板带轧机实施刚度测试并收集测试数据；

步骤F：使用轧机刚度测试数据处理模块，计算实际轧制力对轧机刚度的影响曲线；

步骤G：使用轧机刚度计算模块，根据实际轧制条件计算轧机刚度；

步骤H：使用轧机刚度补偿模块，补偿不同工业条件下的轧机刚度；

步骤I：结束。