自動(dòng)定心輥及輥組的糾偏控制原理及應(yīng)用

曹憲勇 吳 強(qiáng)

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司 北京100176)

·技術(shù)分析·

自動(dòng)定心輥及輥組的糾偏控制原理及應(yīng)用

曹憲勇①吳 強(qiáng)

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司 北京100176)

介紹了4種基本形式的勞林(Lorig)自動(dòng)定心輥及由其組成的定心輥組，能起到帶材自動(dòng)調(diào)心作用，這種定心輥組特別適用于寬而薄的帶材，是一種非常經(jīng)濟(jì)、有效的定心方法。

圓柱形輥 鼓形輥 凹形輥 糾偏輥 自動(dòng)調(diào)心輥 定心輥組

帶鋼連續(xù)生產(chǎn)線上，帶鋼跑偏的原因多種多樣，如：①帶鋼板形不平直；②旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)拥闹圃炀鹊停虎圯佔(zhàn)影惭b偏差較大等原因均會(huì)使帶鋼出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象。下面介紹4種輥型調(diào)心輥和由其組成的調(diào)心輥組，能夠起到自動(dòng)調(diào)心的作用，可以解決帶鋼跑偏問題，這種輥型特別適用于寬而薄的帶鋼(也適用于其他金屬帶材、塑料、紡織品等)，是一種很經(jīng)濟(jì)有效的定心方法(本文中出現(xiàn)的“糾偏”和“定心”意思相同)。

1 帶鋼跑偏原因

1.1 幾種常見板形對(duì)定心的影響

以下是生產(chǎn)中遇到的多種板形如圖1所示，并且多種板形存在同一卷鋼卷中的情況也是常有的事。從表1可以看出，鐮刀彎帶鋼(圖1中圖a、d、f)和瓢形帶鋼(圖1中圖g)，對(duì)定心影響較大。一般來說，冷軋帶鋼板形好于熱軋帶鋼板形，對(duì)跑偏影響會(huì)小些。

1.2 旋轉(zhuǎn)輥表面對(duì)定心的影響

除了輥?zhàn)虞S線不平行度對(duì)跑偏有很大影響外，輥?zhàn)颖砻嫘螤顚?duì)定心也有一定影響。如輥面凹度會(huì)使帶鋼出現(xiàn)跑偏。尤其是在高速機(jī)組中，凹面輥常常會(huì)使帶鋼出現(xiàn)左右交替的跑偏現(xiàn)象，這是無法控制的。

1.3 設(shè)備安裝偏差對(duì)定心的影響

設(shè)備安裝精度低，會(huì)使各輥軸線產(chǎn)生不平行及不垂直，這樣就使帶鋼出現(xiàn)跑偏。輥?zhàn)虞S承座的剛度太小也是帶鋼跑偏的原因。

此外，帶鋼橫向剛性小(t(輥距)/b(帶寬)值小)、機(jī)組速度高、機(jī)組長度長、張力小等都是影響帶鋼跑偏的因素。帶鋼連續(xù)生產(chǎn)線上，帶鋼跑偏是客觀存在的，是不可避免的，往往由于跑偏問題沒有得到解決，影響到正常生產(chǎn)，給企業(yè)造成損失，如何采取有效措施減少帶材跑偏，使跑偏量控制在允許范圍內(nèi)，滿足生產(chǎn)要求，多年來，許多科技工作人員一直在為之努力。

圖1 生產(chǎn)中幾種常見板形

序號(hào)圖形帶材板形帶材運(yùn)行狀況運(yùn)行特點(diǎn)大張力對(duì)運(yùn)行情況的影響備注1a平直帶材好跑偏依然存在跑偏減少,但仍不能完全消除理想狀態(tài),幾乎沒有2b鐮刀彎型差單側(cè)跑偏跑偏減少,但不能消除,且形成波浪3c直的兩邊波浪型最好交錯(cuò)傾斜、比平直帶鋼還好幾乎沒有影響4d鐮刀彎加波浪型差易跑偏有可能破壞帶材5e中心加邊部波浪型較差不能穩(wěn)定運(yùn)行可改善運(yùn)行狀況6f鐮刀彎加中心、邊部波浪型最差易跑偏,運(yùn)行困難有可能破壞帶材7g瓢性帶材最差運(yùn)行困難作用不大

盡管加大張力可以減少帶材跑偏，張力增大，設(shè)備重量及能耗也要增加，投資相應(yīng)增加，過大的張力還會(huì)使帶鋼產(chǎn)生永久變形，拉傷帶鋼，靠加大張力減少帶材跑偏不是好的方法。

2 帶材在圓柱形輥?zhàn)由线\(yùn)行的基本原理

在定義“平面作用原理”和“螺旋作用原理”之前，先解釋幾個(gè)名詞。

1)圓平面：與圓柱體輥?zhàn)虞S線相垂直所截的平面，稱為圓平面。

2)輥?zhàn)泳€：圓平面的外輪廓線稱為輥?zhàn)泳€，如圖2所示。

3)輥身長度元素：兩個(gè)相鄰無窮相近的圓平面之間的距離，稱為輥身長度元素，用ΔL表示，如圖2所示。

圖2 帶鋼在圓柱輥?zhàn)由线\(yùn)行

4)帶材素線：平直的帶材上，平行于帶材中心線的線條，稱為帶材素線，見圖3。

5)窄條元素：兩個(gè)相鄰無窮相近的帶材素線之間的距離，稱為窄條元素，用Δb表示，見圖3。

平面作用原理：假設(shè)帶材在圓柱形輥?zhàn)颖砻嫔线\(yùn)行，不出現(xiàn)跑偏時(shí)，帶材素線與輥?zhàn)泳€完全吻合，就是所謂的“平面作用原理”。

螺旋作用原理：假設(shè)帶材上任何素線相對(duì)于輥?zhàn)泳€有任何偏移時(shí)，帶材在輥?zhàn)由暇桶绰菪€路運(yùn)行，帶材素線與輥?zhàn)泳€之間夾角“θ”稱為螺旋角，就是所謂的“螺旋作用原理”，見圖4。

用“平面作用原理”和“螺旋作用原理”可以解釋：①凹形輥不具有定心作用。②被動(dòng)狀態(tài)下的理想普通圓柱形輥?zhàn)泳哂卸ㄐ淖饔?，但是理想普通圓柱形輥?zhàn)邮遣淮嬖诘?，因?yàn)檩佔(zhàn)邮褂靡欢螘r(shí)間后，輥面會(huì)成為凹形，所以普通圓柱形輥?zhàn)邮遣荒芷鸬蕉ㄐ淖饔玫摹＂酃男屋伨哂卸ㄐ淖饔?。這里略掉論證過程。

圖3 帶鋼寬度方向示意圖

圖4 帶鋼按螺旋運(yùn)行

3 自動(dòng)調(diào)心輥的基本形式及定心原理

下面介紹的4種輥型是勞林定心輥的基本輥型，分別稱之為，Ⅰ型自動(dòng)定心輥、Ⅱ型自動(dòng)定心輥、Ⅲ型自動(dòng)定心輥和Ⅳ型自動(dòng)定心輥，其定心原理皆可以用“螺旋作用原理”解釋。

3.1 Ⅰ型自動(dòng)定心輥

圖5 Ⅰ型自動(dòng)定心輥

圖6 帶材在Ⅰ型自動(dòng)定心輥上定心作用

Ⅰ型自動(dòng)定心輥通常設(shè)計(jì)成自由輥，見圖5，其肘彎軸是固定不動(dòng)的，該軸上裝有兩段錐形輥筒(或圓筒形輥筒)，錐形輥筒的錐度很小，通常不大于2°。當(dāng)帶材與輥?zhàn)咏佑|時(shí)，帶材線與輥?zhàn)泳€形成夾角“θ”，根據(jù)螺旋作用原理，形成兩個(gè)指向中心的軸向力F1和F2，見圖6，力的大小與接觸面積成正比，使帶鋼移動(dòng)，直至F1等于F2，從而起到定心的作用。這種輥?zhàn)拥亩ㄐ淖饔萌Q于帶材與輥?zhàn)咏佑|時(shí)的摩擦力，加大張力對(duì)Ⅰ型自動(dòng)定心輥的影響不大，這種定心輥?zhàn)釉诟咚傧逻\(yùn)行，有良好的定心作用。他的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其也能夠承受大的張力。它的糾偏能力取決于肘彎軸的夾角，夾角越小糾偏能力越強(qiáng)，通常肘彎軸的夾角設(shè)計(jì)成160°～170°，其特定的結(jié)構(gòu)使制造成本較高。

3.2 Ⅱ型自動(dòng)定心輥

圖7 Ⅱ型自動(dòng)定心輥

Ⅱ型自動(dòng)定心輥是在包膠的輥?zhàn)由峡滩?，也稱為刻槽輥，見圖7。帶鋼與膠輥接觸時(shí)，由于張力的作用，對(duì)膠輥產(chǎn)生壓力，由于槽是對(duì)稱開的，對(duì)帶鋼產(chǎn)生的摩擦力是指向中心的。所以，刻槽輥是可以自動(dòng)定心的。特別注意，輥?zhàn)又行木€上的槽是直的，兩側(cè)是對(duì)稱的，并且傾角向內(nèi)。刻槽輥具有散熱效果好，在一定張力下，帶鋼與輥?zhàn)拥慕佑|良好，故定心效果也良好。這類輥?zhàn)訜o論用于主動(dòng)輥還是被動(dòng)輥，均能起到定心作用，經(jīng)常用做張力輥和沉沒輥。Ⅱ型自動(dòng)定心輥具有諸多優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用，尤其用于沉沒輥效果極佳。

3.3 Ⅲ型自動(dòng)定心輥

圖8 Ⅲ型自動(dòng)定心輥

Ⅲ型自動(dòng)定心輥是由兩段圓錐形輥筒(或圓筒形輥筒)組成，見圖8，也可以稱為雙段輥，通常設(shè)計(jì)成自由輥。其定心原理，可根據(jù)螺旋作用原理解釋。這類定心輥結(jié)構(gòu)簡單，適用于小張力薄帶材。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、定心效果好。

3.4 Ⅳ型自動(dòng)定心輥

Ⅳ型自動(dòng)定心輥由三段輥組成，結(jié)構(gòu)如圖9。

通常設(shè)計(jì)成自由輥。其定心原理，可根據(jù)螺旋作用原理解釋。這類定心輥適用于小張力寬帶材，且無論高速和低速定心效果均良好。該輥允許兩端輥制成包膠輥，中間段制成光亮鋼輥。這種輥型允許兩端輥?zhàn)拥膬A角不一樣，更有利于快速定心。

圖9 Ⅳ型自動(dòng)定心輥

3.5 窄身輥

圖10形狀的輥?zhàn)臃Q為窄身輥，通常設(shè)計(jì)成自由輥，中間段輥身長度要小于帶鋼寬度，這類輥?zhàn)右卜Q為短體輥。各段尺寸可用下列關(guān)系確定：

A=(0.6-0.8)b(b：帶鋼寬度)

B=0.05b

C=(L-A-2B)/2

D-d=0.5～0.6

圖10 窄身輥

窄身輥不屬于自動(dòng)定心輥，定心作用介于普通圓柱輥和自動(dòng)定心輥之間，它對(duì)于被糾偏的帶材能起到穩(wěn)定的作用，經(jīng)常被設(shè)置在糾偏裝置之后。這類輥?zhàn)舆m用于立式活套內(nèi)或連退爐內(nèi)的轉(zhuǎn)向輥。窄身輥成本低廉，價(jià)格便宜；窄身輥有一個(gè)小的阻尼作用，可引起帶鋼在輥?zhàn)由嫌邢蚯盎蛳蚝蟮内厔?shì)。

3.6 定心輥組

在連續(xù)生產(chǎn)線上，采用自動(dòng)定心輥與窄身輥的組合結(jié)構(gòu)形式，稱之為定心輥組，見圖11。這一組合通常是由兩個(gè)窄身輥和一個(gè)自動(dòng)定心輥配置而成，也稱為“標(biāo)準(zhǔn)定心輥組”?！皹?biāo)準(zhǔn)定心輥組”必須滿足：①自動(dòng)定心輥與入口窄身輥的距離必須大于自動(dòng)定心輥與出口窄身輥的距離，即L1>L2。②帶材在各輥?zhàn)由系陌潜仨毚笥?0°?！皹?biāo)準(zhǔn)定心輥組”經(jīng)常會(huì)配置在立式活套或連退爐的入口處和出口處，是即經(jīng)濟(jì)又有效的糾偏裝置，且無論機(jī)組的速度高低，張力大小，均能獲得理想的糾偏效果。

圖11 標(biāo)準(zhǔn)定心輥組

3.7 鼓形輥和鼓形彈性輥

圖12 鼓形彈性輥

前面提到鼓形輥具有定心作用。要使帶鋼與鼓形輥有較大的接觸面積，必須要有足夠大的張力，由于帶鋼彈性非常有限，包在輥?zhàn)由系膸т摰臋M斷面上的各點(diǎn)應(yīng)力不一樣，也就是帶鋼縱向變形不一樣，即帶鋼中心變形大于兩邊邊部變形，在包角90°時(shí)，中心變形增量為π(R2-R1)/2，假如金屬帶鋼采用大的張力，并用金屬鼓形輥調(diào)心，帶鋼中心部位將有可能產(chǎn)生永久變形。

那么，帶鋼在包膠的鼓形彈性輥上會(huì)如何？帶鋼在鼓形輥上，中心部位帶鋼的拉力會(huì)大于邊部拉力，如果鼓形輥包有彈性較大的橡膠時(shí)，在鼓形輥中部會(huì)產(chǎn)生包膠凸出部分，見圖12，輥?zhàn)油钩霾糠峙c帶鋼產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，至使鼓形彈性輥中部磨損較快，同時(shí)凸出部分與鋼輥本體產(chǎn)生蠕動(dòng)、揉搓現(xiàn)象，這也是鼓形彈性輥中部易產(chǎn)生裂紋損壞較快的原因。所以，鼓形橡膠輥具有調(diào)心作用，但損壞較快。鼓形輥適用于具有彈性的撓形帶傳動(dòng)，有良好的調(diào)心作用，不適用于不包膠的鼓形輥傳動(dòng)。

4 糾偏輥裝置定心及控制系統(tǒng)

糾偏輥裝置特指擺動(dòng)輥裝置，通常情況下，擺動(dòng)輥處于被動(dòng)狀態(tài)下工作，即進(jìn)口張力T2小于出口張力T1，見圖13。帶鋼與擺動(dòng)輥面的總摩擦力ΔF，總是與輥?zhàn)泳€相重合，并指向進(jìn)口端，見圖15。當(dāng)帶鋼產(chǎn)生偏移時(shí)，見圖14，擺動(dòng)輥向右擺動(dòng)一定角度，見圖15，此時(shí)，在帶鋼與擺動(dòng)輥輥面所產(chǎn)生的摩擦力ΔF的分力ΔF1使帶鋼向上移動(dòng)，達(dá)到帶鋼定心的效果。

圖13 帶鋼繞過擺動(dòng)滾T1>T2

圖14 帶鋼出現(xiàn)跑偏

擺動(dòng)輥定心作用是依靠帶鋼與輥面摩擦力來糾偏的，摩擦力越大，糾偏效果越好，而摩擦力的大小與接觸面積有關(guān)，即包角和輥型有關(guān)，所以，建議擺動(dòng)輥用于包角大于90°場(chǎng)合，同時(shí)，擺動(dòng)輥輥型采用圓柱形輥型會(huì)好于鼓型輥和窄身輥。為了增大摩擦系數(shù)，擺動(dòng)輥通常會(huì)選用包膠輥。糾偏輥裝置配有專用的自動(dòng)控制系統(tǒng)，定心精度極高，可控制在±2mm內(nèi)。單輥擺動(dòng)輥糾偏裝置見圖16、17。

圖15 進(jìn)行帶鋼糾偏時(shí)受力

圖16 擺動(dòng)輥糾偏裝置

圖17 擺動(dòng)輥糾偏裝置的俯視圖

該自動(dòng)控制系統(tǒng)為一閉環(huán)電液伺服控制系統(tǒng)，采用一個(gè)對(duì)中糾偏探測(cè)器。該探測(cè)器布置于糾偏輥架的帶鋼出口側(cè)，并且應(yīng)緊靠糾偏輥布置，以使系統(tǒng)獲得最優(yōu)的控制性能，見圖18。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，光感(或電感)探測(cè)器連續(xù)監(jiān)測(cè)帶材兩邊的位置變化，并將帶材位置轉(zhuǎn)化為與之成比例的模擬電信號(hào)(或數(shù)字信號(hào))輸出到控制放大器?？刂破鲗⒋诵盘?hào)和預(yù)先設(shè)定的帶材糾偏基準(zhǔn)點(diǎn)信號(hào)相比較，兩者之間若有任何偏差都將使控制器輸出一偏差糾正信號(hào)至液壓伺服閥系統(tǒng)，驅(qū)使液壓系統(tǒng)推動(dòng)擺動(dòng)輥支架作相應(yīng)的移動(dòng)，直至帶材重新對(duì)中于探測(cè)器探測(cè)范圍的中心線。如此往復(fù)動(dòng)作，從而確保在整個(gè)機(jī)組運(yùn)行過程中，帶材都能持續(xù)地運(yùn)行在機(jī)組中心線上，不致出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象。擺動(dòng)輥裝置定心精度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。

圖18 糾偏裝置控制系統(tǒng)

5 結(jié)語

1)目前，連續(xù)帶鋼生產(chǎn)線上糾偏的主要方法：

(1)采用帶自動(dòng)控制系統(tǒng)的糾偏輥裝置

(2)采用帶自動(dòng)控制系統(tǒng)的浮動(dòng)開卷機(jī)

(3)采用帶自動(dòng)控制系統(tǒng)的浮動(dòng)卷取機(jī)

(4)采用定心輥和定心輥組等

2)自動(dòng)控制系統(tǒng)的糾偏輥裝置雖然有定心精度高，使用效果好，但其畢竟價(jià)格昂貴，該裝置適用于要求糾偏精度較高的位置，如切邊圓盤剪前定心。 實(shí)際上，在生產(chǎn)中，使用價(jià)格低廉，并且能夠滿足工藝要求，不失為一種好的方法。在連續(xù)帶鋼生產(chǎn)線上，立式活套的進(jìn)出口均配備糾偏輥裝置，該糾偏裝置只要保證帶鋼不跑出輥身長度之外就可以，采用定心輥和定心輥組完全可以滿足這樣的定心要求，它具有：①定心效果好，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，免維護(hù)。②即可用于低速也可用于高速生產(chǎn)線。③較小的張力也能定心良好。定心輥組也可以裝在連續(xù)退火爐的進(jìn)出口位置用于帶鋼定心。生產(chǎn)線上，在需要糾偏的位置，依據(jù)糾偏精度的要求，選用合適的糾偏裝置。

[1]周國盈.帶鋼精整設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1979.

[2]傅作寶.冷軋薄板生產(chǎn)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

[3]劉暢等.酸洗生產(chǎn)線帶材跑偏現(xiàn)象的研究[J].冶金設(shè)備,2009(2).

Principium and Application of Deviation Control for Automatic Centering Roll and Roll Set

Cao Xianyong Wu Qiang

(MCC Capital Engineering & Research Incorporation Limited, Beijing 100176)

The four sorts of Lorig automatically aligne roll that compose aligner roll group were discussed, it perform a automatically aligner function for steel strip. Such as aligner roll group apply to wide and thin steel strip, it is a very economical and effective sort of method for aligner.

Cylindrical roll Crowned roll Concave roll Correct roll Lorig aligner Aligner group

曹憲勇，男，1962年出生，畢業(yè)于北京科技大學(xué)冶金機(jī)械專業(yè)，學(xué)士，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事軋鋼設(shè)備設(shè)計(jì)工作

TG333.17

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.06.007

2014-09-16)