軋輥軸向高精度控制系統(tǒng)對重軌產(chǎn)量和質(zhì)量的影響

THEINFLUENCEOFHIGHPRECISIONCONTROL SYSTEMFORROLLINGROLLERAXISORIENTATION ONRAIL OUTPUT AND QUALITY

Xiao Jiangpeng Wang Guanpeng （HBIS daxingzhagangchang HeBeiHanDan O56OO3，China）

Abstract：In this paper，the influence of high-precision control system on the roling processof universal rolling mill was studied.The position deviation of axial position between rolswith diferent sets and under stressand nonstressduring roling processwas mainlystudied， whichresulted indecreased production stability.Therefore，real-time monitoring ofaxial position was needed，monitoringdata wasanalyzed，andadatamodelwas gradualyestablished.The results showthat there isaproblem inzerocalibrationofuniversalrolling millandedgerolling machine，thatis，heaxial measurementis basedon the bearing seatto measure theaxial position between therolland the bearing seat，but the relative positionbetweentherollandtherollisrequiredinactualproduction，especiallytherelativepositionfluctuation under the stress state will affect the output and quality of the rail torsion，upwarping and downbending.

ey words：universal rolling mill；roll；axial；inspection device；Siemens；PDA

0引言

重軌作為鐵路運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵部件，其質(zhì)量和性能直接影響鐵路的安全和運(yùn)行效率。隨著鐵路運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，對重軌的需求不斷增加，同時對其質(zhì)量和規(guī)格也提出了更高的要求。因此，重軌生產(chǎn)線的優(yōu)化和創(chuàng)新成為了鋼鐵行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，國內(nèi)5家重軌生產(chǎn)廠，7條生產(chǎn)線均采用西馬克萬能軋機(jī)。西馬克萬能軋機(jī)、軋邊機(jī)在零度標(biāo)定中存在一個問題，即軸向測量是以軸承座為基準(zhǔn)，測量軋輥與軸承座間的軸向位置，而實(shí)際生產(chǎn)中是需要軋輥與軋輥之間的相對位置，特別是受力狀態(tài)下的相對位置，經(jīng)過多年使用，系統(tǒng)性精度下降，軸向位置的影響越來越突出，軋制出鋼扭轉(zhuǎn)、上翹、下彎影響產(chǎn)量、質(zhì)量的現(xiàn)象越來越多。經(jīng)測量，軸向位置在軋制時，受力狀態(tài)與非受力狀態(tài)的軸向差在不同套次軋輥間有 2～4.5mm 的變化，極不利于穩(wěn)定生產(chǎn)質(zhì)量。為提高對設(shè)備精度的準(zhǔn)確判斷，建立萬能軋機(jī)精度分析模型迫在眉睫。

1軸向在線測量方案

結(jié)合萬能軋機(jī)、軋邊機(jī)的特點(diǎn)，自主設(shè)計(jì)測量系統(tǒng)方案。方案由測量系統(tǒng)、支架、激光防護(hù)系統(tǒng)三部分組成。

1.1 測量系統(tǒng)

1）測量位置選擇。

滿足條件：換輥不影響，環(huán)境影響相對小，保證有效測量區(qū)域。

選擇位置：確定選擇軋輥輥軸端面，通過最大最小輥徑，軋制輥縫變化，端面有效測量點(diǎn)計(jì)算及測量，能夠保證端面移動在測量范圍內(nèi)。

在軋輥輥軸端部不需要冷卻水，水是從軋輥工作區(qū)流區(qū)，可以想辦法避水，而且端部的位置與機(jī)架的相對位置也能直接反應(yīng)軋輥在軋機(jī)中的竄動情況，但必須做好測量設(shè)備的防水、防潮。

2）測量儀器選擇。

滿足條件：無接觸式測量，端面在旋轉(zhuǎn)能夠滿 足測量運(yùn)動物體，端面可能有水、油影響，測量距 離滿足 150mm±30mm 區(qū)間。

3）測量信號線走位及端口。

由于測量端在移動牌坊側(cè)，信號線走橋架，信號接入一級系統(tǒng)，新增信號接口端口及點(diǎn)位。

1.2支架

軋機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，位置有限，且換輥、接油管等操作頻繁，支架不能影響操作，不能影響線路等，因此根據(jù)機(jī)架結(jié)構(gòu)，按照三向活動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)支架，確保安裝后可多向調(diào)整，不影響操作。

1）萬能支架。

由于后加支架，難以精確定位于軋機(jī)上，激光測量區(qū)域小，因此設(shè)計(jì)支架按多向可調(diào)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，安裝后調(diào)節(jié)空間大，滿足激光器的測量區(qū)域定位需要。支架包括三角固定支撐，兩側(cè)相同焊接于機(jī)架；前后向活節(jié)可實(shí)現(xiàn)操作側(cè)與電機(jī)側(cè)方向，軋制方向的雙向調(diào)節(jié)；上下向活節(jié)可實(shí)現(xiàn)高低調(diào)節(jié)與軋制方向的調(diào)節(jié)；測量位調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)激光器在與軋機(jī)軸及相關(guān)管路干涉時的靈活移動。

2）軋邊機(jī)支架

基于軋邊機(jī)人工調(diào)節(jié)軸向的情況，將軋邊機(jī)支架設(shè)計(jì)為懸掛式支架，設(shè)計(jì)支架仍按多向可調(diào)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，安裝后調(diào)節(jié)空間大，滿足激光器的測量區(qū)域定位需要。支架包括三角固定支撐，焊接于機(jī)架，避開人工調(diào)節(jié)軸向側(cè)；伸縮節(jié)可實(shí)現(xiàn)軋制方向的雙向調(diào)節(jié)；直角節(jié)可實(shí)現(xiàn)高低調(diào)節(jié)與操作側(cè)與電機(jī)側(cè)方向的調(diào)節(jié)；測量位調(diào)節(jié)可高低調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)激光器在與軋機(jī)軸及相關(guān)管路干涉時的靈活移動。

1.3激光防護(hù)系統(tǒng)

該防護(hù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)激光器在雜亂飛濺水流，水霧工況下的長效高精度度測量，激光器采用雙層封閉倉、氣壓活動倉門、正壓防水、三級防水隔板、被測物表面采用疏水涂層的方法，解決了激光器的防水和測量區(qū)的干擾問題。

1）以現(xiàn)有的熱檢防護(hù)方法為基礎(chǔ)，采用一層外殼，直接開窗口對外，內(nèi)部接壓縮空氣正壓防水。激光器進(jìn)水損壞，原因是壓縮空氣在停軋換輥等時間會出現(xiàn)關(guān)閉，水易隨窗口底部流入。

2）在窗口處增加隔板，即正氣壓加隔板的方法，采用衛(wèi)生紙代替激光器上線試驗(yàn)防水效果，衛(wèi)生紙吸少量水，氣壓偏小外，壓縮空氣在停機(jī)等狀態(tài)與軋線用水時間匹配較難，易出現(xiàn)冷卻水還沒關(guān)，壓縮空氣已經(jīng)關(guān)閉的情況。

3）在2）的基礎(chǔ)上對激光器設(shè)計(jì)了專用小防水盒，并采用了雙層玻璃防水，兩個模式（一是大防水盒內(nèi)防水倉完全密封，壓縮空氣眾隔板倉通過;二是大防水盒內(nèi)防水倉通壓縮空氣，在隔板倉加了一層玻璃，不密封）激光器上線后效果較好，但出現(xiàn)了通過的窗口玻璃污染較快，有起霧玻璃片花，激光器受潮，影響檢測結(jié)果的問題；

4）在3）的基礎(chǔ)上減少一層保護(hù)玻璃，用由氣壓自動開閉的窗口代替。實(shí)現(xiàn)通氣開窗口，停氣關(guān)窗口的保護(hù)模式，增加了在軋輥軸端面采用梳水材料進(jìn)一步提高了檢測的穩(wěn)定性。

采用內(nèi)外雙層封閉倉、氣壓活動倉門、正壓防水、三級防水隔板、被測物表面采用疏水涂層組合而成。

雙層封閉倉，由3-大防水盒、2-激光測量設(shè)備、4-小防水盒組成，其特征在于，小防水盒為全密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)部安裝2-激光測量設(shè)備，信號線采用密封結(jié)構(gòu)，激光測量窗口采用高透玻璃的密封式防水盒，其小防水盒內(nèi)放置干燥劑；大防水盒由防水倉和多層隔板倉組成，防水倉只有唯一通道9-活動倉門，小防水盒安裝于大防水盒的防水倉內(nèi)，氣源出氣端安裝于大防水盒的防水倉內(nèi)，氣源管線與信號線穿過3-大防水盒；4-小防水盒均進(jìn)行密封處理，在激光測量設(shè)備的端部距離大防水盒多層隔板倉的最遠(yuǎn)端距離約等于激光測量設(shè)備的最小測量距離，測量范圍不超過 60mm 。

1- 被測量表面；2-高精度激光測距儀；3-大防水盒；4-小防水盒；5-防水隔板 ① . ^6- 防水隔板 ② ；7-防水隔板 ③ ： ^8- 氣閥柱塞；9-活動倉門； 10^- 倉門開閉氣閥； 11- 排水口； 12- 氣管進(jìn)氣端；13-信號線；14-氣管； 17- 活動倉門的窗口； 18- 開閉氣閥的防脫結(jié)構(gòu)；19-窗口；20-密封玻璃；21-激光測量通道

圖1防護(hù)盒說明

氣壓活動倉門和正壓防水，由8-氣管；9-活動倉門；10-倉門開閉氣閥；11-排水口；12-氣管進(jìn)氣端；17-活動倉門的窗口；18-開閉氣閥的防脫結(jié)構(gòu)；19-窗口組成；其特征在于，8氣管外接過濾后的壓縮空氣，壓縮空氣打開推動10-倉門開閉氣閥將9-活動倉門打開，并由氣流上推力保持倉門開啟狀態(tài)，并且氣流充入大防水盒的內(nèi)倉中，9-活動倉門打開后在17-活動倉門的窗口與防水隔板的窗口形成向外的氣流，停氣時氣壓活動倉門依靠重力作用自動下降，自動將其防水隔板的窗口關(guān)閉。

氣壓活動倉門，其特征在于，8-氣閥柱塞與10-倉門開閉氣閥組成氣缸，配合直徑D1與D2間隙 ?1mm 。L9為窗口高度，即最小行程量；活動倉門結(jié)構(gòu)在最低位時9-活動倉門全遮擋19-窗口；在最高位時17-活動倉門的窗口與19-窗口重合；20-氣閥防脫結(jié)構(gòu)為至少3個小立柱，柱長L7；活動倉門結(jié)構(gòu)在最高位時， L5gt;L9 約（5～10mm ）保證行程范圍內(nèi)8氣閥柱塞與10倉門開閉氣閥不脫開，且 L5-L7?L9 約（ 1～4mm ），確保氣缸推開后的間隙有足量的氣流進(jìn)入3-大防水盒的防水倉內(nèi)；9-活動倉門與5-防水隔板為間隙配合，間隙量控制在（ 1～2mm ），大間隙配合保證無氣狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)自動下落。

三級防水隔板，其特征在于由5-防水隔板、6-防水隔板、7-防水隔板、11-排水口組成，防水隔板均按激光測量器的測量視口設(shè)計(jì)開口。其中三級防水隔板有防水蓋，形成多層隔板倉，隔板間距 ?15mm ，在最外層倉室下部有11-排水口，三級防水隔板的窗口和17-活動倉門的窗口大小相同。

2軟件系統(tǒng)

2.1硬件安裝及配置網(wǎng)絡(luò)和地址

添加GSD文件，新增IO站，便于現(xiàn)場激光測距儀位置讀取，根據(jù)現(xiàn)場模板地址，將激光測距儀接到對應(yīng)的點(diǎn)位。

表1激光測距儀地址和點(diǎn)位

2.2控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1）編輯優(yōu)化數(shù)值和手動自動程序。

測距儀數(shù)值的讀取和量程的轉(zhuǎn)換激光測距儀65mm 對應(yīng)的為 4mA ； 135mm 對應(yīng) 20mA 。數(shù)值補(bǔ)償?shù)胶蜏y距儀數(shù)顯值一致根據(jù)現(xiàn)場激光測距儀實(shí)際位置與讀取值之間的偏差進(jìn)行補(bǔ)償。換輥標(biāo)定完成后自動標(biāo)零，并且報數(shù)值連到WINCC畫面和PDA以便數(shù)據(jù)觀測和調(diào)整。

2）人機(jī)界面功能

采用自動標(biāo)定設(shè)計(jì)，在萬能軋機(jī)孔型標(biāo)定時，下輥軸向到零位時自動將測量零位值標(biāo)零，是基于孔型的軸向零位值，操作人員也可以通過界面對軸向竄動量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并增加手動標(biāo)定功能，可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況隨時對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。添加U1、E、U2上下輥軸向PDA數(shù)據(jù)。

3數(shù)據(jù)模型分析

3.1通長漸變式對角偏對應(yīng)軸向關(guān)系

現(xiàn)象：鋼軌軋后偏心曲線異常（如圖2），兩端偏心分別在上限與下限，沒有辦法控制質(zhì)量。

分析：發(fā)現(xiàn)軋邊機(jī)軸向曲線在軋制過程中逐漸移位，造成鋼軌的偏心也隨之變化（如圖3、圖4），因此判斷軋邊機(jī)軸向竄動過大，換輥后正常。將換輥后下線的軋邊機(jī)進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)軋邊機(jī)的間隙量達(dá) 3.5mm 。

措施：對軋邊機(jī)此項(xiàng)測量做為上線標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定上線前測量間隙，間隙量要小于 0.5mm 。

3.2端部突變式對角偏分析

從鋼軌熱態(tài)輪廓儀的偏心（斷面不對稱）看，有一種情況是鋼軌在尾部 4～8m 區(qū)域出兩腿長變化明顯。

圖3軋邊機(jī)的下輥軸向變化曲線1

圖4軋邊機(jī)的下輥軸向變化曲線2

現(xiàn)象：鋼軌東端上腿變短，下腿變長，極易造成鋼軌整體偏心尺寸波動過大，尺寸控制因難，甚至沒辦法生產(chǎn)必須換輥的情況。

分析：通過對比分析軋機(jī)軸向竄動曲線形態(tài)，發(fā)現(xiàn)軋邊機(jī)下輥的竄動方向與鋼軌偏心變化方向高度一致，在鋼軌進(jìn)入后下輥向操作側(cè)移動，鋼軋出后向電機(jī)側(cè)回位的情況下，上腿變短、下腿變長，竄動方向相反則上腿變長、下腿變短。

措施：針對軋邊機(jī)的軸向變化情況，檢查軋邊機(jī)下輥的竄動量具有 0.3～2mm 的各種狀態(tài)，首先要求軋邊機(jī)嚴(yán)格按上線前小于 0.3mm 的竄動量控制，再詳細(xì)分析造成軋輥竄動的原因，通過分析與跟蹤試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)竄動情況，偏心情況與萬能的立輥上下方向的間隙也有強(qiáng)相關(guān)性，因此對萬能立輥的間隙量也提出了更嚴(yán)格的要求，要求上下間隙量小于 1mm 。

效果：通過兩項(xiàng)措施的實(shí)施，鋼軌兩端的對角偏問題得到明顯改善，因?qū)瞧馁|(zhì)量廢鋼明顯下降，并且基本沒有因?qū)瞧珕栴}造成換輥的現(xiàn)場。

3.3東端底寬突變分析

現(xiàn)象：東端底寬波動大，底寬一支鋼同時達(dá)到上、下極限，并且引起對稱質(zhì)量差。

分析：軋制時軋邊機(jī)震動大，造成測量數(shù)據(jù)波動大，同時下輥軸向波動小，檢查軋邊機(jī)，發(fā)現(xiàn)軋邊機(jī)在連軋時晃動明顯，停軋檢查軋機(jī)，發(fā)現(xiàn)軋機(jī)的晃動由于下橫移鎖緊故障，造成軋邊機(jī)橫移到位后沒有鎖緊，連軋張力造成軋機(jī)晃動，引發(fā)鋼軌異常變形。

措施：停軋修復(fù)軋邊機(jī)鎖緊裝置，并制定相關(guān)點(diǎn)檢及更換磨損件要求。

效果：軋邊機(jī)處理完成后，底寬變化正常。

3.4分析總結(jié)

萬能竄動大導(dǎo)致開班調(diào)試中調(diào)整因難，特別是軸向調(diào)整量大，出鋼不正常，通過查找軸向測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)萬能U2下輥竄動量達(dá)到 3.8mm ，通過換輥后的觀察，萬能竄動量小于 2.5mm 的情況下調(diào)整比較正常。

4結(jié)論

針對現(xiàn)場痛點(diǎn)、難點(diǎn)問題，通過自制架構(gòu)激光測量設(shè)備對軋機(jī)軋輥軸向的實(shí)際測量，結(jié)合過程軸向參數(shù)曲線變化分析，建立判斷萬能U1的軸向間隙的高精度分析模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備高精度精準(zhǔn)維護(hù)；優(yōu)化軸向設(shè)置建立換輥軸向狀態(tài)預(yù)警模型，及時提醒優(yōu)化調(diào)整壓下分配，提高開班效率，減少開班廢鋼。

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