万能轧机立式压下AGC控制系统设计

1、太原科技大学课程设计机械工程学院课 程 设 计 任 务 书专业班级： 设计人： 同组人： 设计题目： 万能轧机立式压下AGC控制系统设计 设计参数： 滚径 压下量 轧制力 设计要求： 通过本课程设计使学生了解万能轧机立式压下装置的工作原理、液压压下系统的用途、位移传感器/测速/测厚仪器的功能、信号采集处理方式以及反馈控制原理，为毕业设计及今后从事相关的专业打下必要的基础。设计内容包括：1）根据参数，进行液压缸的设计；2）选择位移传感器/测速/测厚仪器的类型及参数；3）计算机绘制相关图纸（AGC控制系统的组成图、控制原理图及液压缸装置图）；4）撰写说明书。 设计时间： 2014 年 11 月 0

2、3 日 至 2014 年 11 月 21 日 设计人(签字) 指导教师(签字) 教研室主任（签字） 附注：本课程设计任务书由学生附入设计说明书内。摘要厚度控制AGC系统是现代万能轧机型钢上的重要组成部分，其系统的稳定性直接影响到产品的合格问题。本文首先对AGC系统做了一些必要的介绍，绘制控制原理图，以及AGC在万能轧机上的计算。还介绍了液压缸的选择与计算。关键字：厚度控制、AGC系统、型钢、万能轧机、液压缸目录摘要2目录3第一章绪论41.1厚度控制生产技术发展史41.2厚度自动控制的发展状况4第二章 厚度自动控制基本原理72.1弹跳方程72.2弹塑形曲线92.3影响厚度波动的因素11第三章厚度

3、自动控制策略153.1厚度计式AGC153.2监控AGC173.3前馈式AGC193.4 AGC系统的补偿控制21第四章液压系统主要参数计算及元件选择244.1 初选系统工作压力243.2 液压缸尺寸计算及选择243.3液压缸主要尺寸确定253.4 液压缸强度和稳定性计算：26参考文献28总结29第一章 绪 论1.1厚度控制生产技术发展史最早期的板材生产方式都是采用单机架或双机架进行多道次反复热轧，为了保持轧制时的温度，采用这种方法生产的钢材都不能太长，也不能太薄。生产薄板的只能采用叠轧的方法，从发明以来叠轧方法统治了薄板生产长达三个世纪之久。这种轧制方法的缺点是金属消耗量大，产品质量低，影响

4、热轧薄板的主要因素是温降，为了减少热轧薄板过程中温降，必须尽量缩短轧制周期，因此人们自然想到了采用多个机架连续进行轧制的方法，同时对不同部位的带钢进行轧制。世界上第一条半连续板、带材热连轧机于1 892年在捷克斯洛伐克的特布里兹建成，但受当时技术水平的限制，所能达到的$LN速度太低(仅为2ms)，依然不能克服轧制过程中的温降过大的缺点，无法生产出合格的热轧带钢产品，所以并没能投入工业使用。直到1924年美国在阿斯兰建设的1470mm带钢热连轧生产线以66ms的速度正式生产出合格的产品，热连轧带钢工业化生产的序幕才被真正揭开1。随着第一套热连轧机1926年在美国的诞生，带钢热连轧已经有70多年的

5、发展史。在第二、三次科技革命的推动下，交通运输、能源、建筑、通讯、国防等工业的飞速发展，对钢材特别是热轧带钢的需要增加，机械和电机制造的技术的提高，液压技术的应用以及可控硅供电技术和电子计算机的出现，都极大地推动了热轧带钢的发展。1.2厚度自动控制的发展状况在板带钢轧制中，减少板带钢的厚度偏差，提高产品的质量，降低成本，是满足用户要求的重要条件。开发厚度自动控制系统就是为了减少板带钢的纵向厚度偏差，提高其厚度精度。板厚精度是板带材的两大质量指标之一，而板厚控制是板带轧制领域里的两大关键技术之一。因此，轧制产品的高精度是轧钢技术发展的重要趋势之一2。1.2.1 厚度计式AGC轧制过程中，轧制力和

6、空载辊缝都可以检测到。因此可以用弹跳方程计算出每一时刻的实际轧制厚度。相当于将整个机架作为测量厚度的装置，这种检测厚度的方法称为厚度计法(GaugeMeter,GM)，根据弹跳方程得出厚度偏差信号进行厚度自动控制的系统称GM-AGC3。1.2.2 测厚仪监控AGC 用压下位置闭环控制和轧制压力变化补偿的办法可以进行压下位置调节，但不能消除轧辊磨损，轧辊热膨胀对空载辊缝的影响以及位移传感器与测压仪本身的误差对轧制厚度的影响。可利用测厚仪可直接测量带钢厚度偏差，通过调节轧辊辊缝实现厚度控制。1.2.3 前馈AGC 测厚仪测量厚度的反馈控制的自动控制系统是一个滞后的过程，传输延迟是不可避免的过程,从

7、而限制其进一步提高控制精度。特别是厚度波动较大,更会影响到实际的精密带钢轧制。前馈AGC不是根据本机架实际的轧出厚度的偏差值来进行厚度控制,而是在轧制过程尚未进行前,预测来料的厚度公差,前馈给下一机架,调整压下装置在预定时间提前动作,以确保所需的厚度h。因为它是往前馈送信号达到厚度自动控制,所以称为前馈AGC，或称为预控AGC。前馈AGC属于开环控制,控制效果不能单独检查,提前控制和反馈应该使用相结合,互补以提高控制精度的厚度控制系统。1.2.4 张力AGC 张力AGC通过改变后几台机架张力来改变轧制压力，从而调节轧件厚度。由位于出口测厚仪测量出的带钢实际厚度与给定的厚度进行比较，得到厚度偏差

8、值，反馈到末机架。此时末机架张力产生正比于厚度偏差的波动，从而通过改变末机架速度，以达到厚度控制的目的。此方法主要用于连轧机后机架，由于后机架轧件变薄，但轧件的塑性刚度系数却很大，如果采用压下调节效果不明显，采用张力AGC可对板厚进行微调。1.2.5 流量AGC 秒流量液压AGC的关键是精确测量辊缝中的带钢厚度。该方法是将进入辊缝的带钢通过安装在轧机入口的数字式光电码盘分成等长度的区段(50mm-80mm)，然后通过入口测厚仪和安装在出口的数字式码盘分别测出每段的轧前厚度和轧后长度，根据金属秒流量相等的原理，计算出每段的实际轧出厚度。将其与给定的目标厚度相比较得到厚度偏差H，通过压下装置控制带

9、材纵向厚差。激光测速仪的采用，避免了前馈AGC控制厚度偏差精度不高的问题，也避免了反馈AGC时滞不稳定问题。1.2.6 BISRA-AGC BISRA-AGC是20世纪40年代末由英国钢铁协会（BISRA）最早开发的，因此称它为BISRA-AGC21。后来日本、美国、德国等在轧机弹跳基本方程（h=S0+P/Km）的基础上，不断扩展和深化，以不同方式引进了反映轧件特性的塑性系数（M），由轧机弹跳方程测厚与设定（或锁定）厚度之差乘以压下效率系数（Km+M）/Km,直接调节电液伺服阀电流（或压下电动机电压）来消除板厚差的方法。宝钢2050mm热连轧机在2006年初精轧基础自动化系统改造完成后，采用的

10、厚度自动控制系统主要是BISRA-AGC系统。第二章 厚度自动控制基本原理2.1弹跳方程热带钢轧机在咬入轧件前存在一个空载辊缝(与厚度控制有关)及空载辊缝形状(与板形控制有关)。当带钢咬入轧机后，轧辊将给轧件一个很大的轧制力，因而使轧件发生塑性变形，但与此同时轧辊辊系亦受到一个方向相反大小相等的轧制力，使牌坊拉伸、辊系弯曲变形，产生一个有载辊缝，该辊缝的变化被称为辊跳或弹跳，如图2-1所示。如果轧机还设有弯辊装置则有载辊缝还将受弯辊力的影响，而轧出带钢的厚度等于有载辊缝。图2-1轧机弹跳现象轧机弹跳量一般可达2-5mm，对于开坯轧机或开坯道次来说，由于每道压下量大，往往在几十个毫米以上，所以一

11、般可不考虑轧机的弹跳量。但对于热轧精轧机组来说，尤其是末几架情况就完全不同了，由于压下量仅为几个毫米甚至小于lmm，轧机的弹跳量与压下量属同一数量级，甚至弹跳量超过钢板厚度，因此必须考虑弹跳影响，并需对弹跳值精确计算，这样才能得到符厚度公差要求的产品。轧机操作时所能调节的是轧辊空载辊缝S0，而热连轧机操作中一个最大的困难是如何通过调节S0来达到所需要的带钢厚度4。实践表明，轧机的弹跳与轧制力有密切关系，根据胡克定律可以写出轧机弹跳量与轧制力的关系为： P=Km(Sp-S0) （2.1）式中 Sp 一 有载辊缝 S0 一 空载辊缝 Km 一 机架总刚度如果忽略轧件离开轧辊后的弹性回复，可以认为轧

12、件的出口厚度就等于有载辊缝，即h=SP，将它代入式21，整理后得： h=SP=S0+P/Km (2.2)式(22)便是出口厚度h和轧制力P之间的关系。刚度的定义为轧辊辊缝增大lmm所需要的轧制力大小，根据实验表明，轧机弹性变形的特性如图22所示。图2-2轧机弹跳曲线从图2-2中可以看出刚度是轧制力的函数Km=f(p)，而且机架的弹性变形与*LN力并非线性关系，在小轧制力时为一曲线，当轧制力大到一定值以后，力和变形才能近似成线性关系。这一现象的产生可以用零件之间存在接触变形和轴承间隙等来解释。这一非线性区并不稳定，每次换辊后都有变化，特别是轧制力接近于零时的变形很难精确确定，亦即辊缝实际零位很难

13、确定，因此上面的关系很难实际应用。在现场实际操作中，为了消除上述不稳定段的影响，采用了所谓人工压零位的方法，即先将轧辊压靠到一定的预压靠力PO，此时将辊缝检测仪表的指示清零，这样可以克服不稳定段的影响。图23表示了压靠零位和轧制过程中轧辊辊缝和轧件厚度的相互关系。Okl线为预压靠曲线，在O处轧辊受力开始变形，压靠力为PO时变形Of(为负值)，此时将辊缝检测仪清零，然后抬辊，如抬到g点，此时辊缝检测仪指示fg=S0，g点并不稳定，但由于gkl曲线和Okl完全对称，所以Of=gf，因此fg=Of=S0。如果此时轧入厚度为H的轧件产生轧制力P(轧件的塑性变形特性为Hnq)，轧出厚度为h(gkl弹性曲

14、线和Hnq塑性曲线相较点n的纵坐标为P，横坐标为h)。图2-3压靠零位过程从图2-3可得到以下关系： P=Q(H+HG) (Q=tan) （2.3） (Km=tan) (2.4)式中 SO 一 人工零位的辊缝仪指示值Km 一 轧机刚度系数，即线性段的斜率式(23)为轧件塑性方程，Q为轧件的塑性刚度，式(24)为轧机弹性方程。2.2弹塑形曲线2.2.1塑性变形方程金属塑性变形是在一定的轧制压力P下产生的。而P的计算式可以用下面的函数式表示，即： P=f(B，R，H，p，U，x，T，h) （2.5）式中 B一轧件宽度 R一轧辊半径 H一轧件入口厚度一摩擦系数t一轧制温度 U一变形速度 X一化学成分

15、 T一张力 h 一轧件出口厚度当式(25)中除h以外的所有变量都为常数时，那么轧制压力P的变化可用下式表示： P=f（h）=-Qh (2.6)式中 Q-一轧件的塑性系数，式(26)称之为塑性方程式，图2-4为塑性曲线图。 轧件塑性曲线是非线性的，但在工作段内基本上是线性的，因此可用直线来分析图2-4塑形曲线2.2.2弹塑性曲线(PH图) 轧机的弹性曲线和轧件的塑性曲线。图2-5轧机弹塑性曲线（P-H图）在此图上可以综合地研究变形区中轧件(塑性方程式)和轧机(弹性方程式)间 相互作用又相互联系的力和变形关系。由图2-5可知：当轧制力为P时，该机架轧件的出口厚度为： h=SO+S=H-h （2.7

16、）式中 h一轧件出口厚度H一轧件入口厚度S一轧机弹跳 S0一人工零位设定的空载辊缝、 h一轧件的绝对压下量由此可见PH图的横坐标H上表达了空载辊缝so、轧件出口厚度h、机架弹跳S以及轧件的入口厚度H和压下量h。这样在PH图上可以同时表达出轧机弹性变形和轧件塑性变形情况，故PH图又称为弹塑性曲线。2.3影响厚度波动的因素弹跳方程是分析厚度自动控制系统的一个有效工具，通过它不仅可以弄清各种因素对厚度的影响，而且还可定量的分析各种厚度控制方案。一种直观简易的分析方法是利用P-H图直观的分析造成厚差的各种原因。2.3.1轧件来料厚度的波动因为粗轧机的辊缝系统精度较低，导致精轧机组的第一架带坯的入口厚度

17、有3%-5%的偏差。由图2-6可知，当带坯入口厚度偏差为H时，其轧出的厚度偏差则为： （2.8） 式中 Q一轧件的塑性刚度 Km一轧机的刚度系数 H一轧机的入口厚度 h一轧机的出口厚 图2-6来料厚度波动对带钢厚度的影响根据图2-6，式(28)推导如下：BC=BD+DC=HKm=tan=p/hBD=HP=Kmh同理 （2.9） 因为Km与Q均为正整数，以h102.5mm,故缸筒壁厚符合要求。4.4.2活塞杆稳定性验算因为活塞杆在工作时承受很大的压力，所以当活塞杆计算长度L与活塞杆直径D之比大于10时，则应该校核活塞杆的稳定性。活塞杆计算长度就是就是在它全部伸出时活塞杆端支点与缸安装点之间的距离，本液压缸计算长度L=0.45m，因为L/D=0.45/0.510，故不作活塞杆稳定性校核。结论本设计主要介绍和设计了，AGC厚度控制系统，本文总结了AGC的发展历程，应用范围，以及AGC厚度控制系统在万能轧机上的应用。还有控制原理以及一些过程中所可能遇到的问题所在。同时本文还介绍了万能轧机上立式压下液压缸的的选择和计算，以及液压缸的一些校