[科普中國]-環(huán)件軋機

環(huán)件軋機是用于軋制中厚度鋼板的軋鋼設(shè)備。環(huán)件軋機由工作機座和傳動裝置組成，工作機座主要包括軋機機架，輥系，平衡系統(tǒng)，壓下裝置和換輥裝置。傳動裝置由大型電動機和減速機組成，由于電動機制作技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代環(huán)件軋機通常由電動機直接拖動。

歷史環(huán)件軋機的出現(xiàn)和發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了幾百年的時間，十九世紀(jì)中葉美國開始使用三輥勞特中板軋機，進入二十世紀(jì)五十年代后，我國先后建成二十多套三輥勞特式軋機用于中板生產(chǎn)。從二十世紀(jì)八十年代開始，各企業(yè)陸續(xù)進行技術(shù)改造，以四輥可逆式中厚板軋機取而代之。轟鳴百年的三輥勞特式軋機退出歷史舞臺。四輥可逆式的成為現(xiàn)代中厚板生產(chǎn)主力機型，主要是由于大型直流電機及控制系統(tǒng)制造技術(shù)發(fā)展，解決了軋機大扭矩的可逆式拖動。近三十年來，大功率變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展又取代了軋機傳動的直流系統(tǒng)。歷史上，曾經(jīng)用蒸汽機做為往復(fù)軋制的動力拖動環(huán)件軋機。早在1890年，中國就引進蒸汽機拖動的2450mm中板軋機。這臺軋機在抗戰(zhàn)時期從漢口搬遷到重慶，一直運行到二十世紀(jì)八十年代以后，使用了百年之久。1

發(fā)展趨勢現(xiàn)代環(huán)件軋機越來越趨于大型化，精密化，自動化。以滿足鋼板控制軋制技術(shù)的要求，能夠生產(chǎn)高強度的合金鋼板。電子計算機的應(yīng)用使軋機提高了自動化控制程度。中厚板軋機普遍采用了液壓AGC（鋼板厚度自動控制系統(tǒng)）。中厚板的精度和生產(chǎn)效率大幅度提高。1

環(huán)軋機及其電氣控制傳統(tǒng)的用自由鍛機鍛壓環(huán)件生產(chǎn)鋁合金環(huán)件的生產(chǎn)工藝，由于受鍛壓機械能力的限制，只能加工直徑3m以下的環(huán)件。隨著國防及航空航天事業(yè)的發(fā)展，我國對直徑3m以上的鋁合金環(huán)件的需求越來越大。為此，設(shè)計研制了加工直徑可達5m鋁合金環(huán)件的專用設(shè)備———環(huán)軋機。

環(huán)軋機軋制原理環(huán)軋機軋制原理，如圖1。

主要由4個輥完成軋制： 輥1為主軋輥、輥2為芯輥、輥3輥4為左右定心輥。圖示中標(biāo)出了各輥及環(huán)件的位置及運動方式。其中主軋輥為主動輥，其他輥為被動輥，由環(huán)件旋轉(zhuǎn)帶動其轉(zhuǎn)動。主軋輥在旋轉(zhuǎn)的同時，還在該輥與位置不動的芯輥圓心連線的方向上運動，即壓下運動，兩輥間的輥縫決定了環(huán)件的壁厚。當(dāng)主軋輥以適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速和移動速度向芯輥靠近時，在兩輥間的環(huán)件上產(chǎn)生軋制力，并使環(huán)件轉(zhuǎn)動。當(dāng)軋制力滿足環(huán)件的鍛透條件時，環(huán)件在與主軋輥接觸點切線方向上延伸，使環(huán)件直徑增大。左右定心輥的作用為保持軋制過程的平穩(wěn)及環(huán)件的圓度。

軋制一般分為以下幾個過程：

（1） 初軋階段： 此階段以小的壓下量和移動速度進行軋制，對坯料表面進行平整，為快速軋制做好準(zhǔn)備。

（2） 連續(xù)軋制階段： 根據(jù)不同環(huán)件的生產(chǎn)工藝要求，調(diào)整軋輥轉(zhuǎn)速和壓下速度，實現(xiàn)快速連續(xù)軋制。

（3） 整形階段： 當(dāng)環(huán)件尺寸即將達到要求尺寸時，減少壓下量直至停止壓下，進行整形軋制，對環(huán)件進行最終規(guī)圓整形。2

各輥的驅(qū)動和軋制控制的主要參量1、各輥的驅(qū)動

由于鋁合金環(huán)件的規(guī)格尺寸、合金成分、溫度等不同，因此各種環(huán)件以及每個環(huán)件軋制的各階段的各輥運行參數(shù)也不相同。要求各輥運行能夠平滑調(diào)速，運行過程平穩(wěn)。為此上述各輥的驅(qū)動均采用Z4系列直流電動機來完成。通過機械變速裝置使各輥速度調(diào)速范圍及輸出功率達到環(huán)件軋制的要求。

2、軋制控制主要參量關(guān)系

環(huán)軋機在軋制過程中要對如下主要參數(shù)實施控制和檢測：

（1） 各輥的運行速度： 主軋輥的轉(zhuǎn)速和壓下速度決定了環(huán)件軋制力和軋制速度； 左右定心輥的移動需適時跟蹤環(huán)件直徑的變化。

（2） 軋制中各輥的位置： 由于芯輥的位置不動，主軋輥的位置決定了環(huán)件的壁厚。在滿足鍛透條件下壁厚的變化決定了環(huán)件直徑的變化。左右定心輥的位置決定了軋制過程的穩(wěn)定和環(huán)件的圓度。

（3） 各輥的壓力： 為保證設(shè)備安全運行和生產(chǎn)合格產(chǎn)品，各輥均設(shè)置了壓力檢測裝置，當(dāng)輥與環(huán)件間壓力達到設(shè)備能力或產(chǎn)品生產(chǎn)工藝允許值時，將自動調(diào)整各相關(guān)運行輥的速度。2

電控系統(tǒng)概述主要電控部件及其作用

（1）PLC： 該系統(tǒng)是較為復(fù)雜的電控系統(tǒng)，不僅要對上述各直流電動機實施控制，還要根據(jù)設(shè)備運轉(zhuǎn)需要對如芯輥升降，夾緊松開，潤滑油泵等其他電動機、電磁閥等設(shè)備實施控制。為此選用西門子S7－300系列PLC作為控制核心，完成對各電動機、電磁閥等設(shè)備的控制。模塊化結(jié)構(gòu)的S7－300系列PLC產(chǎn)品具有高性能的中央處理器和種類繁多的功能模塊，具有強大快速的數(shù)據(jù)運算和信息處理能力及通訊能力，可以非常方便靈活的組成用來完成各種不同控制要求的電控系統(tǒng)，具有體積小，便于組態(tài)，運行穩(wěn)定可靠的特點。

本系統(tǒng)主要配置：

CPU315－2DP： 用于數(shù)據(jù)運算和信息處理。

SM321： 用于各種按鈕，轉(zhuǎn)換開關(guān)，行程開關(guān)等信號的輸入。

SM322： 用于輸出各種閥、接觸器等控制信號。

（2） 直流調(diào)速器： 環(huán)件的軋制質(zhì)量取決于各直流電動機的運轉(zhuǎn)質(zhì)量。

為此選用ABB公司的直流調(diào)速器DCS500系列，對各直流電動機實施驅(qū)動控制。它是一種內(nèi)含80186EM微處理器CPU和應(yīng)用專用集成電路ASIC控制的，雙閉環(huán)數(shù)字化直流調(diào)速裝置，具有強大的信息處理監(jiān)控和通訊功能，可通過豐富的軟件功能塊的選擇和設(shè)置，方便地實現(xiàn)用戶的控制要求，具有性能可靠，運行穩(wěn)定的特點。該系統(tǒng)直流電動機的驅(qū)動控制均采用DCS502B調(diào)速器，各調(diào)速器均通過適配器NPBA-12與PROFIBOS－DP總線連接。其中，用于主軋輥驅(qū)動的兩臺直流調(diào)速器進行了功率擴展，并且構(gòu)成了主從方式的控制系統(tǒng)。

（3） 計算機： 用于輸入和顯示各種軋制控制參數(shù)和曲線，比如： 輸入各直流電機的速度給定，顯示各電機電流、轉(zhuǎn)速、各輥位置、環(huán)件直徑等，實現(xiàn)人機信息的交換。

（4） 軋制過程中各直流電動機的轉(zhuǎn)速，各輥的位置是重要的控制參數(shù)，檢測需準(zhǔn)確可靠，故選用每轉(zhuǎn)1024脈沖倍加福增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，實現(xiàn)對各直流電動機的轉(zhuǎn)速和由其驅(qū)動的輥的位置的檢測。

（5） 壓力檢測采用冶自歐博CH-V型軋制力檢測儀，以確保軋制過程安全穩(wěn)定。

（6） 環(huán)件直徑檢測： 采用激光測距儀，測距范圍0～5m。2

環(huán)軋機運行控制環(huán)軋機運行控制由PLC控制完成，在自動控制過程中，定心輥應(yīng)處的位置，將隨環(huán)件直徑和壁厚的變化而變化。其數(shù)據(jù)將由激光測距儀及壓下電機編碼器即壓下輥位置獲得。驅(qū)動定心輥的電機的運轉(zhuǎn)是依據(jù)實測的定心輥位置與計算的位置的比較結(jié)果控制的。定心輥的實際位置，是自動軋制過程能否穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，若定心輥與環(huán)件外沿距離過大則可能引起環(huán)件擺動，過小會因環(huán)件圓度不均等因素，使定心輥夾持環(huán)件而影響環(huán)件轉(zhuǎn)動，因此，實測的距離與計算的距離的差值應(yīng)保持一定的范圍。

即設(shè)定上下限范圍，當(dāng)差值達到下限值時，電機運轉(zhuǎn)，當(dāng)差值達到上限值時，停止運行。電動機的轉(zhuǎn)速，可根據(jù)不同合金規(guī)格的環(huán)件設(shè)定或調(diào)整。從而實現(xiàn)自動控制。在軋制過程中，有時會因環(huán)件溫度低，壁厚和圓度不均等因素，使運行輥承受很大的壓力，如果該壓力達到或超過設(shè)備承受能力，則會造成設(shè)備故障和安全事故。在環(huán)軋機相關(guān)的運行輥設(shè)置了壓力檢測裝置———軋制力檢測儀。

在PLC軟件中為相應(yīng)輥設(shè)置了壓力設(shè)定值。比如當(dāng)主機輥的壓力達到或超過所設(shè)定值時，PLC發(fā)出指令，停止壓下電機運轉(zhuǎn)，待主軋輥壓力降至設(shè)定值以下并調(diào)整壓下電機轉(zhuǎn)速后，啟動壓下電機運行，確保軋制過程的安全運行。

傳統(tǒng)的金屬環(huán)件軋制設(shè)備，其壓下和定心機構(gòu)多采用液壓傳動，適合于小規(guī)格尺寸且材質(zhì)和規(guī)格尺寸單一的環(huán)件軋制。而大規(guī)格鋁合金環(huán)件其合金品種，尺寸規(guī)格多樣，軋制過程中尺寸變化范圍大，軋制過程中各輥適時跟蹤環(huán)件尺寸變化時難以準(zhǔn)確控制定位。利用直流電機調(diào)速平滑，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的特點輔以本文所述的各種控制措施，取得良好效果，該設(shè)備投入生產(chǎn)使用后，生產(chǎn)出了大批包括直徑達5M的鋁合金環(huán)件，為祖國的國防及航空航天事業(yè)做出了貢獻。2

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

尹維龍 - 副教授 - 哈爾濱工業(yè)大學(xué)