200轧机液压压下装置

D01I:10.13374/i.issn1001053x.1981.04.009 北京钢铁学院学报 1981年第4期 200轧机液压压下装置 治金机械教研室程建中 张忠波 摘 要 我院冶金机械实验室200轧机液压压下装置1930年4月经冶金部科技办组织技术 签定，认为系统的动、静态指标是目前国内的最先进水平，可在有关工广的板带轧 机上推广应用。本文简要介绍了该装置的工作原理，控制系统和试验结果，着重介 绍和分析了该装置的特点。 板带轧机液压压下装置是实现厚度自动控制的基本环节。它是在六十年代随着轧机速度 和对产品精度要求的提高而发展起来的一项新技术。由于它比电动压下有调节速度快、调节 精度高的特点，所以在国外己普遍被采用。我院冶金机械实验室200轧机液压压下装置于 1979年10月试验成功，性能指标达到了较高的水平。下面对该装置的工作原理，试验结果、 系统的特点作一简要的介绍和和分析。 一、 工作原理及控制系统 1.工作原理 液压压下装置是通过精确控制压下油缸柱塞的位置S来控制轧辊辊缝的。图1是液压压· 下装置工作原理示意图。 电液问服阀 给 Q 图1液压压下装置工作原理图 位置调节器综合给定信号R,油缸柱塞位置反馈信号S,输出偏差信号E,控制电液伺服 阀SV。液压油经过电液同服阀向压下油缸充油或排油。当R与-S相加为零时，E=O,伺服 阀关闭，油缸柱塞位置S保持不变，.h也维持不变。即实现了位置闭环控制(APC)。 101

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年第 期 轧机液压压下装置 冶 金 机械 教研 室 程 致 中 张忠波 摘 要 我院冶金 机械 实验 室 轧机液 压 压 下 装置 年 月经 冶金 部 科 技 办 组 织 技术 签 定 ， 认 为系统 的动 、 静态指标是 目前 国 内的最先 进水平 ， 可在有关 工 厂 的板 带轧 机上 推广 应用 。 本 文 简要介 绍 了该装 置 的工 作原 理 ， 控 制系统 和试 验 结果 ， 着重介 绍和分 析 了该装置 的特点 。 板带轧机液压压下装置是 实现厚度 自动 控 制的 基本环节 。 它是在六十年代 随 着轧机速 度 和对产品 精度要求 的提 高而发展 起来的一项 新技术 。 由于 它 比 电动压下 有调 节速 度快 、 调节 精度 高的 特 点 ， 所 以在 国 外 己普遍 被 采用 。 我 院 冶金机械 实 验 室 轧机 液 压压 下装置于 年 月 试验成功 ， 性 能指 际达 到 了较高的水平 。 下 面对 该装 置 的 工作原理 ， 试验结果 、 系统 的特 点作一 简要 的 介绍 和 和 分析 。 一 、 工 作 原理 及 控 制系统 工 作原 理 液压压下装置是通 过精确控 制压下 油缸 柱塞 的位 置 来控 制轧辊辊缝 的 。 图 是 液压压 下装置工作原理示 意 图 。 电液仙服 阀 图 液压 压 下装里 工 作原 理 图 位 置调 节器综 合 给定 信 号 ， 油 缸柱塞位 置反 馈信 号 ， 输出偏差信 号 ， 控 制电液伺服 阀 。 拥关闭 ， 液压 油经 过 电液伺服 阀向压下 油缸充油或排 油 。 当 与一 相加 为零时 ， 。 ， 伺服 油缸 柱塞位置 保持不 变 ， 也维持不 变 。 即实现 了位 置 闭环控 制 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1981．04．009

P 在调节器上，再送入随轧制压力P变化的信号K,K一轧机的刚度，系统就可以自动 补偿由轧制压力引起的轧机弹跳量。这种控制方式称压力补偿厚度自动控制(Bisra·AGC)。 如在调节器上，加其他厚度检测的控制信号，则可构成各种不同的厚度自动控制方式，如测 厚仪鉴控，予控等等。 2,液压系统 液压压下装置的液压系统由液压油源，电液伺服阀和执行机构压下油缸组成。200轧机 液压系统原理图示于图2。 P.T WV M ⊕ ( 1-油箱；2-网式过滤器；3-温度计，4-电动机，5-轴向泵，6-粉术冶金烧结 过滤器，7-单向阀，8-单向节流阀影9-压力表，10-二位二通阀，11-溢流 阀，12-冷却器，13-纸芯过滤器，14-皮囊蓄能器，15-单向阀，16-电液伺服 阀，17-溢流阀18-压力传感器，19-油缸柱塞，20-测力计，21-皮囊着能器 图2液压系统原理图 电液伺服阀是系统的关键部件，它能以极快的速度和极高的精度把电信号转变为液压动 力去操纵很大的负载一压下油缸。为了使电液同服阀正常工作，液压油源必须保证对阀供 油清洁，压力稳定。为了得到清洁的油液，除了采用密闭油箱和在油箱内设有二次网式过滤 外，在油液进入同服阀之前还经过了一次粉末冶金烧结过滤器(40微米)和二次纸芯过滤器 (10微米)。由于在同服阀的另一侧没有过滤器，因此在油缸上设有两个油孔，可在安装阀 之前，对油缸以及它到同服阀之间的一段管路充分进行冲洗，保证工作时，从油缸返回同服 阀的油液仍然是清洁的。系统中稳定油源压力的方法主要是(1)选用性能较好的溢流阀，因 为溢流阀的调节弹簧往往产生振动，引起油源压力很大波动。(2)在系统中装一个大容量 (401)的皮囊蓄能器，吸收油压的波动。 每台伺服阀前还装有一只1.8升的皮囊蓄能器，专门给伺服阀快速供油。二位二通阀是 102

在调节器上 ， 再送 入 随轧制 压力 变化 的信 号令 ， 一 轧机的 刚度 ， 系统就可 以 自动 补偿 由轧制压 力引起 的轧机弹跳量 。 这种 控 制方式称压 力补偿厚 度 自动控 制 · 。 如在调 节器上 ， 加 其他厚 度检 测的 控制信 号 ， 则可 构成各种 不 同的厚 度 自动控 制方式 ， 如测 厚仪 鉴控 ， 予控 等等 。 液压 系统 液压压下装置 的液压 系统 由液压 油源 ， 电液伺服 阀和执行机 构压下 油缸组成 。 轧机 液压 系统原理 图示 于图 。 下 一 油箱， 一 网式 过 滤器 一温 度计， 一 电动机， 一轴 向泵 一 粉末冶金 烧结 过滤器， 一 单向 阀， 一 单向节流 阀多 一压 力表 ， 一 二 位 二 通 阀， 一 溢流 阀， 一冷却 器 一 纸芯 过 滤器， 一皮囊蓄能器 一 单向 阀， 一 电液伺服 阀， 一 溢流 阀 一压 力传 感器 一 油缸柱塞 ， 一 测力计， 一皮囊蓄 能 器 图 液 压 系统 原 理 图 电液伺服阿是 系统 的关键部件 ， 它 能 以极 快的速度和极高的精度 把 电信号转变为液压 动 力去操纵很大的 负载－ 压下 油缸 。 为了使 电液伺 服 阀正常工作 ， 几 液压 油源必须 保证对 阀供 油清洁 ， 压力稳定 。 为了得 到清洁 的 油液 ， 除 了采用 密 闭油箱和在 油箱 内设有二 次网式 过滤 外 ， 在 油液进入 伺 服 阀 之前还经 过 了一次粉末冶金 烧结 过滤器 微 米 和二次纸 芯 过滤 器 。微 米 。 由于 在伺 服 阀的 另一侧没 有过滤器 ， 因此 在 油缸上设 有两个油孔 ， 可在安装 阀 之前 ， 对油缸 以及 它到伺服 阀之 间的一段管路充 分进行冲洗 ， 保证工作时 ， 从油缸返 回伺 服 阀的 油液仍 然是 清洁 的 。 系统 中稳定 油 源压力 的方 法主 要是 选用 性能较好 的 溢流 阀 ， 因 为溢流阀的调 节弹簧往往产生 振 动 ， 引起油源压力很 大 波动 。 在 系 统 中装一个大容量 的皮囊 蓄能器 ， 吸 收油压的 波动 。 每 台伺服阀前还 装有一只 升 的皮囊 蓄能器 ， 专门给 伺服 阀快速 供 油 。 二位二通 阀是

使油泵在卸荷情况下启动和停车。单向节流阀主要是在停泵时，慢慢地释放储存在蓄能器内 的油液，防止皮襄快速排空油液时产生过大的冲击力。在每个油缸的压力通道上接有安全 阀，防止超过最大轧制压力。此外，在系统中还配有温度计、冷却器、压力表等附件，保证 油温在30~10℃，监视油源，油缸和过滤器前后的压力。 油缸的顶部有一个泄油口直接接入油箱，这对柱塞缸也是完全必要的。有关油缸的其他 结构后面再介绍。 3.电控系统 200轧机电控系统总方块图示于图3。 变送器 駟 冷田 调节器 液 戴字拾 力锁定 压头 轧压 力合成 放 微宇给定 送 调节器 移 变送 图3 油缸位置给定采用数字给定，由脉冲发生器、计数器、数模转换和数码管组成。给定信 ,号一路由数码管显示，另一路经数模转换输出给位置调节器作为给定信号。对传动侧和操作 侧两油缸可给定同时升、同时降信号或一升一降的调偏信号。 位置闭环控制由位置调节器、流量补偿、功率放大器、位移变送器、电液伺服阀和油缸 组成。位置调节器综合给定信号，位置反馈信号和压力补偿信号，并将综合后的偏差信号、 近当加以校正，送给流量补偿环节，再经过功率放大，驱动电液伺服阀，完成位置闭环控 制。油缸位置信号是用差动变压器检测的。 流量补偿环节用来补偿电液伺服阀流量随压力差而变化的非线性特征，因为滑阀的流量 Q等于： Q=C。WX√。(P:-pL)凰米/秒（对油缸充油时） Q=C,WX/。pL厘米/秒（油缸卸油时） 式中，·C。一滑阀流量系数 W一一阀芯圆周长厘米 103

使油泵在卸荷情况下启 动和 停车 。 单 向节流 阀主 要是 在 停泵 时 ， 慢慢地 释放储存在 蓄能器 内 的油液 ， 防止 皮 囊快速 排 空油 液 时 产生 过大 的 冲击 力 。 在 每个 油 缸 的压力通道上 接有安全 阀 ， 防止超 过 最大轧 制压 力 。 此 外 ， 在 系 统 中还 配有温 度计 、 冷 却器 、 压 力表等附件 ， 保证 油温在 ℃ ， 监视 油源 ， 油 缸和 过 滤 器前后 的压 力 。 油缸的顶 部有一 个泄 油 口 直 接接 入油 箱 ， 这对 柱塞缸 也 是 完 全 必要的 。 有关油 缸的 其他 结构后 面再介绍 。 电控系统 轧机 电控 系统总方块 图示 于 图 。 图 油缸位 置 给定 采用数 字给定 ， 由脉 冲发生 器 、 计数器 、 数模 转换和 数码 管组成 。 给定信 号一路由数码管显示 ， 另一路经 数模 转换输 出给位置调 节 器 作 为给定信 号 。 对 传动侧和 操作 侧 两愉缸可 给定同 时升 、 同 时 降信 号或一升一 降的调 偏信 号 。 位里 闭环控制 由位置调节器 、 流量 补偿 、 功 率放大器 、 位移变送器 、 电液伺 服 阀和 油缸 组成 。 位耳娜节器综合 给定信 号 ， 位 置反馈信 号和 压 力补偿信号 ， 并将综合后 的偏差信号 、 适 当加以校正下 送给流量 补偿环节 ， 再经 过 功 率放大 ， 驱动 电液伺 服阀 ， 完 成 位置 闭环控 制 。 油 缸位 置信号是 用差 动变压 器检 测 的 。 流量 补 偿环节用 来补偿 电液伺 服 阀 流量 随压力差 而变化 的非线性特征 ， 因为滑阀的 流 等于 丫专 ‘ 一 · ，， 米 ’ 秒 ‘对 油缸充 油时 ， 丫 一 专 · ‘ 米 ‘ 秒 ‘油缸 卸油 式中二 。 － 滑 阀流量 系数 － 阀芯 圆周 长 厘米

X一阀芯位移量厘米 p一油液密度公斤·秒2/厘米 P。一油源压力公斤/厘米2 P PL一PL=A负载压力公斤/厘米2 P一轧制压力公斤 A一油缸柱塞面积厘米2 如果油源压力稳定不变，则流量Q是负我P,的函数，P,=只，是随轧制力P变化的，因 此，在轧制过程中，相同的阀芯位移量，阀的流量是不同的，在闭环系统中，其开环放大倍 数也是变化的，这就给系统的校正和展宽频带造成困难。流量补偿环节就是为了补偿这个变 。卸油时乘以 1 1 化量的。即将控制信号充油时乘以，= -a 则得到： V1-P =CWX。R,-P)·1-E=c,wX√pVP,(充袖 "P, Q-cw合7度c,my行vE佛n 阀的流量Q只和恒定的油源压力P,有关，而与负载压力P无关，使系统的稳定性提高。我们 还可以看到，加入流量补偿环节后，在不同的负载压力下，油缸柱塞上升和下降将具有相同 的运动速度。 流量补偿环节实际上是在不同的负载压力下，在电液伺服阀的控制由压信号上乘以相应 的函数值，使阀芯的移动量增加或减小来补偿阀流量随负载压力不同的变化量。如果在控制 系统中，很小的偏差信号，功率放大器输出或同服阀的流量输出就达到饱和状态，流量补偿 环节将不能起到补偿作用。因此使用中应适当选择系统总的开环放大系数和功率放大器输出 的限幅值。 ·压力补偿控制回路是一个正反馈回路。它包括轧制压力剪幅式侧力计及其变送器、死 区放大器、压力锁定，以及乘压力补偿系统K和补偿的反馈系数C,C≤1。 由剪幅式测力计检测得到的轧制压力信号，经压力变送器放大，送入死区放大器，轧辊 两侧的轧制压力在死区放大器相加，得到合成的轧制压力，并扣除死区值，（为了扣除轧机 刚度曲线中非线性段的影响)然后与压力锁定值相比较，其差值乘以K即为轧机弹跳的补 偿置，这个压力补偿信号在进入位置调节器之前，再乘以反馈系数C,取弹跳量的某一百分 值进行补偿。如C=1,则可100%补偿由轧制压力波动造成的轧机弹跳值。选用不同的C值， 相当轧机处在不同的刚度值K下工作，即可实现“轧机模数可调”。 压力锁定是为了采用压力补偿时有一个给定的基本压力值，系统只对大于或小于基准压 力的偏差量进行补偿。基准压力设定愈接近实际轧制压力，偏差的补偿量就愈小，从而缩短 104

－ 阀芯位移量 － 油液密度 － 油源压力 一 犷 一一飞一 一 飞 厘米 公斤 。 秒 忿 厘 米 ‘ 公斤 厘米 负载压力 公斤 厘 米 公斤 － 轧制压力 － 油缸 柱塞面积 厘米 “ 如果 油 源压 力稳定不 变 ， 贝。流量 是 负载 的 函 数 ， 令 ， 是 随轧 制力皎化的 ， 因 此 ， 在 轧制过程中 ， 相同的 阀芯位移量 ， 阀的 流量是不 同的 ， 在 闭环系统中 ， 其开环放大倍 数也是 变化的 ， 这 就给系统 的校正和展宽频带造成困 难 。 流量 补偿环节就是 为了补偿这个变 、 二 ‘ 、 ， 、 、 ， ， 一 ‘ 、 ， 一 ‘ ‘ ， 。 化量 的 。 即将控制信号充油时乘以山 一生下 。 卸 油 时乘以二 认一 。 ， “ 。 ” ，‘ 一 ，， ‘ 山 ’“ ， ’ “ ’ 囚 ’ ‘ ，一 ， 。 ’ 囚 ‘ ，一 ， ， 。 八则切 得’ ， 到‘ ， 一 一 最三 ， 妥匕 。 。 、 ， ， 、 。 呵 二 与 丫 犷一 一 、 几 一 “ 夕 二厂一一下丁 ‘ 灿 一 一 『 石生 丫 · 了一 百飞充 油 时 丫止匕 丫 。 · 丫上 · 侧币丁 卸油时 ， 阀的 流量 只和 恒定 的 油源压力 有关 ， 而 与 负载压力 无关 ， 使系统的稳定性提高 。 我们 还可以看 到 ， 加入 流量补偿环节后 ， 在不 同 的 负载压力下 ， 油缸柱塞上 升和 下 降将具有相同 的运动速 度 。 流最 补偿环节实际上是在 不 同的 负载压力下 ， 在 电液伺服阀的控 制 电压信 号上 乘 以 相应 的 函数值 ， 使 阀芯的移动量 增加 或减小来补偿阀 流是 随 负载压力不同 的变化量 。 如果 在控 制 系统 中 ， 很 小的偏差信 号 ， 功 率放大器输出或伺服阀的 流量 输出就达 到饱和 状态 ， 流量 补偿 环节将不 能起到补偿作用 。 因此 使用 中应适 当选择 系统总的开环放大系数和 功率放大器输出 的限幅值 。 压力补偿 控 制 回路是 一个正反馈 回路 。 区放大器 、 压力锁 定 ， 以 及乘压力补偿系统 它包 括 轧制压 力剪幅式侧 力 计 及其变送器 、 死 由剪幅式测力计检测得到的轧制压 力信号 ， 和 补偿的反馈 系数 ， 三 。 经压力变送器放大 ， 送入 死 区放大器 ， 轧辊 两侧的 轧制压 力在死 区放大器 相加 ， 得 到合成的 轧制压力 ， 并扣除死 区值 ， 为了扣除轧机 。 … 二 … 、 二 。 二 、 二 、 … 、 ， … ， … 、 刚度曲线 中非线 性段的影响 然后 与压力 锁定值 相比较 ， 其差值 乘以 一 穴 一 即为轧机弹跳 的补 偿 ， 这个压 力补偿 信 号在进 入位置调 节器之前 ， 再乘 以反 馈 系数 ， 取 弹跳量 的 某一百 分 值进行补偿 。 如 二 ， 则可 补偿 由轧制压 力波动造 成的轧机弹跳值 。 选 用不 同 的 值 ， 相当轧机处在不 同的 刚度值 下工作 ， 即可实现 “ 轧机模 数可调 ” 。 压力锁定是 为了采 用压 力补偿时 有一个 给定 的 基本压 力值 ， 系统只对大于或小于 基准压 力的偏差 量进行 补偿 。 基准压力设定 愈 接近 实际 轧制压力 ， 偏 差 的 补偿量 就愈小 ， 从而缩 短

偏差补偿的调节时间和提高补偿的精度。 压力锁定环节由A/D模数一D/A数模变换器，采样和保持开关，以及予设定电位器 组成。可以予设定压力锁定值，也可以采用轧件头部的轧制压力为压力锁定值。 二、系统性能测试结果 1980年4月由冶金部科技办组织鉴定测试小组，对200轧机液压压下装置的动态、静态特 任压力补偿的效果进行了测试。测试结果表明该装置动、静态特性都达到了较高的水平，压 力补偿也取得了显著效果。 1.动态特性 (1)用英国1172频率响应分析仪(1172 Frequency Response)测试系统的频事响 应，伯德图见图4、图5。在100公斤/厘米2油压力下输入幅值±0.05毫米的正弦波信号， 幅值比（-3db时)频宽为44.5赫芝90°相角差频宽为28赫芝，输入幅值±0.076毫米时，幅 值比频宽(-3db时)为30赫芝，90°相角差频宽为28赫艺。国外先进水平输入幅值±0：05毫 米时，幅值比频宽（-3db时)为20~30赫芝。 A(o中(o) 270° A Od b -5db -10db- 180° 90 0° 图4 IHz 10Hz 100Hz A(o)@) 270° odb -5db -10db -180° 90 10Hz 100Hz t05

偏差补偿的调 节时间和 提高补偿的精度 。 压 力锁定环 节由 模 数－ 数模 变换器 ， 采样和 保持开关 ， 以及予设定 电位 器 组成 。 可 以予设 定压 力锁 定值 ， 也可 以 采 用轧件头 部的 轧制压力为压 力锁定值 。 二 、 系统性能测 试 结果 。年 月 由冶金 部科技办组织 鉴定 测试小组 ， 对 轧机液压压下 装置 的 动态 、 静态 特 淮压力补偿的效果 进行 了测 试 。 测 试 结果 表 明该装置 动 、 静态特性都达 到 了较高的水 平 ， 压 力补偿也取得 了显著效果 。 动态特性 用英国 频 率 响应 分析仪 测试系统的频率 响 应 ， 伯德图见 图 、 图 。 在 公斤 厘 米 油缸 压 力下输入 幅 值 士 毫米的正弦 波信 号 ， 幅值比 一 时 频宽 为 赫 芝 。 相角差 频宽 为 赫 芝 ， 输入 幅值 土 。 毫米时 ， 幅 位 比须宽 一 时 为 赫芝 ， “ 相角差频宽 为 赫芝 。 国外 先进 水平输入 幅值 士。 、 毫 米呱 幅值 比频宽 一 时 为 赫芝 。 ‘ 。 今 。 一 · 图 月 名 奋仁帅 一 右 卜 粉 名

(2)用示波器测试了幅值0.1毫米的阶跃响应。示波图照相曲线见图6。响应时间为 17ms,国外为30~50ms。 S100 wMAMMM 图6 2.静意特性 (1)2毫米量程定位精度为0.75%。 (2)零位死区分辨率<1.2微米，其他量程分辨率<0.5微米。 8.压力补腰效果 把3.0毫米厚，宽85/115毫米宽度突变的铝板，轧制为1.3毫米的薄板： （1)无补偿时全长厚度最大偏差：0.16~0.17毫米，有补偿时全长厚度最大偏差：0.03 ~0.04毫米。 (2)无补偿时在宽度变化处厚度最大偏差：0.12~0.15毫米，有补偿时在宽度变化处厚 度最大偏差0.01~0.02毫米。 有补偿时全长厚度偏差0.03~0.04毫米，是按周期波动出现的最大偏差，这是由于上下 辊偏心造成的（实际测量上下辊合计的偏心盘也约为0.04毫米)。投入压力补偿后，在变宽 度处厚度偏差减小为无补偿时的10%左右，即加补偿后偏差减小了约90%。补偿的效果是很 明显的。 由于压力正反馈系统的时间常数决定于位置闭环系统的时间常数，并比它大很多倍，所 以要求尽可能提高位置系统的响应速度，以便减小压力补偿系统的时间常数，缩短调节时 间，提高成品率。 三、200轧机液压压下装置的特点 液压压下装置要求的性能指标应根据轧机的生产工艺以及对产品精度的要求来确定。 200轧机液压压下装置是一套工业试验装置，为了得到高性能指标的经验和参数，我们予期 达到国外先进的指标一辐值比频宽30赫芝。试验结果表明：该装置的性能己超过了这一指 标。在设计和试验过程中除了采用流量补偿，压力锁定等电器环节和采用大蓄能器，保证稳 定的油源压力等措施外，主要还采取了以下措施： 1.合通选用电液同服阀及其流量 由于电液伺服阀是电液信号转换并驱动油缸运动的部件，它的性能将直接影响整个系统 的特性。液压压下系统要求电液伺服阀应该： (1)线性度好、迟滞小、零飘小、分辨率高、动态响应高等优点。200轧机选用的是襄 樊609所生产的FF102型电液同服阀。 (2)阀的流量应满足系统最大频宽时所需的流量，即同服阀在最大负载下的流量q,它 等于： q-v7Q. (1) 106

用示波器 测试 了幅 值 毫米的 阶跃响 应 。 示 波 图照 相 曲线见 图 。 响 应时间为 ， 国外为 。 协杏特性 毫米量 程定位精度为 。 零位死 区分辨 率 微米 ， 其 他量 程 分辨率 微 米 。 压 力补 效 把 抽毫米厚 ， 宽 毫米宽度突变的铝板 ， 轧制为 毫米的薄板 无补偿 时全 长厚 度最大偏差 。 。 毫米 ， 有补偿 时全长厚度最 大偏差 ” 毫米 。 幻 无补偿 时在宽 度变化 处厚度最大偏差 毫米 ， 有补偿 时在 宽度变化处厚 度最大偏差 毫米 。 有补偿 时全 长厚度偏差 毫米 ， 是按周 期波动 出现 的 最大偏差 ， 这是 由于上下 辊偏心造成的 实际测量 上下辊合计 的 偏心量 也 约为 毫米 。 投入 压 力补偿后 ， 在变宽 度处厚度偏 差减小为无补偿 时 的 左右 ， 即加补偿后 偏差减 小 了约 。 补偿的效果是很 明显的 。 由于压 力正反馈系统的 时 间常数决定于位 置 闭环系 统 的 时间常数 ， 并 比它大很 多倍 ， 所 以要求尽可 能提高 位置 系统 的 响应速 度 ， 以 便减小压 力补偿 系统 的 时间常数 缩短 调 节时 间 ， 提高成品 率 。 三 、 轧机液压 压 下装置 的特 点 液压压下装置 要求 的 性能指标 应 根 据轧机 的生 产工 艺 以 及对 产品 精度的 要求来 确定 。 轧机液压压下装置是一 套工业 试验装置 ， 为 了得 到高性能 指标的经验和 参数 ， 我 们予期 达 到国外 先进 的 指标－ 幅值 比频宽 赫芝 。 试验 结果 表明 该装置 的性能 己超 过 了这一指 标 。 在设计和 试验过程 中除 了采 用 流量 补偿 ， 压 力锁 定 等 电器环节和 采 用大 蓄能器 ， 保证 稳 定的油源压 力等措施外 ， 主要还采取 了以下 措施 ， 合班 选用 电液 何服阁及其 流皿 由于 电液伺服阀是 电液信号转换并驱动 油 缸运 动 的部件 ， 它 的性能将直接影响整个 系统 的 特性 。 液压压下 系统要求电液伺服 阀应该 线性度好 、 迟滞 小 、 零飘小 、 分辨率高 、 动态 响应高等优 点 。 轧机选 用 的 是 襄 樊 所生产 的 型 电液伺服 阀 。 阀的 流量 应满足 系统最大频宽 时所需的 流量 ， 即 伺服 阀在 最大 负载下 的 流量 ， 它 等于 了二 。 愕

q一阀在最大负载压力P,下的流量1/min Q。一阀的额定流量1/min △P=P。-PL一一油源压力与最大负载压力之差公斤/厘米2 式中√2是考虑系统中把四通阀的一个负载腔堵死后，实际流量比未堵的四通阀流量大 √2倍。如最大负载压力P,按同服伐在P 是=号时效率最高来盗用，(1)式则可简化 为： Q。=1.225q S油缸位移〔凳米) (2) 在给定油缸幅值±0.05毫米正弦信号，信号频率30赫芝 T 时，袖缸在每个周期T的运动如图7，油缸在一4内需要 t时间〔秒) T/4 的油量W为： W=0.05×°=0.83厘米4 1周期=0.033 式中D—一油缸内经厘米D=15厘米 图730赫芝时油缸位置运动图 满足频宽30赫芝时，油缸需要的平均流量q为： W g=-T=6.361/min 由于考虑试验中阀的寿命，系统中最大阀电流Inax被限幅在±额定电流】。，即Imx=女I, 故系统要求阀的额定流量Q,等于： Q0=2×1.225q=15.61/min:、 实际选用Q。=201/mi,,由于选用了足够的阀的流量，就为系统获得高响应提供了基本条 件。试验证明，系统换用Q。=10l/m:n的阀后，幅值比频宽立即降到18赫芝。 当压下系统要求一定压下速度时，则应按最大压下速度来计算油缸需要的流量。 2.尽可能减小油缸摩擦力*····· 油缸是整个系统的执行机构，除了结构尺寸方面的考虑之外，一个重要问题是要尽可能 减小油缸柱塞的摩擦力，因为过大的摩擦力将严重威胁系统的稳定性。当系统有较小的偏差 信号时，随着伺服阀电流的变化，阀芯产生微小的位移，油缸内的压力也随之变化，当这个 压力增量产生的总推力还不足以克服油缸柱塞的静摩擦力时，柱塞仍然保持不动。如偏差信 号或积分调节器随时间给阀的控制电流信号继续加大，使产生的总推力足以克服静摩擦力 时，柱塞开始运动，静摩擦变为动麽擦，摩擦力突然减小，油缸柱塞受一实加推力，产生一 跳动。油缸摩擦力越大，跳动量也越大。当跳动量过大，就可以产生过大的反向偏差，迫使 柱塞又产生反向晚动，以致使柱塞往返跳动，即所谓极限环振荡。在试验初期，就曾因为油 缸摩擦力过大，系统出现2~3赫芝的振荡，使系统无法正常工作。带有积分调节器或开环放 大倍数的系统，更容易发生这种情况。因此过大的油缸摩擦力会大大限制系统动特性的提 高。 油缸摩擦力主要是指在工作压力下的静摩擦力，它由两部分组成：(1)密封圈与油缸各 运动部件的摩擦力。(2)由于柱塞的歪斜引起的各部件间的附加摩擦力。 107

－ 阀在最大负载压力 下 的流量 。 －阀的额定流量 △ 一 － 油源压 力与最 大 负载压 力之差公斤 厘米 “ 式 中了下了 是考虑系统 中把 四通 阀的一个负载腔堵死后 ， 实际 流量 比未堵的 四通 阀 流量大 亿 一 厄一 倍 。 如最大 负载压 力 ， 、 、 ， 、 ， 扳伺 月反伐在式 ， 、 ， 、 二 不犷 盯效 率 最 局 米选 用 ，、 式 则 可简化 为 。 在 给定油 缸幅值 士 毫米正弦信 号 ， 信 号频率 赫芝 油缸位移 〔毫米〕 时 ，油缸在 每个周 期 的运 动如 图 ， 油缸在 的油量 为 内需要 际一区 时间 〔秒〕 个 十 丝了 一 。 厘 米 吕 周 期 式 中 － 油缸 内经厘 米 厘 米 满足频宽 赫芝 时 ， 油缸需要 的 平均 流量 为 图 赫芝 时油缸位置运 动图 牙 飞 一 · ’ 由于考虑试验 中阀的寿贰 ， 系 统 中最大 阀 电流 工。 被 限幅在 女额定电流 。 ， 即 工。 女 。 ， 故 系统要求 阀 的额定 流量 。 等于 、 、 ， 。 ‘ 实际选 用 。 二 二 ‘ 。 ， ， 由于选用 了足够的 阀的流量 ， 就为 系统获 得高 响应 提供 了基 本 条 件 。 ’ 试验证 明 ， 系 统换用 。 「 二 ‘ · 的 阀后 ， 幅值 比频宽立即降到 赫芝 。 当庄下系统要 求一定压下速 度时 ， 则 应按最大压 下速 度来计算油缸需要 的 流量 。 尽可能减小油缸摩擦力 劳 油缸是 整个系统的执行机 构 ， 除 了结 构尺寸方面 的考虑之外 ， 一个重要 问题是 要尽可能 减小油缸 柱塞 的摩擦力 ， 因为过大的摩擦力将严重威胁系统的稳定性 。 当系统有较小的 偏差 信号时 ， 随着伺 服阀 电流的变化 ， 阀芯 产生微小的位移 ， 油缸 内的压 力也 随之 变化 ， 当这个 压 力增 量产生的 总推 力还不足 以克服油缸 柱塞 的 静摩擦力时 ， 柱塞仍然保持不动 。 如偏差信 号或积分调 节器 随 时 间给 阀 的控 制 电流信号继续 加 大 ， 使产生的 总 推力足 以 克服静摩擦力 时 ， 柱塞开始 运动 ， 静摩擦变为动摩擦 ， 摩擦力突然减小 ， 油缸 柱塞受一实加推力 ， 产生一 跳 动 。 油缸摩擦力越大 ， 跳 动量 也越大 。 当跳 动 量过大 ， 就可 以产生 过大的反向偏差 ， 迫使 柱塞又产 生叉向跳动 ， ‘ 以致使柱塞往 返跳 动 ， 即所 谓极限环振 荡 。 在 试验初 期 ， 就 曾因为油 缸摩擦力过大 ， 系统出现 赫芝 的振 荡 ， 使 系统无 法正 常工作 。 带有积 分调 节器或开环放 大倍数的系统 ， 更 容易发生这种情况 。 因此 过大的油缸摩擦力会 大大限制系统动 特性的提 高 。 油缸摩擦力主要是指在工作压力下 的静摩擦力 ， 它 由两部分组成 密封 圈与油缸各 运动部件的摩擦力 。 由于 柱塞的歪斜引起的各部件 间的附加摩擦力

200轧机压下油缸的结构示于图8。密封金部采用聚四氟乙稀环和“O”型橡胶圈纽合式 密封圈。聚四氟乙稀与金属材料接触的摩擦系数很小，可大大减小摩擦力。“O”型圈压紧 聚四氟乙稀环起密封作用。对旧轧机改造，油缸的高度一般都会受到位置的限制。为了取得 这方面的经验，200轧机的压下油缸也设计成矮油缸。这种矮油缸在工作过程中不可能防止 歪斜，为了避免由于柱塞歪斜造成部件间互相挤压而产生过大的附加摩擦力，缸体和缸盖与 柱塞的配合面都使之不接触，孔比轴大1毫米。柱塞运动的导向衬也采用聚四氟乙稀环。使 在最大歪斜情况下，部件之间也互不接触。实际测试：在最大工作压力140公斤/厘米下， 油缸的摩擦力不超过最大工作压力的2%，满足了试验的要求。 如果不计附加摩擦力，则油缸的摩擦力与缸体内经D成正比，而克服摩擦的总推力则与 缸体内经的平方D2成正比。因此在摩擦系数相同时，用来克服油缸摩擦力的油缸压力增 量的绝对值，大直径油缸比小直径油缸要小，而且与缸体内经D成反比。也即大直经油缸比 小直经油缸只需用较小的阀电流就能克服油缸的摩擦力。因此更有利于系统的稳定，所以 200轧机压下油缸的结构应用到大油缸上去，可望会得到更为理想的效果。 150 210 图8 *系统中执行机构的摩擦力还应包括轧辊轴承座与机架窗口间的摩擦力，因此在装配过 程中也应尽力减小这项摩擦力。 3。采用了带变增益放大器的位置调节器 变增益放大器的特性曲线示于图9。在位置偏差较小时，放大器的放大系数较小，在位 置偏差较大时，放大器的放大系数增加。这种放大器有利于提高位置闭环系统的稳定性，展 宽系统的频宽。 在位置偏差较小时，系统的开环放大系数较小，即在位置接近调定值的时候，控制信号 以较慢的速度减小，油缸运动也减慢，可以减小或防止产生超调。减小放大系数对克服由摩 嶽引起的振荡，也是有利的。因为在相同的摩擦力下，位置偏差越小，相移则越大，减小开 环放大系数就可以抑制系统的振荡，所以这种放大器有利于提高系统的稳定性。 108

。 轧机压下油缸 的结构示于 图 。 密封 全部采 用 聚 四氟乙稀环和 “ ” 型橡胶圈组合式 密封圈 。 聚四 氟乙稀 与金 属材料接触的摩擦系数很 小 ， 可大大减 小摩擦力 。 “ ” 型 圈压 紧 聚 四 氟乙稀环起密封作用 。 对 旧轧机改造 ， 油缸 的高度一般都会受 到位置 的 限制 。 为 了取得 这方 面 的经 验 ， 轧机 的压下油缸也设 计成矮 油缸 。 这种矮 油缸在 工作过程 中不 可 能防止 歪斜 ， 为了避 免由于柱塞歪斜造成部件 间互 相挤压而产生过大 的 附加摩擦力 ， 缸体和 缸盖 与 柱塞 的 配 合面都使之 不接触 ， 孔 比轴大 毫 米 。 柱塞 运 动 的 导 向衬也 采用 聚 四 氟乙稀环 。 使 在最大歪斜情况下 ， 部件之 间也互 不 接触 。 实际测试 在 最大工作压 力 公斤 厘 米 下 ， 油缸 的摩擦力不超 过最大工作压力的 ， 满足 了试验的要求 。 如果不计附加摩擦力 ， 则 油缸 的摩擦力与缸体 内经 成正 比 ， 而 克服摩擦的 总推力则 与 缸 体 内经 的 平方 成正 比 。 因此 在 摩擦系数 相同 时 ， 用 来克服 油 缸摩擦力的 油缸 压 力增 量 的绝对值 ， 大直径 油缸 比小直径 油缸要小 ， 而且 与缸体 内经 成反 比 。 也即大 直经油缸 比 小直经 油缸只 需用较小的 阀 电流就能克服 油缸 的摩擦力 。 因 此 更有利 于系 统的稳定 ， 所 以 。轧机压下油缸 的结 构应 用 到大油缸 上去 ， 可 望会得到更为理 想 的效果 。 洲 毅 … 引 毖日尸 一 ’ 州 图 系 统 中执 行机 构的摩 擦力还应包括轧辊轴承座 与机架 窗 口 间的 摩擦力 ， 因此在装 配过 程 中也应尽力减小这项摩擦力 。 采 用 了带变增盆放大 的位 侧 节 变增益放大器 的 特性曲线示于 图 。 在位置偏差较小时 ， 放大 器 的放大系数较小 ， 在位 置偏差较大时 ， 放大器 的放大 系数增加 。 这种放大器 有利 于提高位 置 闭环 系统的稳定 性 ， 展 宽系统的频宽 。 在位置 偏差较小时 ， 系统的开环放大系数较小 ， 即在位置 接近调定值 的时候 ， 控 制信 号 以较慢的速度减小 ， 油缸运动 也减慢 ， 可 以 减小或防止产生超调 。 减 小放大系数对 克服 由摩 擦引起的振荡 ， 也是有利的 。 因为在 相同 的摩擦力下 ， 位 置偏差越 小 ， 相移 则越大 ， 减小开 环放大系数就可 以抑 制 系统的振 荡 ， 所 以 这种放大器有利于提高系统 的 稳定 性

在位置偏差较大时，系统的增益地变大，从而提高了系统的响应速度。在低频段由于油 缸运动可以跟上给定信号，反馈信号的幅值没有衰减，这时偏差信号很小，放大器在低增益 区工作，随着工作频率的提高，油缸运动的幅值逐渐衰减，偏差信号加大，放大器在大增益 区工作，加快了油缸运动的速度，使油缸运动的幅值加大，即展宽了频带。 4.采用高性能指标的位移变送器和压力变送器 (1)位移变送器 位移变送器是位置系统的主要检测仪表，为了精确地把油缸位置移动信号快速地反馈给 位置调节器。它应具有响应速度高、灵敏度高、飘移小、线性度好等特点，否则就会降低整 个系统的品质。由于差动变压器输出信号较小，所以通常位移变送器需要把差动变压器输出 的载波信号先解调，复现成位移信号，经直流放大后，再反馈给控制系统。为此，位移变送 器需要解决以下三个问题①减小滤波器的时间常数，②减小或避免信号放大时的零点飘移； ③有稳定的输出幅值。 命出 交压器 安流 编出 放大器 倒相器 放大器 位置偏差 低通 波器 图9变增盆放大器特性曲线 图10 200轧机液压压下装置中，设计：使用的位移变送器原理方块图见图10。由于差动变压器 输出是载波的交流信号，所以采用了交流放大器，从而避免了直流放大器的零点飘移问题。 为了减小滤波器的时间常数，应尽可能提高载波频率。从差动变压器输出特性曲线看，5KC 频率激磁，输出仍保持最大。因此选用了5KC文式振荡器作为载波的频率。同时还采用双T 带阻滤波器有选择的把解调后纹波的基波滤掉，再用时间常数较小的低通滤波器把高次谐波 滤掉，使整体的滤波时间大为减少。试验中发现解调器的输入变压器也限制仪器频宽的提 高，因此采用了无输入变压器的解调器。交流放大器输出一路直接送到解调器，另一路经过 倒相器再送到解调器，于是解调器就得到了一对相位相反的5KC载波信号。文式振荡器的 振荡频率比较稳定，也可以很方便地加稳幅电路，所以它的输出幅值也比较稳定。变送器最 后一级是输出放大器，主要是作阻抗转换用的。实际测试位移变送器的频宽达到500赫芝， ±3.0毫米行程内最大误差0.01毫米（包括差动变压器的误差）。这些指标为提高整个系统 的特性创造了有利的条件。 (2)压力变送器 压力变送器也是液压压下系统中重要的检测仪表，它应用在流量补偿及压力补偿回路 中。它同样要求高响应，高精度，同时由于压力传感器输出的信号是极其微弱的，满量程才 能达到10-20mv,容易受到外界的干扰。为了适应控制系统的要求，200轧机液压压下装置 采用了如图11的压力变送器。 A08

在位 置偏差较大时 ， 系统的增益 也变大 ， 从而提高 了系统的 响应速 度 。 在低频 段 由于 油 缸 运 动可 以 跟上 给定信号 ， 反 馈信号的幅值 没有衰减 ， 这 时偏差 信 号很 小 ， 放大器在低增益 区工作 ， 随着工 作频率 的提高 ， 油缸运 动 的幅值逐 渐衰减 ， 偏差 信 号加大 ， 放大器在大增益 区工作 ， 加快 了油缸运 动 的速 度 ， 使 油缸运 动 的幅值加大 ， 即 展宽 了频 带 。 采 用 高 性 能指 标 的位移 变送器 和压 力变送 器 位移 变送 器 位 移变送器 是位置 系 统 的主要检 测仪表 ， 为 了精确地 把油缸位 置移动信号快速 地反馈给 位 置调 节器 。 它应具有响应速 度 高 、 灵 敏 度高 、 飘 移小 、 线性度好 等特点 ， 否则就 会降低 整 个 系统的品 质 。 由于差 动 变压器输 出信 号较小 ， 所 以 通 常位移 变送 器 需要 把差 动变压器输 出 的载 波信 号先解调 ， 复现 成位移信号 ， 经 直 流放大后 ， 再反馈 给控 制 系统 。 为此 ， 位移变 送 器 需要 解 决 以 下三个 间题①减小滤 波器 的 时间常数 ②减小或避免信号放大时的零点飘移 ③有稳 定 的 输出幅值 。 位 置偏差 交 流 倒相 器 输出 放大器 放大器 正 弦 振荡器 图 变增益放 大器 特性 曲线 图 畴 机 液压 压下装 置 中 ， 设 计号使用 的位 移 变送 器原 理方块 图见 图 。 由于差 动 变压 器 输出是载波的交 流信 号 ， 所 以 采用 了交 流放大器 ， 从而避 免了直 流放大器 的零点飘 移 问题 。 为 了减小滤波器 的 时 间常数 ， 应尽可 能提高载波频率 。 从差 动 变压器 输 出特性 曲线看 ， 频率 激磁 ， 输出仍保持最 大 。 因此选 用 了 文式振 荡器作为载波的频率 。 同 时还采用 双 带 阻滤 波器 有选择的 把解调后 纹波 的 基 波滤掉 ， 再用 时间常数 较小的低通 滤波器 把高次谐 波 滤掉 ， 使 整 体 的 滤波 时间大为 减少 。 试验 中发现 解调器 的 输入 变压器 也 限制 仪 器频宽 的提 高 ， 因此 采 用 了无 输入 变压器的解调器 。 交 流放大器 输 出一路 直接送 到解调 器 ， 另一路经 过 倒 相器再送 到解调 器 ， 于 是 解调器 就得 到 了 一对 相位 相反的 载波信 号 。 文 式振 荡器 的 振 荡频率比较稳定 ， 也可 以 很方 便地加 稳幅 电路 ， 所 以 它的 输 出幅值 也 比较 稳定 。 变送 器最 后 一级 是输 出放大器 ， 主 要 是作 阻抗转换用 的 。 实际 测试 位 移变送 器 的频宽达 到 赫芝 ， 士 。 毫米行程 内最大误差 。 毫 米 包括差 动变压器 的 误差 。 这 些 指标为提高整个 系统 的特性创造 了有利的 条件 。 压力变送器 压 力变送 器 也是 液压压 下系统 中重要 的检 测仪 表 ， 它应 用在 流量补偿 及压 力补偿 回路 中 。 它同样要求高 响应 ， 高精度 ， 同 时 由于压 力传感器 输 出的信号是极其微弱 的 ， 满 量程才 能达 到 一 ， 容 易受 到外界的干 扰 。 为了适 应 控 制系统 的要求 ， 。 。 轧机液压压下装置 采用了如 图 的压 力变送器 。 匀匀

(压头) 放大器 正蓝 输出 放大 倒相器 故大静 图11 压力变送器设计的基本思想与上述的位移变送器相同，只是把位移变送器中的一个交流 放大器分成前置放大器和选频放大器，这样除了可提高变送器总的输出幅值外，在压力传感 器附近装置前置放大器，可避免微弱信号远距离输送造成衰减或受到外界干扰，降低信噪 比。在前置放大器中，信号经两级放大，既提高了信号的幅值，减少失真，又提高了传输能 力和抗外界干扰的能力。采用选频放大器则能使偏离10KC中心频率的其他谐波成分迅速衰 减，使带有毛刺或有些失真的信号，经选频放大后能得到较好的正弦波波形，同时它还能抑 制各种不同频率的振荡。这一特性对放大倍数较高的压力变送器也是很重要的。实际测试压 力变送器的频宽达到了1000赫芝，证明特性较好，满足了液压压下系统的要求。 综上所述，要获得液压压下装置较高的性能指标，系统中每一个环节都应有特定的要求 和优良的特性，要求技术人员综合运用机械、电器、轧制工艺几方面的专业技术知识。 110

选颇 放大器 正弦 很佣器 放摘大出扮 放大器 图 ‘ 压力变送器设计 的 基本思 想与上述 的位移变送器相同 ， 只 是把位 移变送器 中的一个交流 放大藉分成俞置放大器和 选频放大器 ， 这样除 了可提高变送器总的输出幅值外 ， 在压力传感 器附近装皿前宜放大器 ， 可避 免徽弱信号远距 离输 送造成衰减或 受 到外界干 扰 ， 降低信味 比 。 在前置放大器中 ， 信号经 两级放大 ， 既提高 了信号的幅值 ， 减少失真 ， 又提高了传输能 力和 抗外界干 扰的能力 。 采 用选频放大 器 则 能使 偏 离 中 』合频 率的 其 他 谐 波成分迅速衰 减 ， 使带 有毛刺或有些 失真的信号 ， 经选频放大后能得到 较好 的 正弦 波波形 ， 同 时它还能 抑 制 各种 不同频串的振 荡 。 这一特性对 放大倍数较高 的压力变送器 也是很重要 的 。 实际测 试压 力变送器 的频宽达到 了 。 。赫芝 ， 证 明特性较好 ， 满足 了液压压下 系统的要求 。 综上所述 ， 要获得 液压压下装置较高的 性能 指标 ， 系统 中每一个环节都应有特定 的 要求 和 优 良的特衡 要求技术人 员综合运 用机械 、 电器 、 轧制 工艺几 方 面 的专业技术知识