钢坯修磨机台车速度控制系统的研究

赵斌

(1.中国煤炭科工集团太原研究院输送支护机械研究所，山西太原030006;2.太原理工大学机械电子研究所，山西太原030024)

钢坯修磨机的作用是对连铸坯料表面进行磨削加工，去掉坯料表面的氧化皮和局部缺陷，保证最终产品的质量，修磨过程中，坯料放在台车上与台车一起运动。修磨机所用的台车，必须根据修磨工艺，按要求的速度运行，同时还要能满足自动、半自动和手动修磨的要求，速度能在0～60 m/min范围内连续可调，在修磨一些特殊材料时，甚至要求采用80 m/min高速。因为修磨机周围环境温度很高，冷修磨板坯温度常常有200～300℃，热修磨板坯温度高达700～900℃，所以必须尽量减少台车牵引系统的发热，降低系统的能量损失。为了提高生产率，牵引系统必须有好的动态特性，短的起动、换向和制动时间。

目前牵引台车运动的方式有二种，一种是用液压马达通过张紧的钢丝绳牵引小车往复运动，另一种方式是用变速电机通过减速机构直接驱动小车车轮进行往复运动。相比较，采用液压马达经钢丝绳牵引，起动、换向快速，装机功率小，但由于该系统是大惯性柔性负载，台车加上坯料的质量达30多吨，在制动过程台车会产生大的冲击，特别在高速修磨时这一问题就非常突出，常常造成牵引钢丝绳断裂和液压马达的损坏，发生停车、台车在换向时坯料冲击并打坏砂轮的故障。针对这一问题，从液压系统回路原理和控制方法上进行了研究，提出了基于出口节流的泵阀复合控制回路原理，降低了系统的能量消耗，同时也改善了系统的动静态特性，特别是可以减小系统制动过程的冲击。

1 台车牵引系统工作原理

修磨机台车传动系统原理如图1所示。

图1 修磨机台车传动系统工作原理

台车的主要负载为装在台车上的坯料和台车的自重，最大质量为40 t左右。工作中要求台车在任何位置都能够快速起停、正反向运动，起动、制动过程平稳无冲击。液压马达通过减速器把动力传递给滚筒，在钢丝绳的牵引下滚筒带动台车在导轨上往复运动，由于台车的行程达到22 m，因此钢丝绳的弹性影响较大，如果采用开关控制，将会引起很大的速度冲击，要想达到平稳地起动和停止，就需要使马达的速度能够连续地变化。为了更好地减少台车运动时的振荡现象，在导轮位置设置张紧液压缸，通过控制张紧液压缸的液压力来控制钢丝绳的预紧力，以便减小钢丝绳的松弛量，补偿钢丝绳受力伸长的影响。

2 液压系统回路及控制原理

台车速度控制系统属于柔性加大惯性的负载。大惯性已经不容易控制，再加上钢丝绳的柔性，使得控制就更加困难，一般情况可采用延长换向时间的方法减小冲击，再有就是降低修磨速度，但这样会影响生产效率。

为了减少台车换向及停车时产生的冲击，开展了深入的研究。最初将换向时间不可调的电液换向阀改为换向时间可调整的电液比例阀，将台车最高运行速度从40 m/min提高到60 m/min。但对减小换向冲击效果仍不是很好。进一步采用高动态比例泵和高响应伺服阀闭环控制台车的运行速度，采用速度闭环和压差反馈的原理，减小了换向冲击，使台车的运行速度达到了80 m/min，采用该项技术的台车在贵阳某钢厂投入使用，产生的问题是系统的成本过高，仅比例泵和比例阀就需要10万多元人民币，不利于推广应用。为了降低成本，将上述系统改成了压力匹配的负载敏感控制方式，台车速度通过比例阀开环控制，在维持同样大小冲击力的情况下，台车速度可达60 m/min，已能满足国内大多数企业的要求，且成本降低2/3。

为了进一步消除换向冲击力的影响，提出了基于压力匹配的马达进出油口独立控制的新的台车速度控制原理，将传统四边控制的比例方向阀改为两个比例节流阀与方向阀的组合。单边独立控制的比例节流阀，增加了系统的可控性，提高了系统的加速能力，使系统的最高速度达到80 m/min，同时具有较小的冲击力和低的成本，该系统在上钢5厂推广应用获得了满意的效果。

为了进一步降低成本，新提出图2所示的回路原理。系统的特征是采用流量控制的高响应比例泵控制台车运动的速度，电液换向阀控制液压马达转动的方向，二通比例节流阀经过对阀口开度按公式 (1)校正后，控制马达出口的流量，这样比例泵、电液换向阀和二通比例节流阀组合实现液压马达进出油口的单独控制，为了降低阀的节流损失，比例节流阀和比例泵之间采用流量匹配的原理进行控制。

图2 泵阀复合控制液压系统回路原理

3 系统建模及数字仿真

系统中，钢丝绳缠绕在驱动滚筒之上，钢丝绳通过绳卡系在小车的两边，小车两边是两条独立的钢丝绳，因此钢丝绳在滚筒上没有相对滑动。系统的模型包含液压系统和钢丝绳牵引系统两部分。液压系统的数学模型包括流量连续性方程和力平衡方程两类。

液压泵出口腔的流量连续性方程

液压马达进油腔的流量连续性方程

考虑最一般的情况，马达所受力矩包括负载惯性力矩、黏性摩擦力矩、弹簧扭转力矩及负载阻力矩。

马达－负载的力矩平衡方程

液压马达回油腔的流量连续性方程

对于牵引系统，输入是马达通过减速器传递给滚筒的角速度，输出是小车的运动速度和反传递给滚筒的阻力矩。钢丝绳由张紧液压油缸来提供预紧力。图3所示为钢丝绳牵引系统的力分解原理。

图3 钢丝绳牵引系统的力分解原理

对该系统受力分析如下:小车、滚筒和导轮将钢丝绳分为L1、L2、L3三段，L1、L2的长度随小车位置而变，但L1+L3基本恒定。根据受力分析，以箭头所指方向为正，有方程式 (5)— (7)

式中:K1、K2、K3分别为L1、L2、L3段钢丝绳的弹性系数，N/m;E为钢丝绳的公称抗拉强度，MPa;A为钢丝的断面面积总和，m2。

设 Δl10、Δl20、Δl30分别为钢丝绳L1、L2、L3、段在预紧力F作用下的伸长量，Δl1、Δl2、Δl3为钢丝绳在小车运动过程中各牵引力F1、F2、F3作用下产生的变化量，根据运动关系和动力学原理得。

预紧液压缸的力平衡方程

式中:Ap为预紧液压缸活塞面积;p为预紧液压缸的预紧压力;Mt为预紧液压缸活塞组件以及导轮的质量;Bp为预紧液压缸活塞组件以及导轮的黏性阻尼;x为预紧液压缸活塞的位移。

钢丝绳L1段在预紧力F作用下的伸长量

钢丝绳L2段在预紧力F作用下的伸长量

钢丝绳L3段在预紧力F作用下的伸长量

钢丝绳L1段在牵引力F1作用下产生的变化量

钢丝绳L2段在牵引力F2作用下产生的变化量钢丝绳L3段在牵引力F3作用下产生的变化量

小车的动力学方程

导轮的动力学方程:

式中:B1，B2为黏性摩擦系数，N·s/m;J为导轮的转动惯量，kg·m2;v为小车的速度，m/s;ω1为导轮的角速度，rad/s;ω为驱动滚筒的角速度，rad/s;TL为负载对驱动滚筒的阻力矩，N·m。

式 (2)— (21)就是描述系统运动特性的数学模型，在Matlab/Simulink环境下，用Simulink标准模块按这些方程的连接关系转化为可计算模型，代入已知参数就可对整个系统进行仿真研究。

下面二组曲线给出的是数字仿真的部分结果。

对比图4中的三组曲线，虽然马达的转速可以控制得非常平稳，但受钢丝绳弹性的影响，在启动、换向、制动中，小车速度仍存在冲击。设定速度高，冲击也大，超调量也大。速度冲击的增大必然会带来液压管道和液压元件寿命的缩短，因此应避免直接换向或者设法减小换向的加速度，通过延长换向的时间可减小换向冲击。

图4 马达在3种转速下的起动、换向和制动过程中台车速度响应曲线

图5是对应上述过程，当分别采用压力匹配的负载敏感控制和流量匹配出口节流控制2种方式下液压系统消耗功率的对比情况。可以看出:采用流量匹配和出口节流可以明显降低液压系统的能量消耗，降低系统发热和减小冷却系统装机功率。

图5 液压系统消耗功率

为了分析预紧力对钢丝绳受力的影响，设定小车速度为80 m/min，分别采用3、7和10 MPa的压力预紧钢丝绳，对各段钢丝绳的受力进行仿真，得出曲线如图6所示。

图6 钢丝绳预紧力对速度控制特性的影响

由于钢丝绳的弹性作用，在起动阶段，小车的速度有较大的超调和较长时间的振荡，随着预紧力的增大，小车速度的超调量减少;在制动阶段，由于在各预紧力下制动前小车具有相同的速度，因此小车速度的超调量几乎相同。

对于牵引力F1，由于负载主要是惯性负载，阻尼很小，钢丝绳的弹性较大，因此钢丝绳的振荡时间较长。起动过程，预紧力大，L1段钢丝绳发生很小的变形就可以产生所需的加速度，因此F1的峰值反而很小，而预紧力小的时候，由于负载惯性较大，因此F1的变化较大;同样，在制动阶段，也是预紧力越大，F1的力变化越小，小的预紧力容易产生大幅振荡。

由于L2段钢丝绳和L1段钢丝绳通过导轮相连，而且有预紧液压缸的阻尼作用，因此F1与F2的大小及变化趋势几乎相同。

对于牵引力F3，在起动阶段，L3段是传动的“松边”，因此其所受力基本上是冲击力，当预紧力较小的时候。由于L1和L2段钢丝绳较长，其变形之和较大，因此L3基本上处于松弛状态，反映在力F3上就是等于零，当预紧力较大的时候，F3有一定的冲击，其峰值较大;制动阶段，在负载惯性作用下，L3段是“紧边”，F3随着小车速度的振荡在振荡，预紧力越大，F3的峰值越大。

4 实际应用及结论

采用上述原理的钢坯修磨机台车速度控制系统已在上海钢铁公司5厂、太原公铁公司等钢厂推广应用，获得了良好的效果。通过上面的研究可以得出如下结论。

(1)通过对马达速度的闭环控制，虽然马达的转速可以控制得非常平稳，但受钢丝绳弹性的影响，在启动、换向、制动中，小车速度仍存在冲击。为了进一步减小台车运动过程的冲击，应采用激光直接检测台车速度的双闭环控制。

(2)采用泵阀复合的流量匹配和出口节流控制，较采用传统压力匹配的负载敏感控制，可以明显降低液压系统的能量消耗，降低系统发热和减小冷却系统装机功率。

(3)大的钢丝绳预张紧力虽然能够减小台车在起动和制动过程中张紧力F1，F2的波动幅度，但对张紧力F3的作用不大，特别在制动过程的波动特别大，是造成钢丝绳拉断的主要原因，因采用主动的控制方法加以抑制。

【1】GU L Y，WANG Q F，LV Y X.Research on Acceleration and Deceleration Characteristic for High Inertia Loads Driven by Hydraulic［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2002，38(10):46 －47.

【2】赵斌.采用张力控制理论改善大惯性柔性伺服系统的运动刚度［D］.太原:太原理工大学，2007.

【3】潘英.提升钢丝绳最大动张力的研究［J］.中国矿业大学学报，1997，6(1):23 －26.