叢陽陽，王雪峰，汪恩輝，左雁冰，李勇鵬

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

熱處理線中，鋼管經過加熱爐加熱、淬火機淬火、冷床冷卻等熱處理工藝，造成鋼管的彎曲變形，為了滿足客戶對于鋼管直線度的要求，必須對鋼管進行矯直。鋼管矯直后，不僅直線度有很大提高，經過碾壓，還可以去除表面的氧化鐵皮，使表面光亮，提高表面質量。中國重型機械研究院為湖南衡陽某廠熱處理生產線設計的Φ245十輥快開式鋼管矯直機已于2020年7月投入使用，該套設備包括前臺上料、主機、后臺下料裝置等組成，設備在生產過程中自動化程度高，調整好管材的矯直參數后，上料、矯直及下料無需人工干預，完全自動化生產，設備程序穩(wěn)定，可滿足熱處理生產線的生產節(jié)奏。

1 矯直機機械結構

主機的結構如圖1所示，調整主機的矯直參數，主要是調整矯直輥的角度及輥縫的大小。為提升調整效率，便于操作，角度與輥縫調整機構都安裝有編碼器，用來將調整時的參數讀取至操作室的工控機中，并通過自動調整系統(tǒng)，在工控機的窗口中設定生產所需的參數，角度與輥縫會自動調整至設定的參數值。隨著工廠對鋼管品質的提升，對矯直機的矯直精度要求也有所提高，因此，在六輥快開矯直機的基礎上，為湖南衡陽某鋼廠研發(fā)了十輥快開式矯直機，矯直后鋼管管體直線度小于1 mm/m。此套設備具備數據庫，可以存儲各種鋼管矯直時的參數，方便鋼管矯直工藝的管理與提升，并可以讀取數據庫存儲的矯直參數，輥縫自動調整系統(tǒng)建立以后，可以將輥縫自動調整至數據庫中讀取的參數值，提高了輥縫調整的效率[1]。

十輥快開式矯直機采用十二立柱、五滑動梁結構，每個滑動梁由四個導向套組成，稱之為四滑架結構，四滑架結構具備機架剛性好，導向平穩(wěn)等優(yōu)點[2,3]。主機的機架采用預應力結構[4-8]，可以防止矯直過程中矯直力過大造成設備振動，影響矯直效果與設備穩(wěn)定性。立柱穿過滑動梁的四個導向護套，滑動梁可以沿著立柱軸向方向上下移動，矯直輥安裝在滑動梁上，隨著滑動梁一起移動，達到調整輥縫的目的。調整螺母安裝在滑動梁的上表面，不可以旋轉，調整絲桿安裝在上固定梁上(圖中省略)，可以旋轉但不可以上下移動，調整絲桿與調整螺母配合，通過電機帶動絲桿旋轉，使螺母上下移動，調整矯直輥輥縫的大小。滑動梁結構呈Z型，如圖1所示，按照1#～5#的順序，環(huán)環(huán)相扣，如1#滑動梁壓在2#滑動梁上方，安裝時要先裝2#滑動梁再裝1#滑動梁，調整輥縫時，1#滑動梁與2#滑動梁要保證安全距離。

圖1 十輥快開式矯直機結構

如圖2所示，快開缸固定在上固定梁上，調整絲桿通過軸承和鎖緊螺母固定在快開缸的活塞上，可以旋轉并隨著活塞上下動作，起到快開作用[9-12]。右側滑動梁的高處護套與左側滑動梁的低處護套在同一根立柱上滑動，如不限定其上下移動的位置，高處護套的下表面會與低處護套的上表面碰撞，造成設備的損壞。因此，在兩個護套間的最小允許距離處要安裝接近開關，當接近開關有信號時，輥縫調整電機停止運轉，防止兩個護套碰撞，起到安全保護作用。在輥縫自動調整過程中也要考慮安全因素，防止在無人觀察的情況下對設備造成損壞。圖2中當兩個滑動梁的高度一致時，高低護套的間距X=60 mm，快開缸的行程為S=30 mm，因此快開缸伸出和縮回的動作不會造成高低護套碰撞。由于矯直工藝[13-16]的需要，主機的2#、3#、4#上下矯直輥可以給定反彎量W，相鄰的兩個滑動梁高度不一致，高低護套的距離Y=X-S-W，設定高低護套間的最小距為5 mm，則矯直過程中的最大反彎量為25 mm。

圖2 兩滑動梁相對位置示意圖

2 輥縫調整系統(tǒng)的建立

2.1 輥縫調整系統(tǒng)的配置

結合矯直機主機的機械結構，配置了矯直機輥縫調整系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以西門子可編程邏輯控制器CPU1511-1PN為載體，S120變頻器為執(zhí)行機構，輥縫檢測絕對值編碼器為反饋的控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 輥縫調整系統(tǒng)的配置圖

2.2 單個矯直輥輥縫調整流程

圖4為單個矯直輥輥縫調整流程。首先，根據設定的數值判定輥縫的增大與減小，如果增大，則電機正傳，輥縫每增大0.01 mm，PLC讀取此時編碼器的輥縫數值，與設定值對比，若不滿足判定條件，則輥縫繼續(xù)增大，若滿足判定條件，則電機停轉，輥縫調整結束；同理可進行輥縫減小的調整流程[17-20]。

圖4 單個矯直輥輥縫調整流程

根據矯直機主機的結構，輥縫調整分為A方案與B方案，A方案按照1#～5#矯直輥的順序調整輥縫的大小，B方案則按照5#～1#矯直輥的順序調整輥縫，具體每個方案調整流程參照圖5所示。

圖5 輥縫調整方案

2.3 多個矯直輥輥縫調整流程

由于結構限制，矯直機的反彎量最大為25 mm，即相鄰矯直輥輥縫的差值不超過25 mm，否則高低護套便會碰撞，造成設備損壞。圖6為矯直機輥縫設定的界面，當前值為輥縫調整之前的實際值，輥縫的設定值為需要調整后的參數值。為了保證設備的安全，輥縫的設定值需滿足條件：

圖6 輥縫設定示意圖

|i#輥縫設定值-j#輥縫設定值|≤25 mm，其中，i、j=1、2、3、4、5。

(1)

根據此條件設定參數，按照正確的順序調整輥縫，可滿足矯直的反彎要求，也不會對設備造成損壞。參數設定結束后，如果相鄰矯直輥輥縫的差值不滿足設定要求，此刻操作畫面會提示輸入值錯誤，并定位是哪一個輥縫設定有問題。

按照式(1)設定輥縫調整參數，在調整輥縫時按照A方案與B方案的順序調整輥縫，至于選哪種方案，與輥縫設定值有關，分三種情況，一是只能按照A方案調整，二是只能按照B方案調整，三是A方案與B方案都可行。具體判定流程如圖7所示。

圖7 主機上輥輥縫調整流程圖

如圖7所示，判定選用A方案還是B方案調整輥縫的流程，首先在界面中按照公式(1)的要求輸入設定值，根據輸入的設定值，判定1#輥縫的設定值是否大于2#輥縫調整前的輥縫值，如果大于，則1#輥縫在調整過程中，1#滑動梁與2#滑動梁的高低護套不會碰撞；如果小于，則進一步判斷，如果兩個差值的絕對值大于25 mm，則高低護套就會有碰撞的危險，例如：1#與2#輥縫的初始值為200 mm，設定1#與2#輥縫調整值為100 mm，按照判定流程，則不能進行先減小1#輥縫再減小2#輥縫的操作，否則兩個滑動梁的護套會相碰，應先將2#輥縫減小至100 mm后再將1#輥縫減小至100 mm。若1#與2#輥縫的初始值為100 mm，設定二者的調整值為200 mm，則按照判定流程，應先調整1#輥縫增大至200 mm，再調整2#輥縫至200 mm，否則也會造成高低護套碰撞。此例是兩個滑動梁的判定情況，主機共有五個相互影響的滑動梁，如流程圖所示，按照判定條件依次從1#輥縫判定至4#輥縫，若全部滿足條件，則按照方案A執(zhí)行輥縫調整流程；若有任何一個步驟不滿足條件，則按照方案B執(zhí)行輥縫調整流程。按照上述步驟，完成所有矯直輥的輥縫調整，在調整的過程中滑動梁的高低護套不會相碰。

結合圖7流程圖進行PLC編程，可以對輥縫調整進行預判，待滿足相關條件后，執(zhí)行自動調整程序。對應的輥縫調整功能模塊“FB51輥位置調整”如圖8所示?！癛oller_Set”為輥縫位置設定值，“Roll_Current”為輥縫位置實際值，“P_Tolerance”為上升啟動參考值，“N_Tolerance”為下降啟動參考值，“Up_limit”為上限位，“Down_Llimit”為下限位；該功能塊啟動后，先執(zhí)行反饋值與給定值的比較運算，當該差值大于“P_Tolerance”值，啟動上升，當該差值小于等于“N_Tolerance”值，啟動下降；當該差值介于“P_Tolerance”值與“N_Tolerance”值中間時，既不上升，也不下降，當前調整結束。

圖8 輥縫調整功能模塊

需要注意的是，5個上輥輥縫調整電機采用一個S120變頻器拖動，通過變頻器出口側的接觸器通斷來控制不同的輥縫電機。因此，無論手動或自動，絕對不允許變頻器在運行過程中在線切換電機，只有在停止狀態(tài)下方可，否則會導致變頻器報過流故障或損壞設備。

3 結論

本文結合十輥矯直機滑動梁的機械結構，考慮反彎量和快開缸行程對矯直輥輥縫調整的影響，首先建立單個矯直輥輥縫的調整流程，確定輥縫調整的A方案與B方案；根據多個輥縫調整的判定條件，選用合適的方案進行輥縫調整，最終建立了主機上輥輥縫調整系統(tǒng)。此系統(tǒng)的建立，可對矯直機輥縫進行自動調整，提升了輥縫調整的效率，方便了矯直工藝參數的管理與優(yōu)化。