轧机压下系统机电液耦合效应研究

刘继生

（山钢股份莱芜分公司型钢厂，山东 济南 271104）

轧机是现在市面上非常常见的一种冶金设备，轧机质量的好坏直接影响着工业产品的质量，以及会间接影响工厂的效益。轧机压下系统是对厚度控制的最基本环节，对保证液压缸的位置正确性起着重要的作用。在这种情况下，我们要不断地提高其精度，使其充分地为工业生产服务。

目前，市面上的双压系统多为电气双压下系统和电液双压下系统，主要是将粗调与微调相结合，粗调进行整体把控，微调可以做到精度符合标准。将电动压用于粗调之上，微调时采用液压，这种配合方法，在一定程度上能够在响应速度和构件的规格精确度时均能达到一个非常好的效果。而且可以预见未来轧机压下系统必然会对精度和响应速度不断要求更高，从而不断满足目前对生产效率和生产质量不断提高的要求。机械耦合是通过液压缸进行的，根据力的相互作用液压系统在活杆的连接下可以当作驱动力矩进行处理研究，从而使得液压参数与机械成功的进行了耦合，进行了机液耦合连接。同时，轧机液压压下作为一个整体系统，液压和机械作用在一个共同的系统，相互之间的耦合就会对系统的动态特性进行影响，使其发生电液耦合振动，这也就会使得轧机系统变得非常的不稳定，控制精度在这种情况下也会慢慢的有所下降。

1 背景

我国作为一个钢材产量和使用量均很大的国家，根据中国钢铁工业协会最新统计数据显示，1949 年，我国钢产量只有15.8 万吨，不足当时世界钢产量的千分之一。2018 年年底，我国钢产量突破9 亿吨，占世界钢产量的50%。钢材自给率从新中国成立初期的缺铁少钢，发展到目前大部分钢材品种的完全自给。

随着国民经济的进一步发展，钢材的使用范围变得越来越广泛，因此，对钢材的要求就变得越来越高，需要更高的质量更加高的精度，可是，这两者目前仍然是我们国家的劣势，因此，我们只能对轧机压下系统提出了更高的要求。

2 现状分析

总体来说，我们国家对于轧机的研究比较晚，经过大量科研技术人员的摸索研究，在轧机固有动态特性和与振动有关的特性上有了一些比较客观的成果。但是，近年来，轧机系统变得越来越复杂，逐渐形成了一个囊括机械、电气、液压等多个学科的综合研究系统，研究人员和团队也在不断地与多方面进行协作研究，逐渐形成了完整的研究模型和理论基础，在这其中，发现轧机在工作的过程是各种特性相互耦合的结果。

在国内对轧机压下系统的研究，主要是从模型建立、实验分析、理论研究这几个方面进行研究的。模型建立的方法有很多，目前，比较常用的主要是拉格朗日方程法、有限单元法。而实验分析和理论研究主要还是以实验数据作为出发点。

轧机压下系统中机电液耦合效应的研究，主要体现在对轧机动力学系统进行建模，从而可以在动态的角度上进行分析。在国内，很多专业技术人员都认为机械系统的复杂性研究应该为单机架系统模型。而对轧机压下系统机电液的耦合研究主要以垂振耦合的研究为主，自闫晓强等人发现在特定情况下传动系统扭转振动会引发系统的垂振动以来，经过诸如申延智、史荣、徐阳、王瑞鹏等人不断地进行研究，2012 年，位于北京科技大学的冶金机械研究所发明了针对耦合振动的抑振器，并就此将其作为了对轧机耦合振动的抑制重要措施，主要就是将轧机的各种信号收集起来并通过相位识别进行运算，以此转化为振动抑制信号，然后，便可以对耦合振动进行有效控制。

经过长达50 年的努力研究，对轧机压下系统机电液耦合的研究已经取得了很大的进步，取得了许多可人的成果。但是，振动机理还并未给出清晰合理的解释，因此，对于轧机压下系统机电液耦合系统仍然任重而道远，对其的研究仍然需要不断地进行探索。

3 研究内容

若想设置合理的控制方法实现抑制和消除耦合作用的目的，必须通过多种仿真技术进行模拟分析，从而才能保证轧机工作的稳定和高效。

3.1 机电液耦合机理

机电液耦合的发生在各个构件的相互作用过程中，为了便于研究，我们通常把四辊轧机作为主要研究对象，以此以系统间参数建立数学模型，对机电液耦合机理及方式等问题进行着重的研究。

3.2 抑制耦合振动的方法

轧机压下系统是一个由多质量的结构通过弹性连接构成的复杂的机械动力学系统，在外界作用力的作用下，若是各个机械构件的频率相互吻合，轧机在整个系统中就处于一种极不稳定的状态，这也就是机电液发生耦合振动的原因。轧机压下系统与机电液耦合系统由于耦合系统的丰富分布导致这两者无法避开，又由于机电液具有很大的非线性和不确定性，因此，对于耦合振动来说，这也是无法预知的，通过研究我们可以在进行仿真模拟研究后，我们可以提出具有针对性的扰动器的干扰耦合振动，这也就推动了我们对抑制耦合振动方法的研究。

3.3 仿真模拟

无论是建模还是对抑制方法进行研究，我们都绕不开一个重要的环节——仿真模拟，通过ADAMS、AMESIM 分别对轧机压下系统的机械和液压控制进行建模，构建一个机电液耦合的虚拟仿真模型，从而实现对具体的操作进行仿真模拟，从而实现构造一个虚拟样机模型进行分析计算的目的。

4 未来展望

轧机压下系统在未来对其的研究是会越来越深的，基于其的使用范围在慢慢扩大，对其的要求也会越来越高，因此，我们必须慢慢提升自己对轧机系统的研究。机电液耦合是轧机压下系统绕不开的一个话题，如何抑制其耦合振动，让其充分地为我们轧机服务，是我们不断要研究和加深的领域问题，进行数学建模，虚拟仿真实验，对实验进行结果分析得到合理的解决方法，从而达到抑制耦合振动使得机电液耦合效应为轧机压下系统充分进行服务。但是，实验依然存在着许多不足之处亟待解决：

（1）由于国内实验条件的落后，我们的实验进程仅仅停留在了虚拟样机的仿真模拟上，缺乏大量实验数据和实际工作情况的双向考量，因此，如何引入后续的大量实验设备，布置资金投入如何对数剧进行智能化的处理，成为我们目前需要克服的第一个问题。

（2）抑制耦合振动的优化问题，因为尚有很多原理还处于研究阶段，所以对于耦合振动的优化问题变得尤为困难，下一步应该进一步发现目前机械化、智能化、自动化的手段不断对优化方法进行高效的优化。

5 结语

轧机压下系统作为钢材处理的常用系统，承载的能力和强度都需要我们去关注，去不断地研发，以保证轧机在我们正常生产的情况下变得高质和高效，更加的安全稳定。