技术与方法 ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ 高速重轨平立复合矫直控制工艺模型研究术 但斌斌，陈满 ｆ武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉４３００８１） 摘要：以高速重轨矫直实际生产为依据，从重轨轧制工艺的能耗、前滑、矫直压力、平直度、应力 应变五个方面建立了高速重轨平立复合矫直控制工艺模型。将该模型应用于实际生产，结果表明，模 型能够准确地计算出不同规格重轨的压下分配量，所预测的平直度数值与实测数据相符合，达到了控 制工艺模型设计初始的参数要求。 关键词：重轨；矫直；控制＿７－艺模型 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７４—７７２０（２０１０）２２—００６９—０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｈｅａｖｙ ｒａｉｌ ｌｅｖｅｌ ａｎｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ＤＡＮ Ｂｉｎ Ｂｉｎ，ＣＨＥＮ Ｍａｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００８１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｈｅａｖｉｅｒ ｒａｉｌ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｒｏｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｂｅｆｏｒｅ ｓｌｉｄｉｎｇ， ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｓｔｒａｉｇｈｔｎｅｓｓ，ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ ｏｆ ｆｉｖｅ ａｓｐｅｃｔｓ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ａ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｈｅａｖｙ ｒａｉｌ ｆｌａｔ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｍｏｄｅ１．Ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｃａｎ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｈｅａｖｙ ｒａｉｌ ｕｎｄｅｒ ｓｈａｒｅ，ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｓｔｒａｉｇｈｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｄａｔａ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｏｄｅｌ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ｇｏｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｖｙ ｒａｉｌ；ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ；ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅｌ 铁路提速对重轨尺寸精度和平直度的要求有了明 显提高，国产重轨如何适应需求是一个具有重大意义的 课题，尤其对于高速铁路建设这一问题更加突出【】１。 过矫直工序。 矫直过程如图２所示。从图中可看出随着钢轨进 钢，三点弯曲矫直关系建立，进行一次弯曲矫直。矫直过 程就是不断弯曲使钢轨经历弹塑性弯曲变形，达到平 直。可分别计算作用在各个辊子上的矫直力，要得到作 用在各辊子上的压力，必须先确定各个辊子处的弯矩。 本文以高速重轨矫直为实际背景，研究了影响矫直 效果的决定因素，建立了高速重轨平立复合矫直控制工 艺模型，以实际生产的历史数据为基础进行了试验，取 得了较好效果。 弯矩取决于弯曲变形量的大小。在辊式矫直机上，重轨 随着矫直辊的转动不断前进并反复弯曲。因此，矫直辊 １背景介绍 １。１矫直过程简介 上的扭矩按照功能相等的原理确定，即重轨弯曲变形所 作的功应该与矫直辊在矫直扭矩的作用下使重轨前进 重轨生产工艺流程如图１所示，高炉炼铁一平炉炼 钢一模铸一初轧开坯一坯料清理一钢坯加热一开坯粗 轧一精轧一锯切一机械打印一缓冷一矫直一铣头钻 孔一超声波探伤一高频淬火检查一分级入库。 重轨在轧制和冷却过程中，因相变应力和热应力等 所作的功相等。 １．２高速重轨矫直的核心控制工艺 平立式复合矫直机的核心控制工艺是通过对钢轨 型号、钢轨成分、外形尺寸、轧制速度等参数分析，拟定 原因，必然发生弯曲变形。为了得到平直的重轨，必须经 基金项目：教育部重点实验室开放基金资助项目（２００９Ａ０７） 立式矫直机和水平矫直机各压下辊的轧制力和合理压 《微型机与应用》２０１０年第２９卷第２２期 欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｍ ６９ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ 步进梁冷床 热锯前１２０ｍ 步 钢 图ｌ重轨生产工艺流程 断、筛选和分析。 （３）确定合理的模型结构。模型结构反映了实际过 程的内在规律，对试验数据的拟合精度有本质的影响， 有些情况下应用试验数据进行多种模型结构的拟合，从 中选出最合适模型的表达形式。 （４）确定模型中的最佳参数。目前广‘泛采用最小二 乘识别的回归分析方法来确定模型中的最佳参数。 （５）检验修改模型。模型足仃侄被检验、评价、确认 基本符合要求后， ‘能被接受， 则需要修改模型，这种 ｒ＿—一ｔ——— 修改有时是局部的，有时 年要全部推倒重来。 图２矫直过程 建模完成后，需 逊一步刈 模型简化，其步骤是： 下量的分配比例，通过控制系统对各压下辊进行精确控 （１）除去一一些变舒 在饥删分折中的一定条件下，常 制，实现钢轨矫直 Ｉ。 将描述分 ｊ参数系统的偏微分方程简化为集中参数的 矫直机的基本参数包括：矫直辊径、矫直辊距、矫直 常微分方程， 往统汁分析中 则采用主成分分析法、向后 辊数、矫直辊身长度。这些基本参数的正确选择对重轨 回归法（淘汰法）和逐步回归方法，以减少变量个数。或 的矫直质量、设备的结构尺寸和功率消耗等都有重要的 在建模之前，采，千ｊ正交试验方法，在众多因素（变量）中 影响。由于上述些参数在设备改造完毕后基本上已经确 找出对指标有显著影响的少量因素，再进行优选试验， 定，因此需要制定适应设备和产品的生产工艺，即确定 进而建立模型。 上述的平立式复合矫直机的核心控制工艺。 （２）合并一些变量。在构造模型时，把性质相同或相 ２总体建模及模型简化 似的变量合并成少数有代表性的变量。尽管这样会降 平立复合矫直参数模型是通过矫直过程中各参数 低模型的精度，但只要能满足建模的基本要求，就是可 和变量之间所存在的某种数量相互之间的关系，采用形 行的。 式化语言，概括或近似表达出来的一种数学结构。从建 （３）改变变量的性质。常用的方法是把某些非主要 模方法角度看，参数化模型可分为理论模型、理论统计 的或暂时的变量看作常量，把连续变量看作离散变量， 模型和统计模型。在实际生产过程中，所应用的模型一 或把离散变量看作连续变量。 般是根据现场数据观测的基础上，经过回归分析方法建 （４）改变变量之间的函数关系。当处理非线性问题 立的理论统计模型。建立模型的过程如下： 遇到困难时，或建模精度要求不高时，常将非线性函数 （１）确定问题系统及变量关系。在对目标系统分析 在某点处展开，取消两项作为近似表达式，即用线性关 的基础上，确定描述问题的变量及相互关系以及问题所 系逼近非线性关系式，这一线性化方法在工程界被广泛 属系统、模型大概的类型，提出相关假说。 采用。 （２）确定最佳的试验方案和方法。由于工程技术问 （５）改变约束关系。为简化模型有时还可以对变量 题均具有很强的工艺性，因此除少数试验在实验室进行 的约束条件加以改变，如增加一些约束，或去掉一些约 外，应特别重视生产性试验。在进行试验时，必须配置性 束，对约束进行一些修改等。例如在求解数学规划问题 能稳定，具有一定精度的检测装置，而且要严格保持试 时，若要得到目标函数的极大值，而不一定能找到真正 验条件稳定，精心操作，详细记录，对数据进行正确的判 解时，则增加约束后求得的可行解一般偏低，称之为保 ７０ 《微型机与应用》２０１０年第２９卷第２２期 Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ 守解或悲观解；去掉一些约束求得的解，往往偏高，称之 为冒进解或乐观解。虽然它们都不是问题的真正的解， 但可以通过它们了解到真正解的范围，对问题进行初步 评价是有用的。 （４）平直度模型。用于计算在初始设定参数的情况 下，模型能够得到的矫直效果。 （５）自学习模型。用于从数据库中存储的历史数据 中智能学习参数相互之问的关系，给出优化的调整值。 （６）应力应变模型。自学习模型的智能化需要大量 样本库数据的支持。样本数据可来源于实测数据库，但 实测数据库的数据并不一定能反映最佳的力学性能。应 力应变模型的作用是通过运用ＡＮＳＹＳ有限元软件分析 数据库中的数据对重轨钢力学性能的影响，优化自学习 模型中的样本库。 设计开发从重轨轧制工艺的能耗、前滑、矫直压力、 平直度、应力应变五个方面为突破口的控制工艺模型。 （６）模型结构的转换。若某种模型在理论上很漂亮， 但求解很困难，甚至无法求解；或者某种模型，要求具备 某种数据，而这种数据不具备或不易得到，只有改用其 他形式的模型，即改变模型的结构。模型结构的转换，需 要在对问题透彻理解和想象的基础上，实现视角的转 换，即从不同的角度观察问题，进而采用不同的数学工 具描述同一问题。 ３控制工艺模型 控制工艺模型是重轨矫直过程中各参数和变量之 间所存在的某种数量相互之间的关系，采用形式化语 言，概括或近似表达出来的一种数学结构 。从建模方 法角度看，参数化模型可分为理论模型、理论统计模型 其中，能耗模型的主要作用是进行负荷分配，确定初始 压下量，它是计算矫直力矩的前提，因而是最重要的控 制模型之一。前滑模型用于计算矫直辊转速。矫直压力 模型是设备最重要的工艺参数，是制定工艺制度的依 据。矫直压力模型也是能耗模型、前滑模型和平直度模 型的基础。平直度模型用于计算在初始设定参数的情况 下，模型能够得到的矫直效果。应力应变模型的作用是 通过运用ＡＮＳＹＳ有限元软件分析数据库中的数据对重 轨钢力学性能的影响。参数模型不仅从轧制工艺的各个 主要方面实现了复合矫直工艺控制，也很好地满足了对 多规格重轨工艺参数的控制需求 。 和统计模型。在实际生产过程中，所应用的模型一般是 在现场数据观测的基础上，经过回归分析方法建立的理 论统计模型［４１。以科学理论和生产实践为基础，研究建 立重轨钢矫直过程中理论统计型模型的方法和程序。 控制工艺模型的基本任务是根据来料条件及对成 品的要求，通过数学模型的计算，确定各辊的压下量、矫 直力、速度等，以保证获得尽可能符合要求的重轨钢成 品 】。模型计算流程图如图３所示。 ４模型的检验 根据所开发的平立复合 矫直参数模型，结合现场实 际应用情况，对不同重轨型 号、不同矫直辊压下量进行 统计分析，计算和实测的部 分数据如表１所示。 从表中可以看出，运用所 开发的模型，能够准确地计 算出不同规格重轨的压下分 配量，所预测的平直度数值 与实测数据相符合，达到了 控制工艺模型设计初始的参 数要求。 重轨质量得到提高，不但 图３模型计算流程图 可以延长重轨使用寿命、提高重轨成材率、代替进口节 约大量外汇，还可以提高列车运行的安全性和平稳性、 根据图３所示的计算要求，可知平立复合矫直参数 模型包含如下几个部分： 乘坐的舒适性。矫直是重轨生产过程中所必须的最后形 变工艺，也是保证重轨质量的重要工序，而重轨的平直 度、残余应力的大小和分布状态之间的相互联系是由重 （１）结构参数模型。用于计算和分析平立复合矫直 过程中的辊径，由此确定各辊预压下量，是最重要的控 制模型之一。 轨矫直机的结构参数和矫直工艺参数决定的。因此对重 轨矫直进行全面、综合的深入研究，对提高重轨的质量、 提高成材率、延长使用寿命和节约外汇等具有重要意义。 （下转第７５页） （２）力能参数模型。用于计算矫直力和工作转矩。 （３）工艺参数模型。用于计算和分析平立复合矫直 各辊的压弯量。 《微型机与应用》２０１０年第２９卷第２２期 欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｍ ７１ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ 表１加载实验记录表 参考文献 【１】杨巍，蔡建立．高精度采集称重主控仪表的设计［Ｊ】．福建 力／ｋＮ 电压／ｍＶ 力／ｋＮ 电压／ｍＶ 电脑，２００９，２５（１１）：１３５—１３６． ８．５ ０．５４ １２．５ Ｏ．９６ ［２］苏堡莹，金伟，曹建伟，等．高精度力传感器信号直接数 ９ ０．５９ １３ １．Ｏ１ 字化技术研究【Ｊ】．机电工程，２００５，２２（５）：１９—２２． ９．５ ０．６４ ｌ３．５ １．０６ ［３】王幸之，王雷，钟爱琴，等．单片机应用系统电磁干扰与 １０ ０．７０ ｌ４ １．１２ 抗干扰技术［Ｍ】．北京：北京航空航天大学出版社，２００６． １Ｏ．５ ０．７５ １４．５ １．１７ １１ ０．８１ １５ １．２３ ［４］徐亮，阮江军，甘艳，等．去耦电容在ＰＣＢ板设计中的应 ｌ１．５ Ｏ．８６ ｌ５．５ １．２８ 用［Ｊ】．电测与仪表，２００２，３９（３６）：５—８． １２ ０．９１ ｌ６ １．３４ ［５］孙国银．ＡＤ７３３６０在电量测量系统中的应用［Ｊ】．中国测试 技术，２００７，３３ｆ２）：７０—７３． 化。接下来，对实验数据进行曲线拟合。假设加载力为Ｆ 【６］ＫＷＡＮ Ｈ Ｋ．Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｙｓｔｏｌｉｃ ａｌｌｐａｓｓ ｄｉｇｉｔａｌ ｆｉｌｔｅｒｓ ｆｏｒ （ｋＮ），输出电压为Ｖ（ｍＶ），则可以推算出输出电压与重 ｖｅｒｙ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．２８，２０６１ 量的关系式为： （１９９２）；ｄｏｉ：１０．１０４９／ｅ１：１９９２１３２１． Ｖ＝０．ＩＦ～０．３ （１） ［７】ＧＯＯＤＡＬＬ Ｒ，ＪＯＮＥＳ Ｓ，ＣＵＭＰＬＩＤＯ Ｒ．Ｄｉｇｉｔａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｆｏｒ 通过验证式（１），可以看到本实验的精度在０．０ｌ ｍＶ。 ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒｏ１．ＩＥＥ Ｃｏｌｌｏｑｕｉｕｍ ｏｎ Ｄｉｇ－ 本文所设计的一种基于ＡＤＳ１２３４称重系统，具有 ｉｔａｌ Ｆｉｌｔｅｒｓ：Ａｎ Ｅｎａｂｌｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（１９９８／２５２）．Ｌｏｎｄｏｎ， 数字化、高精度等优点。所设计的系统外围电路简 ＵＫ，２０ Ａｐｒｉｌ １９９８． 单，易于在称重领域中推广。结合本文所述的数字滤 （收稿日期：２０１０—０５—２３） 波等技术，本系统也具有工作状态稳定和稳定时间 作者简介： 短等优点。 王雁彬，男，１９６４年生，硕士，高级工程师，主要研究方 向：模具设计、计算机技术、风机设计。 （上接第７１页） 表１实测数据 编号 Ｒ２Ｈ Ｒ４Ｈ Ｒ６Ｈ Ｒ８Ｈ Ｒ９Ｈ Ｒ２Ｖ Ｒ４Ｖ Ｒ６Ｖ Ｒ８Ｖ 型号／（ｋｇ／ｍ） 计算平直度 实测平直度 １ １５．５ ９．５ ５．５ ２ ０ １３ ７．５ ４．１ —２．５ ６０ ０．９９５ ０．９９２ ２ １６ ｌ０ ６ ２ ０．５ １２ ８ ４ ～２ ６０ ０．９９２ ０．９９２ ３ １４ １１ ４．８ ２．４ Ｏ．２ １０－８ ７ ３．５ —２．２ ６０ ０．９９１ ０．９９２ ４ ｌ５ １０．５ ５．２ １．５ Ｏ．１ １０ １０ ５ —２ ６０ ０．９９４ ０．９９０ ５ １４．８ ９ ５ １．８ Ｏ．４ １３．５ ６ ５．４ ０．８ ６０ ０．９９０ ０．９９０ ６ １６．２ ８．６ ４．５ ｌ ０ １４ ９ ３．８ Ｏ．５ ６０ Ｏ．９９ｌ ０．９９ｏ ７ １６．１ ８．８ ６ ２．１ Ｏ １３．８ ７．５ ４．１ ～１ ４３ ０．９９０ ０．９９０ ８ １６．５ ９ ５．４ １．５ ０．５ １４．２ ８．１ ４．６ —１．５ ４３ ０．９９５ ０．９９４ ９ １５．４ ９．８ ５．２ １ Ｏ．２ １２．９ ７．２ ３．９ —２ ４３ ０．９９７ ０．９９４ １０ １５．８ １０．５ ５．９ １．１ ０．１ １３．６ ７ ３．２ Ｏ．１ ４３ ０．９９２ ０．９９０ 参考文献 钢，２００５，２２（４）：４５－４７． 【１】张伟．板带轧机自动厚度控制模型的研究【Ｊ】．中国机械 ［６］Ｓｅｎｔｕｒｉａ Ｓ ｎ Ｍｉｃｍ－－ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ［Ｍ］．Ｂｏｓｔｏｎ：Ｋｌｕ—ｗｅｔ 工程，２００８，１９（１）：９５—９８． Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，２００１． 【２］李培玉．一种智能故障诊断系统的研制［Ｊ】．组合机床与 （收稿日期：２０１０－０５－２４） 自动化加工技术，２００６，４８（１０）：６０～６１． ［３】魏天斌．高速重轨生产线及武钢重轨生产线的建设［Ｊ］． 作者简介： 武钢技术，２００５’，４３（５）：２５—２７． 但斌斌，男，１９７０年生，副教授，主要研究方向：制造业 ［４】张凯．重轨孔型ＣＡＤ系统的参数化设计与实现［Ｊ］．轧钢， 信息化。 ２００６，２３（４）：５４—５７． 陈满，男，１９８５年生，在读硕士研究生，主要研究方向： 【５】孙一锋．武钢重轨生产工艺设备改造及产品开发【Ｊ］．轧 制造业信息化。 《微型机与应用》２０１０年第２９卷第２２期 欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｒｎ ７５