但斌斌，陳 滿

(武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院,湖北 武漢430081）

鐵路提速對(duì)重軌尺寸精度和平直度的要求有了明顯提高，國(guó)產(chǎn)重軌如何適應(yīng)需求是一個(gè)具有重大意義的課題，尤其對(duì)于高速鐵路建設(shè)這一問題更加突出[1]。

本文以高速重軌矯直為實(shí)際背景，研究了影響矯直效果的決定因素，建立了高速重軌平立復(fù)合矯直控制工藝模型，以實(shí)際生產(chǎn)的歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了較好效果。

1 背景介紹

1.1 矯直過程簡(jiǎn)介

重軌生產(chǎn)工藝流程如圖1所示，高爐煉鐵—平爐煉鋼—模鑄—初軋開坯—坯料清理—鋼坯加熱—開坯粗軋—精軋—鋸切—機(jī)械打印—緩冷—矯直—銑頭鉆孔—超聲波探傷—高頻淬火檢查—分級(jí)入庫。

重軌在軋制和冷卻過程中，因相變應(yīng)力和熱應(yīng)力等原因，必然發(fā)生彎曲變形。為了得到平直的重軌，必須經(jīng)過矯直工序。

矯直過程如圖2所示。從圖中可看出隨著鋼軌進(jìn)鋼，三點(diǎn)彎曲矯直關(guān)系建立，進(jìn)行一次彎曲矯直。矯直過程就是不斷彎曲使鋼軌經(jīng)歷彈塑性彎曲變形，達(dá)到平直?？煞謩e計(jì)算作用在各個(gè)輥?zhàn)由系某C直力，要得到作用在各輥?zhàn)由系膲毫?，必須先確定各個(gè)輥?zhàn)犹幍膹澗?。彎矩取決于彎曲變形量的大小。在輥式矯直機(jī)上，重軌隨著矯直輥的轉(zhuǎn)動(dòng)不斷前進(jìn)并反復(fù)彎曲。因此，矯直輥上的扭矩按照功能相等的原理確定，即重軌彎曲變形所作的功應(yīng)該與矯直輥在矯直扭矩的作用下使重軌前進(jìn)所作的功相等。

1.2 高速重軌矯直的核心控制工藝

平立式復(fù)合矯直機(jī)的核心控制工藝是通過對(duì)鋼軌型號(hào)、鋼軌成分、外形尺寸、軋制速度等參數(shù)分析，擬定立式矯直機(jī)和水平矯直機(jī)各壓下輥的軋制力和合理壓下量的分配比例，通過控制系統(tǒng)對(duì)各壓下輥進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)鋼軌矯直[2]。

矯直機(jī)的基本參數(shù)包括：矯直輥徑、矯直輥距、矯直輥數(shù)、矯直輥身長(zhǎng)度。這些基本參數(shù)的正確選擇對(duì)重軌的矯直質(zhì)量、設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸和功率消耗等都有重要的影響。由于上述些參數(shù)在設(shè)備改造完畢后基本上已經(jīng)確定，因此需要制定適應(yīng)設(shè)備和產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，即確定上述的平立式復(fù)合矯直機(jī)的核心控制工藝。

2 總體建模及模型簡(jiǎn)化

平立復(fù)合矯直參數(shù)模型是通過矯直過程中各參數(shù)和變量之間所存在的某種數(shù)量相互之間的關(guān)系，采用形式化語言，概括或近似表達(dá)出來的一種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。從建模方法角度看，參數(shù)化模型可分為理論模型、理論統(tǒng)計(jì)模型和統(tǒng)計(jì)模型。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，所應(yīng)用的模型一般是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過回歸分析方法建立的理論統(tǒng)計(jì)模型。建立模型的過程如下：

（1）確定問題系統(tǒng)及變量關(guān)系。在對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，確定描述問題的變量及相互關(guān)系以及問題所屬系統(tǒng)、模型大概的類型，提出相關(guān)假說。

（2）確定最佳的試驗(yàn)方案和方法。由于工程技術(shù)問題均具有很強(qiáng)的工藝性，因此除少數(shù)試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行外，應(yīng)特別重視生產(chǎn)性試驗(yàn)。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，必須配置性能穩(wěn)定，具有一定精度的檢測(cè)裝置，而且要嚴(yán)格保持試驗(yàn)條件穩(wěn)定，精心操作，詳細(xì)記錄，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的判斷、篩選和分析。

（3）確定合理的模型結(jié)構(gòu)。模型結(jié)構(gòu)反映了實(shí)際過程的內(nèi)在規(guī)律，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合精度有本質(zhì)的影響，有些情況下應(yīng)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多種模型結(jié)構(gòu)的擬合，從中選出最合適模型的表達(dá)形式。

（4）確定模型中的最佳參數(shù)。目前廣泛采用最小二乘識(shí)別的回歸分析方法來確定模型中的最佳參數(shù)。

實(shí)現(xiàn)黨的組織和工作全覆蓋，要按照有利于加強(qiáng)黨的領(lǐng)導(dǎo)、有利于開展黨的組織生活、有利于黨員教育管理監(jiān)督的原則，解放思想，打破思維定勢(shì)，實(shí)行屬地管理、行業(yè)管理、協(xié)會(huì)管理、條塊管理、部門管理、掛靠管理等多種管理模式，構(gòu)建區(qū)域內(nèi)黨組織之間的縱向領(lǐng)導(dǎo)和橫向協(xié)作關(guān)系。推進(jìn)黨的組織體系向基層延伸、向末端拓展，把黨建工作的鏈條延伸到每一個(gè)領(lǐng)域，確保黨組織建到生產(chǎn)一線上、產(chǎn)業(yè)鏈上、項(xiàng)目上、班組上，努力做到成熟一個(gè)、組建一個(gè)、鞏固一個(gè)、帶動(dòng)一批，達(dá)到應(yīng)建盡建、能建快建、建就建好，提升黨組織的覆蓋面。

（5）檢驗(yàn)修改模型。模型只有在被檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)、確認(rèn)基本符合要求后，才能被接受，否則需要修改模型，這種修改有時(shí)是局部的，有時(shí)甚至要全部推倒重來。

建模完成后，需要進(jìn)一步對(duì)模型簡(jiǎn)化，其步驟是：

（1）除去一些變量。在機(jī)理分析中的一定條件下，常將描述分布參數(shù)系統(tǒng)的偏微分方程簡(jiǎn)化為集中參數(shù)的常微分方程。在統(tǒng)計(jì)分析中，則采用主成分分析法、向后回歸法（淘汰法）和逐步回歸方法，以減少變量個(gè)數(shù)。或在建模之前，采用正交試驗(yàn)方法，在眾多因素（變量）中找出對(duì)指標(biāo)有顯著影響的少量因素，再進(jìn)行優(yōu)選試驗(yàn)，進(jìn)而建立模型。

（2）合并一些變量。在構(gòu)造模型時(shí)，把性質(zhì)相同或相似的變量合并成少數(shù)有代表性的變量。盡管這樣會(huì)降低模型的精度，但只要能滿足建模的基本要求，就是可行的。

（3）改變變量的性質(zhì)。常用的方法是把某些非主要的或暫時(shí)的變量看作常量，把連續(xù)變量看作離散變量，或把離散變量看作連續(xù)變量。

（4）改變變量之間的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)處理非線性問題遇到困難時(shí)，或建模精度要求不高時(shí)，常將非線性函數(shù)在某點(diǎn)處展開，取消兩項(xiàng)作為近似表達(dá)式，即用線性關(guān)系逼近非線性關(guān)系式，這一線性化方法在工程界被廣泛采用。

（6）模型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。若某種模型在理論上很漂亮，但求解很困難，甚至無法求解；或者某種模型，要求具備某種數(shù)據(jù)，而這種數(shù)據(jù)不具備或不易得到，只有改用其他形式的模型，即改變模型的結(jié)構(gòu)。模型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，需要在對(duì)問題透徹理解和想象的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)視角的轉(zhuǎn)換，即從不同的角度觀察問題，進(jìn)而采用不同的數(shù)學(xué)工具描述同一問題。

3 控制工藝模型

控制工藝模型是重軌矯直過程中各參數(shù)和變量之間所存在的某種數(shù)量相互之間的關(guān)系，采用形式化語言，概括或近似表達(dá)出來的一種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)[3]。從建模方法角度看，參數(shù)化模型可分為理論模型、理論統(tǒng)計(jì)模型和統(tǒng)計(jì)模型。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，所應(yīng)用的模型一般是在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過回歸分析方法建立的理論統(tǒng)計(jì)模型[4]。以科學(xué)理論和生產(chǎn)實(shí)踐為基礎(chǔ)，研究建立重軌鋼矯直過程中理論統(tǒng)計(jì)型模型的方法和程序。

控制工藝模型的基本任務(wù)是根據(jù)來料條件及對(duì)成品的要求，通過數(shù)學(xué)模型的計(jì)算，確定各輥的壓下量、矯直力、速度等，以保證獲得盡可能符合要求的重軌鋼成品[5]。模型計(jì)算流程圖如圖3所示。

根據(jù)圖3所示的計(jì)算要求，可知平立復(fù)合矯直參數(shù)模型包含如下幾個(gè)部分：

（1）結(jié)構(gòu)參數(shù)模型。用于計(jì)算和分析平立復(fù)合矯直過程中的輥徑，由此確定各輥預(yù)壓下量，是最重要的控制模型之一。

（2）力能參數(shù)模型。用于計(jì)算矯直力和工作轉(zhuǎn)矩。

（3）工藝參數(shù)模型。用于計(jì)算和分析平立復(fù)合矯直各輥的壓彎量。

（4）平直度模型。用于計(jì)算在初始設(shè)定參數(shù)的情況下，模型能夠得到的矯直效果。

（5）自學(xué)習(xí)模型。用于從數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)中智能學(xué)習(xí)參數(shù)相互之間的關(guān)系，給出優(yōu)化的調(diào)整值。

（6）應(yīng)力應(yīng)變模型。自學(xué)習(xí)模型的智能化需要大量樣本庫數(shù)據(jù)的支持。樣本數(shù)據(jù)可來源于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)庫，但實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)并不一定能反映最佳的力學(xué)性能。應(yīng)力應(yīng)變模型的作用是通過運(yùn)用ANSYS有限元軟件分析數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對(duì)重軌鋼力學(xué)性能的影響，優(yōu)化自學(xué)習(xí)模型中的樣本庫。

設(shè)計(jì)開發(fā)從重軌軋制工藝的能耗、前滑、矯直壓力、平直度、應(yīng)力應(yīng)變五個(gè)方面為突破口的控制工藝模型。其中，能耗模型的主要作用是進(jìn)行負(fù)荷分配，確定初始?jí)合铝?，它是?jì)算矯直力矩的前提，因而是最重要的控制模型之一。前滑模型用于計(jì)算矯直輥轉(zhuǎn)速。矯直壓力模型是設(shè)備最重要的工藝參數(shù)，是制定工藝制度的依據(jù)。矯直壓力模型也是能耗模型、前滑模型和平直度模型的基礎(chǔ)。平直度模型用于計(jì)算在初始設(shè)定參數(shù)的情況下，模型能夠得到的矯直效果。應(yīng)力應(yīng)變模型的作用是通過運(yùn)用ANSYS有限元軟件分析數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對(duì)重軌鋼力學(xué)性能的影響。參數(shù)模型不僅從軋制工藝的各個(gè)主要方面實(shí)現(xiàn)了復(fù)合矯直工藝控制，也很好地滿足了對(duì)多規(guī)格重軌工藝參數(shù)的控制需求[6]。

4 模型的檢驗(yàn)

根據(jù)所開發(fā)的平立復(fù)合矯直參數(shù)模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)不同重軌型號(hào)、不同矯直輥壓下量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算和實(shí)測(cè)的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

從表中可以看出，運(yùn)用所開發(fā)的模型，能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出不同規(guī)格重軌的壓下分配量，所預(yù)測(cè)的平直度數(shù)值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相符合，達(dá)到了控制工藝模型設(shè)計(jì)初始的參數(shù)要求。

重軌質(zhì)量得到提高，不但可以延長(zhǎng)重軌使用壽命、提高重軌成材率、代替進(jìn)口節(jié)約大量外匯，還可以提高列車運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性、乘坐的舒適性。矯直是重軌生產(chǎn)過程中所必須的最后形變工藝，也是保證重軌質(zhì)量的重要工序，而重軌的平直度、殘余應(yīng)力的大小和分布狀態(tài)之間的相互聯(lián)系是由重軌矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和矯直工藝參數(shù)決定的。因此對(duì)重軌矯直進(jìn)行全面、綜合的深入研究，對(duì)提高重軌的質(zhì)量、提高成材率、延長(zhǎng)使用壽命和節(jié)約外匯等具有重要意義。

表1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

[1]張偉.板帶軋機(jī)自動(dòng)厚度控制模型的研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2008，19（1）：95-98.

[2]李培玉.一種智能故障診斷系統(tǒng)的研制[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2006，48(10)：60-61.

[3]魏天斌.高速重軌生產(chǎn)線及武鋼重軌生產(chǎn)線的建設(shè)[J].武鋼技術(shù)，2005，43(5)：25-27.

[4]張凱.重軌孔型CAD系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].軋鋼，2006，23(4)：54-57.

[5]孫一鋒.武鋼重軌生產(chǎn)工藝設(shè)備改造及產(chǎn)品開發(fā)[J].軋鋼，2005，22(4)：45-47.

[6]Senturia S n Micm—system Design[M].Boston：Klu—wet Academic Publishers，2001.