钢管旋扩机顶头位置控制电液伺服系统设计仿真学习体会

文献概况与技术问题

本文出自《机床与液压》2025年第53卷第2期，作者曹美忠、畅兴刚来自太原重工股份有限公司技术中心。文章针对钢管旋扩机顶杆小车机构在机械调整孔型模式下无法在线调整孔型的固有缺陷，设计了一种液压在线动态调整轧制孔型的顶杆小车，并配套设计了电液伺服控制系统。该系统的核心目标是通过补偿顶头和轧辊的温度变化导致的孔型参数漂移，从而提高钢管的壁厚精度。文章利用ITI-SimulationX软件进行了建模仿真，并通过实际轧制数据验证了系统的可靠性。

旋扩工艺与孔型控制的技术背景

旋扩（Rotary Expansion）是一种冷/温成型工艺，通过顶头（Mandrel）和轧辊（Roll）的协同运动，将管坯沿轴向逐渐扩径并减薄壁厚。与传统的辊式扩径相比，旋扩工艺具有以下特点：

旋扩工艺中，顶头位置是决定成品管外径和壁厚精度的关键参数。在实际生产中，随着轧制过程的进行，顶头和轧辊因摩擦生热和轧制力作用而产生温度升高，导致热膨胀变形，进而引起孔型参数偏移。传统机械调整方式无法实时补偿这种动态变化，只能依赖操作人员的经验判断进行离线调整，导致壁厚精度波动较大。

电液伺服控制系统设计分析

系统组成与工作原理

该电液伺服控制系统主要由以下部分组成：

1. 位置检测单元：通过高精度位移传感器（如磁栅尺或光栅尺）实时检测顶头实际位置。
2. 控制计算单元：PLC或专用控制器根据设定值与实际值的偏差，计算伺服阀的驱动信号。
3. 电液伺服阀：将电信号转换为液压流量控制信号，驱动液压缸动作。
4. 液压执行单元：液压缸推动顶杆小车，实现顶头位置的精确调整。
5. 温度补偿单元：通过温度传感器监测顶头和轧辊温度，计算热膨胀量并纳入控制算法。

控制策略

系统采用闭环位置控制策略，其核心控制逻辑可概括为：

• 设定目标孔型参数（外径、壁厚）→ 计算目标顶头位置
• 实时检测顶头实际位置和温度
• 计算位置偏差和温度补偿量
• 综合计算伺服阀驱动信号
• 液压缸执行调整动作

仿真分析

文章采用ITI-SimulationX软件进行建模仿真，该软件是液压系统仿真领域的专业工具，能够建立液压元件的数学模型并进行动态仿真。仿真结果表明，该系统能够满足轧制孔型在线动态调整的要求。

从仿真结果的角度分析，关键性能指标包括：

工程实践中的关键技术问题

液压系统动态响应与精度的平衡

在旋扩机顶头位置控制中，液压系统的动态响应速度和位置控制精度之间存在天然的矛盾。伺服阀的响应速度受限于液压系统的惯性和油液黏度特性。在低温环境下，液压油黏度增大，伺服阀响应变慢；在高温环境下，油液黏度降低，可能导致伺服阀节流特性变化，影响控制精度。

温度补偿算法的鲁棒性

温度补偿是该系统的核心功能之一，但其准确性受到多个因素的影响：

• 热膨胀系数的温度依赖性：钢材的热膨胀系数并非严格恒定，而是随温度变化的。
• 温度场分布不均匀：顶头和轧辊表面温度与芯部温度存在梯度，简单的表面温度测量无法准确反映整体热膨胀量。
• 轧制力的影响：轧制力会导致顶头和轧辊产生弹性变形，这种变形与温度膨胀叠加，增加了补偿的复杂性。

与现有技术的对比

学习心得与反思

本文的技术方案体现了"问题驱动→方案设计→仿真验证→实测确认"的完整研发流程，是典型的工程导向型研究。对于钢管制造企业而言，旋扩工艺是生产中小口径无缝钢管（特别是薄壁管）的重要工艺手段，其壁厚精度直接影响下游焊接管件的成型质量和管道系统的密封性能。

在实际工程应用中，电液伺服控制系统的设计需要特别注意以下几个问题：一是液压系统的抗污染能力，旋扩车间环境恶劣，油液污染会严重影响伺服阀的精度和寿命；二是系统的长期稳定性，伺服阀的零漂和增益漂移需要定期校准；三是温度传感器的布置方案，需要综合考虑测量准确性和安装可行性。

从更宏观的角度看，钢管成型装备的智能化、自动化升级是大势所趋。本文提出的电液伺服控制方案虽然聚焦于顶头位置控制这一具体问题，但其技术思路——通过在线检测与闭环控制实现动态补偿——可以推广到钢管生产线的其他关键工序中，如轧辊间隙控制、冷却水流量调节等。