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冷连轧机模态测试研究

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冷连轧机模态测试研究
何汝迎 岳海龙 邹家祥 史小路

摘要: 摘要:针对宝钢 2030mm 冷连轧机高速运行中出现的振动问题,从现场测试和理 论分析方面研究了自激振动的生成机理,影响因素及抑制措施.通过适当控制乳 化液的浓度可消除颤振并提高轧制速度. 关键词: 关键词:冷连轧机;振动;生成机理;抑制;润滑

Research on model and testing of continuous cold rolling mill
HE Ru-ying YUE Hai-long (Cold Rolling Dept., Baoshan Iron & Steel(Group) Co., Shanghai 200941,China) ZOU Jia-xiang SHI Xiao-lu (University of Science & Technology Beijing, Beijing 100083,China) Abstract:In view of the vibration problem of 2030mm continuous cold Abstract: rolling mill with high rolling speed, theforma-tion mechanism, influence factors and suppression method of self-excited vibration are analyzed based on practial testing and theory analysis. The problem can be resolved by proper control emulsion concentration, and with the result the rolling speed can be increased. Keywords:continuous cold rolling mill; vibration; formation mechanism; Keywords: suppression; lubrication

1 概述
带钢冷连轧机在高速轧制时的振动问题是国内外普遍存在的问题, 直到目前 尚未找出圆满的解决办法,成为国际上尚待解决的难题. 宝钢从德国西马克引进的 2030mm5 机架冷连轧机也存在上述问题.为此,宝 钢冷轧部与北京科技大学联合,针对该轧机高速运行中出现的振动问题,从现场 测试和理论分析等方面进行了研究.

2 综合测试
为了探明轧机振动的特性、振源及主要影响因素,对轧机 5 个系统 46 个参 数做了全面的普查性同步诊断,共测到振动信号 17 次,其共性是振动频率为 124Hz.通过这次大规模综合测试,首先排除了一部分与振动无关的因素: (1)通过低速常规轧制发现,在带钢咬入及甩尾过程中没有出现有规律的 振动信号.因此,该轧机不属冲击扭转振动. (2)在空车压靠和增速实验中,无论压靠力多大,轧制速度多高,甚至达 到 1500m/min,轧机也未出现振动现象.这说明振动不属于轧机机械系统本身的 问题,也说明辊缝中有无轧件对轧机产生振动至关重要.

(3)从液压控制信号和电气控制信号来看,在振动过程中,时域信号均未 出现有规律的波动;从频率上看,两种信号均无 124Hz 的频率成分,这说明液压 控制和电气控制与振动无关. (4)传动系统振动与垂直振动不相干. (5)振源不在地基和齿轮座. (6)轧件入口厚度波动信号不存在 124Hz 频率成分,从而找出了与振动关 系密切的部位和因素:①上下工作辊、支承辊、机架横梁;②轧制力;③入口张 力;④出口张力(是振动的结果,而不是振动起因). 由此可见 q振源集中在辊缝. 辊缝的概念是一个耦合因素,是由工作辊辊面、轧件及轧制油膜构成的.而 轧件的塑性变形过程在辊缝中实现,与轧制力、前后张力、摩擦力大小及波动、 材料性能等有关. 经对振动测试信号分析可以看出: (1)轧机系统的振动是发散的. (2)轧机振动振幅的增长形式呈指数增长的趋势,属典型的自激振动形态. (3)轧机系统的振动没有外部激励. (4)从轧制力、张力和工作辊运动之间的相位关系来看,彼此间的相位差 为 90°,是典型的工艺参数相互耦合形成能量输入的自激闭环系统. 由综合测试可以得出:振动的性质为自激振动,振动频率为 124Hz,振源在 辊缝.

3 轧机自激振动形成机理及影响因素分析
图 1 所示为自激振动系统的组成框图.由此可以看出,一个自激振动系统首 先要有动力源,还要有振动系统──轧机垂直系统、调节系统──辊缝工艺参数 相互耦合关系.调节系统的作用是将振动系统的交变运动转换为交变力,反馈到 振动系统,而振动系统的振动又影响调节系统,由此相互作用构成了可从外部动 力源吸取能量的闭环系统.除此之外,还要具备足够大的外部扰动,破坏系统的 稳定性,才可激起振动.

图 1 自激振动系统的组成框图 所以,一个系统产生自激振动必须具备 2 个因素:①可以从外部吸取能量的 自激闭环系统;②足够大的外部扰动. 图 2 中的 5 条曲线示出自激振动的形成过程:

图 2 轧机自激振动机理简图 当轧机由于某种原因(如来料厚度不均、接头焊缝等)发生垂直谐振,如图 中第 1 条曲线所示,则轧件出口厚度波动可用第 2 条曲线表述,它和第 1 条曲线 相同,这是几何关系所决定的.根据辊缝中金属的“秒流量相等”原则,在入口 厚度和出口速度不变的条件下,轧件入口速度的波动可用第 3 条曲线表述.由于 入口速度波动使带钢产生形变,以致入口张力发生波动,如第 4 条曲线所示,其 滞后于轧辊振动位移 90°.由自激振动机理简图入口张力波动导致轧制力波动, 可用第 5 条曲线表述.正是这种轧制力波动,在轧辊每振动 1 整周中对轧辊所作 的正功大于负功,因而把能量施加到轧辊上,并以 124Hz 的频率使垂振振幅迅速 扩大.这种发散性振动是由轧机振动本身自己激发起来的,即由滞后于振动位相 90°的张力(此时轧制力超前位移 90°)造成的负阻尼大于系统正阻尼所导致 的. 由此可见, 自激振动的生成是由于某种条件形成了轧制过程中轧制力、 张力、 轧辊运动间 90°差的相位关系形成的. 影响自激振动生成的因素有: (1)轧制速度对振动的影响轧制速度越高,自激振动越易发生,其原因如 下: ①随着轧机轧制速度的提高,轧机周围的各种扰动因素会越来越多,扰动的 强度也越来越强; ②轧机的轧制速度越高,其工作辊的运动与入口张力变化的关系越紧密,即 系统的自激关系越强,则轧机系统的稳定性越差,越易发生振动. ③轧机的轧制速度对轧机辊缝中的润滑状况也有较大影响. (2)轧件的厚度对振动的影响 轧件的厚度越薄,越易振动.这是由于:轧件的厚度越薄,则轧机工作辊的 运动与轧机的入口张力间的关系越紧密, 且轧机的轧制力与轧机入口张力间的关 系也越紧密. (3)轧件的入口张力对振动的影响 轧件的入口张力越大,张力波动造成轧制力的波动量越大,振动越易发生. (4)辊缝中的摩擦系数与振动的关系 当摩擦系数降低时,阻尼下降,张力与轧制力关系越紧密,且辊缝状态越不 稳定.摩擦系数波动将影响轧机系统的动态刚度.

4 自激振动的控制
由理论分析和实验可知,对振动影响较大的因素有轧制速度、系统阻尼、入 口张力、辊缝的润滑状态、板厚等. (1)轧制速度 低速轧制是不可取的.但当振动发生时,降速是消除振动的唯一方法. (2)带钢厚度 带钢厚度是产品规格决定的,但适当分配 5 个机架的压下量,即增大前 3 架的压下比率, 适当减小第 4 机架的压下量, 会取得一定效果. 但从测试结果看, 其效果不十分明显. (3)系统的阻尼 增加系统的阻尼有利于系统的稳定性.国外在这方面采取了许多措施,但效 果不十分理想. (4)减小入口张力 比较图 3 和图 4 可看出,减小入口张力提高了轧机振动的临界速度,延缓了 自激振动生成的过程,但入口张力的调节量不能过大.

图 3 一般张力条件下的振动情况

10%条件下的振动情况 图 4 张力减小 10%条件下的振动情况 (图中信号从上到下依次是:上支承辊、上工作辊、下工作辊、下支承辊)

(5)摩擦系数提高轧辊与轧件间摩擦系数的数值及其稳定性有利于系统的 稳定性.加大轧辊表面的粗糙度,可以提高辊缝的摩擦系数,但对板面质量不 利.降低润滑乳化液的浓度,对提高轧机振动临界速度的效果是明显的,如表 1 所示. 表 1 轧制油浓度对振动影响的实验结果 油品 N428 N54 浓度/% 3箱 2.2 1.6 2.2 1.5
#

5箱 1.2 0.7 1.2 0.6

#

出口厚度/ 轧制速度/ -1 mm m.min 0.503 0.571 0.503 0.571 1000 1413 1250 1480

轧机 情况 振动 未振 振动 未振

综上所述,适当减小轧件的入口张力或降低润滑乳化液的浓度,可延缓或抑 制自激振动生成的过程.

5 5 机架冷连轧机振动时的内在联系
由于冷连轧机 5 个机架的结构基本相同, 难以区分各机架发生振动时的先后 # # 顺序.通过分析可知,1 和 2 机架的轧制速度相对较低,一般不可能达到自激振 # 动的临界速度,而从图 5 和图 6 可以看出:4 机架的入口张力与轧制力几乎同时 起振,而 5#机架的入口张力则在轧机振动充分发展起来以后才出现波动.因此可 # # # # 以看出,4 机架的自激关系首先形成,且最强烈.对比分析 3 、4 、5 机架振动 # 信号的能量级,也可看出,4 机架的振动最强烈.因此,可判定第 4 机架最先开 始振动,轧机的振动以 4#机架为主,波及 3#、5#机架.

# 图 5 4 机架上工作辊 q上 q和入口张力 q下 q的时域信号压缩图

# 图 6 4 机架出口张力 q上 q和入口张力 q下 q的时域信号压缩图

6 结论
对带钢冷连轧机自激振动的生成和抑制从理论和实验两方面进行比较深入、 系统的研究,取得了如下研究成果. (1)结合宝钢 2030mm5 机架冷连轧机在高速轧制中存在的振动问题,以当 前现代高速冷连轧机普遍存在的振动故障为研究对象,经多次现场综合诊断测 试,揭示了轧机垂直振动是发生在辊缝处引起的自激振动,并发现振动事故发生 时振动频率是稳定的,相当于轧机的二阶固有频率. (2)以现场测试为基础,通过理论分析,提出带钢冷连轧机自激振动的生 成机理主要是工艺参数相互耦合形成能量输入的闭环系统. (3)揭示了轧机辊缝中的摩擦与润滑随轧制速度、压下率、乳化液浓度的 变化规律. 探明了轧机颤振现象同润滑乳化液性能之间存在着某种潜在关系── 乳化液的性能可以影响轧机系统的动态特性, 从而可以改变轧机出现颤振的临界 速度. 在一定条件下, 通过适当控制乳化液的浓度可以消除颤振并提高轧制速度, 解决了这个长期困扰生产的疑难问题. (4)提出了工艺润滑条件的控制指标及提高轧机稳定性的若干工艺参数和 设备结构的要求. (5)对轧机的电气、液压压下、计算机控制等系统也作了同步诊断测试, 排除了这 3 个系统对轧机自激振动形成的可能性. (6)揭示了轧机传动系统的频率成分和振型特征,排除了传动系统扭振对 垂直系统自激振动形成的影响. 作者简介: )男(汉族),江苏人,冷轧部涂镀分厂厂长, 作者简介:何汝迎(1963~ 高级工程师,(021)56648568-43429. 作者单位: 作者单位:何汝迎 岳海龙 宝山钢铁(集团)公司冷轧部 邹家祥 史小路 北京科技大学(100083) 上海 200941

参考文献 〔1〕Guo R M et al. Analysis of Chatter Vibration Phenomena of Rolling Mills Using finite Element Methods[J].Iron and Steel Engineer, 1993, 70(1): 29~39. 〔2〕Nessler G L et al. Identification of Chatter Sources in Cold Rolling

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