軋機主傳動系統振動問題測試分析

徐麗霞，黃貞益

（1.安徽工業大學工程創新與實踐中心，安徽 馬鞍山 243002；2.安徽工業大學材料科學與工程學院，安徽 馬鞍山 243002）

軋機主傳動系統振動問題測試分析

徐麗霞1，黃貞益2

（1.安徽工業大學工程創新與實踐中心，安徽 馬鞍山 243002；2.安徽工業大學材料科學與工程學院，安徽 馬鞍山 243002）

針對南鋼2800mm中厚板軋機精軋機主傳動系統存在的振動現象，對主傳動軸、軸承座和軋輥平衡油缸的振動信號進行測試、小波消噪和處理分析，尋找板形和設備安全的影響因素。結果表明，主傳動軸上存在較高能量的頻率值，應通過合理控制軋機的轉速來防止共振和設備損壞；在0.1～1.5的中頻段，軋輥平衡油缸動態剛度減小、動態柔度增加，油缸壓力產生劇烈振動，影響板形和設備安全，可通過增加液壓缸剛度來解決。

振動；測試信號；小波；軋機；主傳動系統

1 引 言

軋機的主傳動系統是一個由若干慣性元件和彈性元件組成的“彈簧質量系統”，這個系統在突加載荷作用下，就會發生不穩定的振動[1]。這種振動現象中始終存在共振和拍的問題，并嚴重影響軋機工作性能，如何避免軋制過程中的共振和拍現象是軋機設計和操作中的一個重要問題[2-3]。現場測試是軋機研究的重要方法，是獲得軋機性能信息的重要手段[4]，在軋機軋制生產過程的振動分析中得到廣泛應用。小波分析方法更好地解決了測試信號的不平穩性問題，提高了現場測試分析的準確性[5-6]。

南鋼2 800mm中厚板軋機精軋機主傳動系統存在振動現象，并對正常生產產生了一定的影響。該文通過對現場實際信號的測試、消噪和分析，從主傳動軸扭振、主傳動軸軸承座振動和工作輥平衡油缸振動的測試入手，來分析影響板形和設備安全的因素及解決措施。

2 主傳動系統振動測試與分析

南鋼2 800mm中厚板軋機主傳動系統的振動測試分析主要考慮了主傳動軸、軸承座和軋輥平衡油缸。

2.1 主傳動軸扭振測試與分析

對于主傳動系統的扭振，主要研究其扭矩放大系數TAF，即發生扭振時，接軸上扭矩的最大值與其穩定值的比值。一般情況下，TAF不會超過2，但由于傳動部件的加工誤差或運行磨損等原因，傳動系統中有時會存在間隙，這種間隙在運行中的打開或閉合，使得沖擊加大，從而造成TAF增大，有時TAF會達到5～6，這樣就容易造成設備的破壞[7-8]。

2.1.1 測量方法及原理

在主傳動軸布置電阻應變傳感器，按一定的方式組成傳感器測量扭矩的微應變信號，并進行計算機記錄采樣，獲得工作時的扭矩變化。對計算機采集記錄的數據進行處理，可獲得各重要數據，以用來判斷各傳動系統的狀態。按文獻[9]所述方式在主傳動軸上布置應變片。

2.1.2 測試數據與分析

工作時，上、下傳動軸扭矩信號如圖1和圖2所示；空轉時，主傳動偏心信號如圖3所示。

（1）扭矩信號的常規分析。由圖1和圖2可以看出，上、下傳動軸扭矩信號基本同步，但上、下傳動軸的扭矩峰值與平均值并不完全一致。

圖1 上軸主傳動扭矩圖

圖2 下軸主傳動扭矩圖

圖3 主傳動偏心信號

在空轉時工作輥與支承輥之間靠摩擦力傳動，正常情況下該摩擦力變化不會太大，從而扭矩也應保持大小一致，近似為一條恒定值的直線。圖3表明，扭矩信號在不過鋼時也存在波動，下傳動軸尤為突出，上軸空轉信號的峰-峰值為40 kN·m，下軸空轉時信號的峰-峰值達到160kN·m，是上軸的4倍。因此，分析軋機主傳動系統存在質量偏心或位置偏心。

（2）扭矩信號的頻譜分析。在功率譜密度分析中，參數方法比不設參數的方法要好一些，尤其是在信號不夠長時。這些方法用不同的途徑逼近頻率估計，通常被稱為頻譜估計的AR方法。所有的AR方法可通過式（1）給出功率譜估計：

選擇Hyulear參數模型，在Matlab軟件中以相應的函數編寫處理程序，對精軋機主傳動上、下軸進行低頻和高頻段的功率譜密度分析。

截取上、下主傳動軸空轉扭矩信號分析其高頻頻譜，如圖4所示。在兩個傳動軸上有5處頻率能量較高：7Hz、24Hz、80Hz、100Hz、200Hz。其中，7Hz和24Hz屬于扭振的范圍，對軋機有較大的危害性；200Hz頻率能量較大，影響較大，應加以重視。根據以上結果軋機在軋制時應避免使用上述頻率的轉速，以防引起共振對設備造成損壞。

圖4 軋機主傳動軸扭矩信號高頻頻譜

圖5 軸承座水平方向振動信號頻譜

2.2 精軋機軸承座振動測試

對精軋機軸承座分別進行水平方向和垂直方向的振動測試，以分析軸承座振動給軋機主傳動系統帶來的影響。對軋機軸承座水平方向和垂直方向的振動信號分別進行測試和分析，得到水平方向和垂直方向的功率譜密度分布如圖5所示。

軸承座水平方向振動信號平穩，沒有時顯的尖峰突出，表明軋機軸承座與機架之間沒有明顯的碰撞現象，軸承座在水平方向運行平衡。軸承座垂直方向振動信號平穩，沒有時顯的尖峰突出，表明軋機軸承座沒有明顯的振動現象，信號功率譜密度圖的變化主要與軋制時液壓缸上下運動有關。

2.3 軋輥平衡油缸振動測試與分析

為了研究精軋機液壓平衡系統，從工作輥平衡油缸的工作壓力測試來分析平衡油缸所引起的振動。

在軋機正常軋制時測量精軋機工作輥平衡油缸的工作壓力，建立工作輥平衡油缸干擾通道的數學模型如式（2）：

圖6 工作輥平衡油缸的動態剛度曲線

圖7 工作輥平衡油缸的動態柔度曲線

其中，A、B、C為系數矩陣。

在Matlab環境下，根據式（2）計算油缸的動態剛度和動態柔度，評估工作輥液壓平衡系統的性能，計算的結果如圖6、圖7所示。

從圖6、圖7可以看出，精軋機工作輥液壓平衡系統的液壓缸，在0～0.1的低頻段，動態剛度為恒定值；在0.1～1.5的中頻段，動態剛度減小，動態柔度增加。所以，在軋機咬鋼時沖擊力作用在軋機上，產生一定頻率的干擾力，干擾頻率恰好在油缸動態剛度減小頻率段，油缸壓力產生較為劇烈的振動。這種振動是有害的，影響板形和設備安全，可通過增加液壓油缸的剛度（如增大活塞面積、增加油泵排量、改進蓄能器補油能力等）。

3 結束語

（1）主傳動軸上存在 7Hz、24Hz、80Hz、100Hz、200Hz 5個能量較高的頻率值，軋制時應避免使用上述頻率的轉速，以防引起共振對設備造成損壞。

（2）工作輥的平衡液壓缸，在0～0.1的低頻段，液壓缸動態剛度為恒定值；在0.1～1.5的中頻段，液壓缸動態剛度減小，動態柔度增加，導致軋機咬鋼時的沖擊力在軋機機構上產生一定頻率的干擾力，干擾的頻率恰好在油缸動態剛度減小頻率段，油缸壓力產生較為劇烈的振動，影響板形和設備安全，可通過增加液壓缸剛度來解決。

[1]王章海，王德俊.打滑狀態下軋機主傳動系統的動態特性[J].東北大學學報：自然科學版，1998，19（5）：520-523.

[2]林 鶴，鄒家祥，岳海龍.四輥冷軋機第三倍頻程顫振[J].鋼鐵，1999，34（S1）：56-59.

[3]王長松，孫民生，袁 希.寬帶鋼冷軋機顫振仿真與分析[J].北京科技大學學報，1994，16（S2）：57-66.

[4]Rath G.Model based thickness control of the cold strip rolling process[D].Austria：University of Leoben，2000.

[5]李建平，唐遠炎.小波分析方法的應用[M].重慶：重慶大學出版社，2001.

[6]飛思科技產品研發中心.小波分析理論與Matlab7實現[M].北京：電子工業出版社，2005.

[7]Thomas C W.Torque amplification and torsional vibration in large reversingmill drives[J].Iron and Steel Engineer，1969（5）：55-59.

[8]黃培文，劉蘊予.1700帶鋼冷連軋機主傳動系統扭振研究[J].重型機械，1995（6）：9-15.

[9]朱德芳，張育生，曾華星，等.軋機傳動系統在急劇振動時扭矩值的測量和分析[J].鋼鐵，1999，34（7）：62-65.

Vibration test and analysis on main driving system of rolling mill

XU Li-xia1，HUANG Zhen-yi2
（1.Center of Engineering and Innovation，Anhui University of Technology，Maanshan 243002，China；2.School of Materials Science and Engineering，Anhui University of Technology，Maanshan 243002，China）

vibration；signal measured；wavelet；rolling mill；main driving system

TG333.15；TB534+.2

A

1674-5124（2011）01-0021-03

The vibration signals in the main driving shafts，the bearing seats and the roll balance cylinders have been measured，denoised and analyzed for the main driving system in the finishing rolling mill.In order to avoid the mill resonance and the device damaged，the rolling frequency of the roll should not be in accordance with the frequencies in higher energy values occurred in the main driving shafts.In middle-frequency 0.1～1.5， severe vibration due to the cylinder pressure is harmful to the plate shape and the device safety，which should be eliminated by increasing the stiffness of the cylinder.

2010-08-07；

2010-10-10

徐麗霞（1977-），女，遼寧撫順市人，工程師，主要從事機械電子工程研究。