熱軋帶鋼精軋機軋制穩定裝置研究

高 朋

(中冶東方秦皇島研究設計院，河北 秦皇島 066004)

1 前言

穩定軋制即軋件咬入時頭部在上、下方向上無上翹、下扣和疊板現象發生，在軋制過程中整個軋件保持橫向穩定、不產生左右跑偏、條形平直，末階段無甩尾等現象［1-2］。影響軋制穩定性的主要因素有［3］:精軋機組各機架輥系裝配精度;精軋機組各機架入口側導衛精度;精軋機組活套動作與板形變化;坯料溫度的波動與板形變化。

由于磨損普通四輥軋機機架立柱和軋輥軸承座之間的間隙隨著時間的推移而不斷增加。間隙的存在導致機架的橫向剛度降低，咬鋼瞬間產生巨大的水平沖擊和振動。穩定油缸一方面可以消除立柱與軸承座之間的間隙、顯著地降低工作輥的水平沖擊，一方面增加了立柱與軸承座之間的干摩擦，對軋機工作機座的垂直振動也有抑制效果。軋制時需要不同的穩定油缸壓力來產生不同的使用效果。過大的穩定油缸壓力會對AGC系統產生一定時間的延遲，甚至出現漏油現象，縮短了油缸壽命，過小則起不到應有的作用，所以有必要對穩定油缸壓力的選擇進行研究。

2 穩定裝置對軋制過程影響程度分析

普通四輥軋機為了便于換輥，工作輥軸承座和支承輥軸承座與牌坊內側襯板存有間隙，在軋機生產一段時間后，機架窗口襯板和軸承座會有磨損，引起軸承座與機架窗口間隙超標，使支承輥中心線與工作輥中心線發生偏移，破壞了輥系的穩定，造成軋輥呈空間交叉狀態、帶鋼軋制嚴重不穩、板形差和軋輥軸向竄動，帶來一系列不良后果，不利于帶鋼的穩定軋制。為此，必須定期對磨損嚴重超標的襯板進行更換，保證機架窗口尺寸符合標準。對于磨損嚴重的軸承座要進行修復或更換。保持工作輥穩定的方法是使工作輥中心線相對支承輥中心線有一個偏移距離(5～10 mm)［4］，應為工作輥向出口側偏移。這樣有利于消除軸承座與機架窗口間間隙過大的不利因素，實現工作輥和支承輥水平方向上的穩定，保證軋機輥系穩定，保證輥縫穩定和軋輥不交叉，從而實現帶鋼的穩定軋制。

2.1 穩定油缸對水平方向剛度的影響

理論分析和實驗觀察認為軸承座與立柱之間的間隙是咬鋼時產生水平沖擊力以及工作輥發生水平方向振動的原因之一［5］。消除此間隙可以降低水平沖擊力以及工作輥的水平振動幅度。穩定油缸主要目的就是提高軋輥水平方向動剛度，以提高軋輥的防振動能力和軋制的穩定性。機械結構的抗振能力取決于它的動態特性，動剛度是衡量機械結構抗振能力的常用指標，動剛度越大表示機械結構在一定激振作用下產生的振幅越小，其抗振能力越好。將某PC軋機機座水平系統簡化分析如圖1所示。

圖1 PC軋機水平方向振動分析圖Fig.1 Analysis of vibration in horizontal direction for PC rolling mill

圖1中M11為牌坊等效質量;K11為牌坊等效剛度;K22為交叉頭等效剛度;Fj為激振力;KD1為出口側牌坊動剛度;KD2為交叉頭動剛度;KD3為液壓缸動剛度;KD4為入口側牌坊動剛度。

軋機在水平方向上的總剛度為

由于KD1、KD2、KD4的取值在設計時由機械結構和材料已經決定，很難改變，提高KD3的值是能夠實現和可行的。動剛度與靜剛度的關系式為

式中，KJ為靜剛度;λ為頻率比;ξ為阻尼比。

從式(1)可以看出，提高動剛度可以從提高靜剛度、增加機械結構的阻尼和調整頻率比三方面入手。后兩方面設計因素較多，甚至需要機械結構的改動，成本較高。對于穩定油缸，其液壓靜剛度可表示為［6］

式中，Ev為體積彈性模數;A1、A2為液壓缸大端和小端活塞面積;VL1、VL2為閥與缸的某一側之間液壓管路中的液壓油體積;V1、V2為液壓缸大端和小端液壓油體積。其中Ev值在工作中波動較大，范圍為(5000～14000)×105N/m2，其主要取決于溶解于液壓油中氣體含量的多少和工作壓力的高低。當氣體含量少，壓力高時，值就大。VL1和VL2幾乎保持恒定，V1和V2隨著活塞相對行程變化而變化，液壓缸的剛度也將隨之變化。在一定范圍內，隨著大端油柱高度的增高，液壓缸靜剛度系數降低，相應的動剛度系數也降低。

由以上分析可以得出:①穩定油缸的應用可以有效的增加軋機水平方向動剛度;②對于PC軋機，交叉角越小(相應穩定油缸行程越短)，油壓越大，其水平動剛度越大，越有利于軋制過程穩定。

2.2 穩定油缸對垂直方向剛度的影響

在軋制過程中，穩定油缸緊緊壓靠在軋輥軸承座上，隨著軋件厚度、軋輥偏心、溫度不均等造成的波動，軋輥軸承座與穩定油缸產生相對運動或相對運動趨勢，必將在垂直方向上產生摩擦力。這對于軋機垂直振動系統來說，相當于增加了干摩擦阻尼，對彎輥效果及軋制力會產生干擾。為了便于理論分析，同時盡可能使計算值接近實際值，將軋機工作機座垂直振動系統簡化為非對稱六自由度彈簧質量阻尼模型。

根據機械振動理論，可列出該振動系統矩陣形式的運動微分方程為

式中，M為軋機等效質量;K、C分別為軋機的等效剛度和阻尼。

為方便計算，假設系統無阻尼。按照能量守恒的原則，對于一個沒有能量耗散的系統，在任何時刻機械能保持恒定，即此系統產生振動時的最大動能等于它的最大勢能。根據此原則可計算出系統各單元的等效剛度和等效質量。根據某廠F3軋機的機構參數，得出該振動系統等效剛度和等效質量，見表1和表2。

表1 某廠精軋機計算等效剛度Table 1 Calculation for equivalent stiffness of a finishing rolling mill 10 MN/mm

表2 某鋼廠精軋計算等效質量Table 2 Calculation for equivalent mass of a finishing rolling mill 1000kg

采用matlab/simulink進行仿真，穩定油缸與軸承座之間的摩擦系數取0.1。仿真開始時給上工作輥一個大小為1000 kN的脈沖激勵，得到穩定油缸不同壓力選擇時的位移時間曲線，圖2為軋機垂直振動仿真，其中橫坐標單位均為s，縱坐標單位均為m，曲線1～6對應的是M1～M6的垂直振動曲線。

圖2 穩定油缸不同壓力時系統垂直振動曲線Fig.2 Vertical vibration of rolling mill at different pressure of stabilizing oil cylinder

由仿真結果可知:

(1)增加穩定油缸壓力可有效減小軋機垂直振動幅度;

(2)增加工作輥穩定油缸壓力比增加支承輥穩定油缸壓力的防振效果明顯;

(3)增加上輥系穩定油缸壓力比增加下輥系穩定油缸壓力的防振效果明顯。

3 結論

(1)穩定油缸的應用能夠有效減少軋機沖擊振動，增強軋制穩定性。

(2)隨著穩定油缸壓力的增大，其穩定效果進一步提高。

(3)上輥系尤其是上工作輥穩定油缸壓力的提高，其穩定效果更明顯。

(4)PC軋機隨著交叉角、軋制速度、軋制壓力的增大和帶鋼厚度的減小，應提高相應穩定油缸壓力。

［1］ 錢江．中板軋制橫向穩定性探討［J］．南鋼科技，2003(3):4－6．

［2］ 魏大路．熱軋寬帶鋼精軋機軋制穩定性的探討［J］．軋鋼，1995(4):24－26．

［3］ 郭合義，趙蘭英．薄帶鋼軋制穩定性的影響因素與分析［J］．山西冶金，2000(3):18－19．

［4］ 曹鴻德．塑性變形力學基礎與軋制原理［M］．北京:機械工業出版社，1981:259－260．

［5］ 馬維金．軋機自激振動診斷與結構動力學修改［D］．太原:太原理工大學，2006:10－11．

［6］ 戴云飛．液壓缸液壓剛度的計算［J］．有色金屬設計，1999，26(1):61－63．