CSP軋機振動問題研究

蔣鳳群

【摘 要】CSP軋機具有4種振動形式，它們分別是軋制界面自激振動引起的固有頻率振動、驅動端引起的強迫振動、齒輪座嚙合引起的強迫振動、輥面振紋引起的振紋振動。CSP軋機存在振動問題，不僅影響了軋件質量，阻礙新產品的開發，而且給設備的安全生產造成隱患。解決CSP軋機振動問題的意義重大。

【關鍵詞】CSP軋機；振動管理；振源分析

1.軋機現場測試

某CSP熱連軋生產線由7架精軋機組成，將70mm左右厚度的連鑄板坯軋制成12.7～0.8mm的板材，其中F1、F2為高鉻鋼工作輥，直徑為950～820mm，F3、F4為高鉻鑄鐵工作輥，直徑為750～660mm。采用厚規格燙輥制度，輥役周期內先軋制較厚的3.5mm鋼板，然后軋制厚度為3.0，2.7和2.5mm的過渡鋼板，最后軋制厚度為2mm、1.6mm、1.5mm、1.3mm、1.2mm的薄規格鋼板。長期的跟蹤監測發現，軋機振動與軋件厚度有關，軋制厚度小于2mm的集裝箱板時，軋機開始振動。軋機振動還與軋制歷程有關，隨著軋制薄規格鋼板噸位的增加，軋機振動加劇。其中，F2和F3振動最為劇烈，且軋機出口的軋件表面有振紋，軋輥表面也經常有振紋出現。為了掌握軋機的振動規律，進行了現場測試。

1.1測試方法

現場應用16通道CRAS分別采集F2和F3的多點振動信號。預測試的結果表明軋機為低頻振動，振動頻率主要集中在200Hz以下，故采樣頻率定為512Hz。為了降低軋制歷程對測試結果的影響，測試的輥役周期內加入了2次厚度回調過程，即有3次3.5mm～1.2mm的軋制過程。連軋過程中，前架軋機振動在軋件表面留下的振紋會因后架軋機的軋制而碾沒，所以，采取急停軋制的方法令軋制過程強行中斷，從而能夠采集機架出口側軋件表面的振紋。

1.2軋機振動測試

測試發現，主傳動系統的扭振信號包含了軋制力波動以及其他測點的加速度信號的優勢頻率成分，故以扭振信號作重點分析。為了減小軋制噸位的影響，僅統計前兩次厚度回調的軋制過程，以扭振信號標準差表征其振動強度。F3與F2振動情況非常相似，總結它們的振動特征如下：（1）振動信號點集具有較強的線性關系，與轉頻的倍數關系穩定。（2）振動形式對軋件厚度最為敏感，軋制薄規格軋件時的軋機振動強度明顯增強。（3）工作輥軸承座可表現出與扭振相同的振動頻率成分。（4）支撐輥軸承座、機架、齒輪座、減速機的振動頻率，以及軋制力波動頻率也有上面描述的特點，但振幅相對于工作輥軸承座的振動要小很多，且出現多種振動形式的耦合振動。

1.3軋件表面的振紋測試

軋制薄規格集裝箱板時，軋件上下表面會出現與軋輥軸平行、間距相等、鋼板通寬的明暗相間橫向振紋，工作輥上亦偶見有振紋出現。在現場測試中，急停軋制采集到了F2和F3機架出口側軋件表面振紋，F2出口側軋件表面振紋間距為104.7mm，F3出口側振紋間距為52.5mm。

2.軋機振動振源分析

軋機振動被分成4類振動形式，結合軋機固有特性及潛在致振頻率分析這4類振動形式。

第1類振動形式P2n和P3n中的振動頻率與軋輥轉頻無關，F2的頻率為18.97Hz，F3的頻率為19.52Hz。該頻率與軋機的一階扭振固有頻率21Hz十分接近，可確定此類形式是固有頻率振動，動力學模型中剛度偏大造成了理論計算值與實際測試值存在一定的差異。系統中并無此頻率成分的激勵源存在，且在軋制薄規格時，此頻率成分表現出較強的扭振和軸承座振動耦合振動。由于軋制薄規格軋件時，軋制速度、軋制力等軋制參數和條件的變化而致使軋制界面上的負阻尼效應的作用加強，在軋制界面上發生自激振動。自激振動結果就是軋機主傳動系統以一階扭振固有頻率振動，且軋輥水平振動在軋制界面上與扭振耦合。負阻尼引起的自激振動可通過改進軋制界面上的軋制潤滑狀態，以及軋輥材質、軋輥表面摩擦特性等手段予以改善或避免。

第2類振動形式中，F2和F3分別出現39.48f2n和24.94f3n基頻成分，以及此基頻的×2，×3，…倍頻成分振動。軋制厚度的變化對此振動形式的振動強度影響不大，不是軋機振動嚴重的原因。由此可基本肯定，F2和F3的第2類振動形式具有形同的振源，位于軋機的驅動端，此類振動對軋機的影響不大。

第3類振動形式的基頻與軋機齒輪座輪齒嚙合頻率（簡稱齒輪座嚙合頻率）23倍轉頻幾乎相等，且2倍頻也是46左右，所以，該振動類型為齒輪座嚙合引起的軋機系統強迫振動。以F3為例分析此類振動的幅值和響應特性。齒輪座嚙合頻率基頻成分集中于22～25Hz之間，由其振動幅值譜峰值與振動頻率的關系可以看出，幅值譜峰值隨振動頻率的增加而減小。由此可知，在齒輪座嚙合基頻頻率激勵下，軋機系統的響應隨著激勵頻率遠離固有頻率21Hz而減小。此類振動為典型的強迫振動。因客觀條件限制，通過改變軋機結構來改變其固有頻率以避開嚙合頻率是十分困難的，而降低齒輪座的嚙合沖擊水平相對容易，這就應保證零件的加工精度，以及軸對安裝時的精度，并且定期檢查齒側間隙，從而減小齒輪誤差激勵和嚙合沖擊激勵的作用。

在第4類振動形式P2M和P3M中，F2和F3振動頻率分別為各自軋輥轉頻的25.3倍和42.4倍?，F場測試得到的F2和F3出口側軋件表面振紋間距分別為104.7mm和52.5mm?？梢钥隙ǖ?類振動形式P2M和P3M與振紋有關。分析發現，振紋振動頻率成分的幅值大小隨著軋輥的轉動而周期性變化，且隨著軋制噸位的增加而增強，這兩個規律在F2機架表現的尤為明顯。隨著軋制噸位的增加，轉動周期內振紋振動所占比例有增加的趨勢，振紋振動幅值譜峰值亦增加明顯，這是由于軋制過程中工作輥輥面振紋不斷擴展和加深造成的。因為軋輥輥面振紋隨軋制噸位增加而加深，惡化了軋制界面；惡化的軋制界面又引起更加劇烈的振動，進而進一步使輥面振紋加深，形成“振紋-振動”互相影響并彼此加強的正反饋過程，這也是振紋振動成分對軋機振動強度影響最為嚴重的原因。抑制振紋振動的措施主要是通過改變軋制界面的接觸和潤滑條件來加以解決。

通過以上分析和研究，找出了CSP軋機振動的原因：軋制界面自激振動和輥面振紋引起的振紋振動是軋機振動的振源，尤其是后者，使軋機振動隨軋制噸位的增加而加劇。通過對比試驗發現，使用高速鋼軋輥來代替高鉻鑄鐵軋輥可以起到很好的抑制效果，消除了軋件和輥面振紋，且使振動水平大大降低，在軋制2mm集裝箱板時振動幅值降低了80%，文獻給出了具體的對比試驗數據。

3.結論

CSP軋機振動最為嚴重的F2和F3機架具有類似的振動規律，相同的致振原因。CSP軋機有4種振動類型，分別是驅動端引起的振動、齒輪座嚙合頻率振動、扭振固有頻率振動和振紋振動。后兩種振動類型在軋機振動嚴重時表現的最為明顯。軋制界面自激振動和輥面惡化是軋機振動的主要原因，由此引起了軋機扭振、水平振動、垂振等多種振動形式的耦合振動，致使軋機在軋制薄規格鋼板時出現劇烈的振動，且振動強度隨軋制噸位增加而增強。高速鋼軋輥可起到很好的抑制CSP軋機振動的效果。 [科]

【參考文獻】

[1]范小彬，臧勇，王永濤，廖一凡，黃志堅.CSP軋機界面摩擦特性及軋機振動試驗研究[J].潤滑與密封，2006（10）.

[2]楊俊，吳迪平，秦勤，臧勇.CSP熱連軋機振動性質的確定[J].冶金設備，2006（01）.