天鐵1 750 mm 軋機振動原因分析及改進

王小強

（天津天鐵冶金集團熱軋板有限公司，河北056404）

0 引言

天鐵1 750 mm 熱軋生產(chǎn)線共配置7 架精軋機組，軋機為四輥全液壓不可逆軋機，設(shè)計能力為F1-F4：42000 kN，輥徑范圍710～800 mm，F(xiàn)5-F7：35 000 kN ，輥徑范圍為630～700 mm。工作輥輥身長度為2 000 mm，每個機架的竄輥量為±125 mm。前4架采用拋物線負凸度軋輥，后3 架采用智能凸度輥型（Smart Crown）。產(chǎn)品大綱中厚度范圍為1.2～16 mm，寬度范圍為800～1 600 mm。在生產(chǎn)過程中，軋機在軋制較薄規(guī)格（如1 250 mm×2.0 mm）時，F(xiàn)2 或F3 軋機機架出現(xiàn)強烈振動，同時，軋機發(fā)出異常的振動噪聲，振動能量已波及到精軋操作室，使操作人員感到明顯的振感。

1 軋機振動分析

對機械系統(tǒng)而言，任何具有質(zhì)量和彈性的系統(tǒng)都可能發(fā)生振動。振動發(fā)生時，輕者使系統(tǒng)偏離正常工作狀態(tài)，既影響所加工產(chǎn)品的質(zhì)量，也會減少系統(tǒng)相關(guān)部件的設(shè)計壽命；重者可能使系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的毀壞。在實際生產(chǎn)過程中，F(xiàn)3 的傳動側(cè)HGC 缸由于振動過大，造成內(nèi)部的位移傳感器故障。

1.1 振動的分類

系統(tǒng)的振動可分為自由振動、強迫振動和自激振動3 種形式。

1.1.1 自由振動

所謂自由振動，是指在無外激勵或外激勵拆除后，系統(tǒng)依靠本身固有內(nèi)力作用發(fā)生的振動。視系統(tǒng)的質(zhì)量和剛度系數(shù)分布（即結(jié)構(gòu)）不同，系統(tǒng)可能以一個或多個頻率進行振動，振動頻率稱為系統(tǒng)的自然頻率。

1.1.2 強迫振動

所謂強迫振動，是指系統(tǒng)在外加激勵作用下系統(tǒng)產(chǎn)生的振動。在強迫振動系統(tǒng)中，如外加激勵以某一頻率變化，系統(tǒng)的振動頻率將與激勵的頻率一致（假設(shè)系統(tǒng)為線性系統(tǒng)），其振幅正比于激勵的振幅。如外加激勵的頻率與系統(tǒng)的某自然一致，則系統(tǒng)可能發(fā)生破壞性極大的共振。

1.1.3 自激振動

在反饋控制系統(tǒng)中，盡管外部激勵是恒定不變的，但如果反饋信號的幅-相特性滿足系統(tǒng)的正反饋條件，即1＋AF=0，系統(tǒng)就將產(chǎn)生自激振動，這是反饋系統(tǒng)最顯著特征之一。系統(tǒng)自激振動時，振動頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近，其振幅由小變大，最終使系統(tǒng)部件毀壞而停止振動，或受能量等因素限制使系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)的等幅振動。

由機械和電氣兩子系統(tǒng)共同組成的反饋控制系統(tǒng)是一種常見的生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備，系統(tǒng)中諸機械變量和電氣變量相互作用，相互制約，可構(gòu)成一個復(fù)雜的機電共振系統(tǒng)。實質(zhì)上，機電共振問題仍屬自激振動問題。

1.2 機電共振

以電能為動力的機械系統(tǒng)（如電機驅(qū)動的軋機主傳動系統(tǒng)），或不以電能為動力但其驅(qū)動力受電信號控制的其它機械系統(tǒng)（如軋機的壓下系統(tǒng)），都可能發(fā)生機電共振現(xiàn)象。

對以電能驅(qū)動的機電反饋系統(tǒng)而言，從機械系統(tǒng)的角度來看，電能是機械系統(tǒng)的外加動力激勵源，而機械系統(tǒng)是激勵的受體，如驅(qū)動電能的大小是振動的，且振動變化的能量足夠大，則機械系統(tǒng)就可能產(chǎn)生振動，其振動頻率等于外加激勵源頻率，即強迫振動；如外加激勵源由多頻率的基波和諧波組成，則機械系統(tǒng)就可能疊加更多頻率的振動；再者，如激勵源的某諧波頻率與機械系統(tǒng)的自然頻率一致時，就可能發(fā)生機電共振。

2 軋機振動分析

2.1 軋機系統(tǒng)構(gòu)成

精軋軋機Fi 主要由機械系統(tǒng)和電氣傳動控制系統(tǒng)組成，兩者共同構(gòu)成一個多輸入/多輸出、各軋機機械諸變量間、電氣諸變量間強耦合的機電反饋控制系統(tǒng)。

其中，機械系統(tǒng)主要分為電機驅(qū)動的軋機主傳動系統(tǒng)和伺服液壓缸驅(qū)動的軋機壓下系統(tǒng)。前者主要由電機、鏈接器、聯(lián)接軸、減速機和軋輥組成；后者主要由伺服壓下液壓缸、軸承座、支撐輥、工作輥和彎輥缸組成。

電氣控制系統(tǒng)主要由速度控制子系統(tǒng)和壓下/彎輥控制子系統(tǒng)組成。前者主要由傳動控制系統(tǒng)（ABB）、電機和VAI 速度控制程序等組成；后者主要由VAI 控制程序、壓下伺服液壓缸和彎輥缸組成。

軋機振動主要有軋機主傳動系統(tǒng)的扭振和軋機機架壓下系統(tǒng)的垂直振動兩種形式。

2.2 軋機的扭振

如上所述，扭振是針對軋機主傳動系統(tǒng)而言的。所謂扭振是指軋機主傳動系統(tǒng)在扭轉(zhuǎn)負載突變時，軸系質(zhì)量彈性系統(tǒng)在克服，或恢復(fù)軸系的扭轉(zhuǎn)形變過程中，軸上轉(zhuǎn)矩發(fā)生的不穩(wěn)定扭轉(zhuǎn)振動，其振動的頻率與軸系的固有頻率相當(dāng)。軸系的固有頻率與軸系的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)（常見四輥熱軋機的扭振固有頻率約為20 Hz 左右）。

軋機的扭振通常發(fā)生在咬鋼、拋鋼或軋鋼時軋輥打滑等狀態(tài)。由于軋機扭振時，其扭矩峰值可能遠大于正常的工作扭矩，使軸系產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)形變的幅度可能超過軸系材料的強度，進而造成聯(lián)軸器或聯(lián)接軸的毀壞。

當(dāng)軸系的負載突變時（如咬鋼或拋鋼），對穩(wěn)定的軸系控制系統(tǒng)來說，其扭振是衰減的，其軸上的轉(zhuǎn)矩會從前一個穩(wěn)態(tài)值經(jīng)一個或兩、三個振動周期就穩(wěn)定到新的穩(wěn)態(tài)值上（視控制器的性能和對系統(tǒng)的要求而定），但如果軋機主傳動的速度控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)頻率與軸系固有頻率一致時，就可能發(fā)生軋機的機電扭轉(zhuǎn)共振，此時應(yīng)修正控制器的參數(shù)或結(jié)構(gòu)，使其降低對軸系固有頻率分量的響應(yīng)，如對扭振頻率設(shè)置陷波器、降低系統(tǒng)放大系數(shù)等。

另外，當(dāng)軸系的負載周期變化時，如軋輥周期的間隙打滑或軋輥存在較大的偏心，如果軋輥打滑的頻率或偏心頻率與軸系固有頻率一致時，也可能發(fā)生軋機的機電扭轉(zhuǎn)共振。當(dāng)發(fā)生機電扭轉(zhuǎn)共振時，應(yīng)及時停車，否則可能對設(shè)備造成極大的破壞性。

2.3 軋機的垂直振動

垂直振動是針對軋機機架壓下系統(tǒng)而言的。所謂垂直振動，是指軋機機架壓下系統(tǒng)在帶鋼軋制過程中，輥系和機架質(zhì)量彈性系統(tǒng)克服，或恢復(fù)機架的彈性形變，在機架垂直方向發(fā)生的不穩(wěn)定振動。由于軋機機架壓下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可能存在多個固有振動頻率，故軋機發(fā)生垂直振動時，其振動頻率可能與其中一個固有頻率相同。

熱、冷連軋機的垂直振動是常見的現(xiàn)象，且多發(fā)生在高速或大壓下（軋制力和彎輥力大）時，即軋制薄而寬的帶鋼時就可能發(fā)生垂直振動。熱連軋機組的垂直振動往往發(fā)生在F2 或F3 機架。

世界許多工業(yè)發(fā)達國家對軋機的垂直振動進行過深入的研究，由于該問題的復(fù)雜性及起因太多，目前對誘發(fā)軋機垂直振動的原因存在多種觀點，尚無統(tǒng)一定論。有的認(rèn)為是工作輥與帶鋼打滑引起的；有的認(rèn)為是軸系的聯(lián)接軸制造間隙和安裝偏心引起的等。

而從現(xiàn)場實際情況進行分析，振動主要在軋機處于大壓下時發(fā)生，這時軋制力和彎輥力都較大，一方面系統(tǒng)的彈性變形加大，同時系統(tǒng)的彈性儲能也增大，此時，系統(tǒng)處于“緊張”狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)時，軋機的軋制力和彎輥力與機架系統(tǒng)的變形抗力相平衡，這時系統(tǒng)處于暫穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。而經(jīng)過一段軋制之后，隨著中間坯尾部的溫降，軋制力和彎輥力均開始變大，輥系開始變形，速度和張力也發(fā)生變化。這些變化因素使這個平衡系統(tǒng)受到擾動，其暫穩(wěn)態(tài)狀態(tài)就將被打破，系統(tǒng)就可能進入自激振動狀態(tài)。

2.4 對在線實際數(shù)據(jù)進行分析

（1）在軋制2.0×1 250 mm 帶鋼時，F(xiàn)3 發(fā)生顫振，此時F2、F3 的軋制力、彎輥力和轉(zhuǎn)矩IBA 曲線見圖1。

圖1 F2、F3 機架振動時軋制力、彎輥力和轉(zhuǎn)矩波形

（2）F3 顫振時F2-F3 的輥縫、活套角度和速度IBA 曲線見圖2。

從圖1 和圖2 中可知，F(xiàn)3 機架振動時，其軋制力為24908.8 kN，速度＞2.7 m/s，彎輥力約為2530.0 kN，但軋制力、轉(zhuǎn)矩和速度并未發(fā)生振蕩，F(xiàn)3 的輥縫均值也未發(fā)生大的波動。

2.5 軋機振動分析及參考結(jié)論

F3 振動時軋制力和彎輥力較大，機架系統(tǒng)產(chǎn)生了較大的變形抗力，再加上帶鋼速度或張力的波動等外界因素的影響，誘導(dǎo)了系統(tǒng)的自激振動，振動頻率較高。而軋機發(fā)生振動時，電機速度和轉(zhuǎn)矩并未發(fā)生振蕩,即未發(fā)生機電共振顫，因此振動應(yīng)該屬于機架機械系統(tǒng)自激振動

圖2 F3 顫振時F2-F3 的輥縫、活套角度和速度IBA 波形

表1 軋制2.0×1 250 mm 的負荷調(diào)整

3 具體改進方案

根據(jù)對數(shù)據(jù)進行分析而得到的最終結(jié)果，需要對負荷進行調(diào)整，以降低軋機的振動，因此對軋制2.0×1 250 mm 的負荷調(diào)整見表1。

通過調(diào)整，適當(dāng)降低了F2、F3 的負荷，增大了其他機架，特別是增大了F4 機架的負荷，效果明顯。在負荷修改之后，多次進行該規(guī)格帶鋼的軋制，在中間坯厚度和溫度制度不變的基礎(chǔ)上，沒有再次出現(xiàn)軋機振動的現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

軋機振動是普遍存在于各熱軋、冷軋廠，更多的原因是來自于傳動和機械設(shè)備本身的安裝精度等問題，但是通過精軋機組的負荷分配的調(diào)整確實能夠避免或者減輕軋機的振動。