冷軋鍍鋅光整機帶鋼表面振紋問題的模態分析

宋龍朝，李 鑫，張永國，趙日銀

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司冷軋作業部，河北唐山 063200）

0 引言

鍍鋅線生產中，光整機起到壓平帶鋼作用，能夠使鋅層更好的粘附到帶鋼上，且可以改善帶鋼表面質量。西門子奧鋼聯冷軋2230 鍍鋅光整機出現振紋缺陷，本文根據模態分析的理論方法，找出振紋產生的原因。

1 帶鋼振紋問題

經光整機軋制后，帶鋼表面產生明暗相間的條紋，條紋方向與帶鋼運動方向垂直。帶鋼表面振紋有以下特性。

（1）振紋間距基本固定，平均間距大概為10～20 mm；

（2）穩態軋制時軋制速度基本在125 m/min 左右；

（3）帶鋼出軋機后，通過肉眼觀察很難直接看到振紋，需通過油石打磨后才能隱約看到明暗相間的振紋（圖1）。

實際振紋頻率滿足以下關系式：f=（1000/60）（v/λ），其中，f 為振痕頻率，Hz；v 為光整速度，m/min；λ 為振痕間距，mm。本次測試軋制速度基本穩定在125 m/min，實測振紋間距近似為15～20 mm，可以計算計算得到引起振紋的振源每秒鐘振動的次數（振動頻率）為125×1000/60/（15～20）≈104～138 Hz。

2 系統模態分析

為進一步確認引起工作輥、支撐輥與防皺輥振動的原因，對3 個輥子的固有頻率進行分析計算。將上支撐輥及其軸承座視為單個質量m，上方的壓下螺桿往下壓，下方相當于軋輥之間彈性接觸的3 根彈簧串聯起來向上壓，簡化模型如圖2所示。即把支撐輥的振動簡化為單自由度的彈簧——質量系統。

對于這樣的系統，其自由振動微分方程是:

這種振動的固有頻率為:

圖2 支撐輥的振動簡化系統

因此，對于簡化的支撐輥單自由度彈簧——質量系統，可用等效剛度K 來計算固有頻率，其等效剛度K 為:

式中 K2——壓下系統剛度

K3——上支撐輥與上工作輥間接觸剛度

K4——上、下支撐輥間接觸剛度

K5——下工作輥與下支撐輥間接觸剛度

K2～K5直接通過計算比較麻煩，對于一般四輥軋機，考慮其尺寸比例，可以進行簡化計算，設支撐輥輥徑為D0，則帶入式（2）可以得到

同理，也可以將工作輥假設為單自由度的彈簧——質量系統。由于一般工作輥垂直振動頻率較高，可以認為支撐輥在其位置上是相對穩定，因此工作輥構成系統的質量。支撐輥與工作輥的固有頻率見表1。由于上下輥相同，可用其中一個來建模，如圖3 所示。設工作輥輥徑為，應用類似支撐輥的求解辦法可以得到工作輥的固有頻率為

對于防皺輥，其固有頻率計算可以看做是一個兩端簡支的軸，其固有頻率可以根據下式計算

式中 k——防皺輥剛度

f——固有頻率

D——防皺輥等效直徑

l——防皺輥兩簡支點距離

m——防皺輥質量

防皺輥結構為芯軸加套筒結構，對于套筒部分，其簡支點為套筒與芯軸之間軸承寬度的中點，根據圖紙可知近似長度為2100 mm。套筒的外徑與內徑近似為300 mm 與240 mm，其等效直徑為263 mm（根據慣性矩計算公式可得），套筒質量為493 kg，將其代入式（6）可得防皺輥套筒的固定頻率為114 Hz。

如果將套筒與芯軸綜合考慮，其簡支點為長度為2400 mm，總重量為734 kg，其等效直徑為264 mm，將其代入式（6）可得防皺輥整體的固定頻率為77 Hz。

圖3 工作輥的振動簡化系統

表1 支撐輥與工作輥的固有頻率

通過上述計算可知，工作輥與支撐輥的固有頻率遠大于與振紋間距相對應的頻率范圍100～140 Hz，防皺輥套筒的固有頻率剛好處于100～140 Hz。為改變其固有頻率，可以適當改變其結構（如減輕其重量等）。

3 結論

根據模態分析原理和方法，可以初步判斷引起光整機振紋產生的原因，為問題解決提供理論依據。