熱連軋機輥系側向水平振動研究

吳索團

(上海梅山鋼鐵股份有限公司熱軋板廠 江蘇南京 210039)

1 前言

某廠1780熱連軋生產線自2012年4月份開始運行，精軋機前段軋機機架在軋制薄規格帶鋼時出現了嚴重的水平振動現象，特別是F2和F3軋機的輥系振動尤為明顯，經測量其工作輥軸承座處的加速度有效值最高達到2.5g，振動中心頻率為35-80Hz和倍頻。熱連軋機強烈的振動導致工作輥和帶鋼表面產生較為明顯的振紋，嚴重影響帶鋼的表面質量和軋輥在線使用壽命，成為企業亟待解決的難題[1-3]。

2 輥系振動遙測系統及信號分析

為摸清軋機輥系振動的現象及規律，針對容易起振的帶鋼規格和材質進行了工作輥輥系振動加速度在線遙測。將三維振動加速度遙測傳感器(圖1)的磁座吸附在工作輥軸承座上，當被測點振動時，傳感器加速度信號調制載波后向空間發射，經空間傳播后，由插在筆記本USB口的基站(圖2)接收信號，經解調還原成振動加速度信號。筆記本完成信號采集、顯示、存儲和分析。

圖1 無線振動加速度傳感器

圖2 遙測加速度信號接收及采集系統

熱連軋機軋制材質為0.2mm厚B480GNQR的成品帶鋼時,F3軋機出現嚴重的振動現象。上工作輥軸承座垂直和水平方向加速度波形及頻譜如圖11a)所示。從圖中可看出：當F3軋機發生振動時，水平振動能量大于垂直振動能量，振動中心頻率為72.3Hz和倍頻144.6Hz，此時軋機輥系發出較大的轟鳴聲，工作輥水平方向上的振動導致入出口導衛機構振動明顯，加劇了機構的磨損。嚴重影響軋機的正常生產。

3 軋機振動諧響應仿真研究

為了更清楚地了解軋機振動的動力學行為，采用ANSYS諧響應模塊對軋機振動進行仿真研究，依據CAD圖紙建立有限元模型。仿真研究的基本出發點是在軋機主傳動電機和液壓壓下缸位置施加激勵源(圖3)，求解輥系振動響應以獲得振動的幅頻特性[4-5]。

3.1 僅在扭振作用下的軋輥振動仿真研究

在電機輸出軸上施加扭振信號，其大小按照實際軋制過程中扭矩的大小來確定，并將扭振簡化成恒定扭矩加上諧波扭矩，其表達式為：

T=T1+T0sin(2πft)(1)

式中：T1—恒定扭矩，取T1=2.0×102kN·m；

T0—激振扭矩波動幅值，取T1的5%，T0=10kN·m；

f—振動頻率，Hz。

改變激振頻率使之在15-140Hz之間變化，觀察軋輥位移和加速度變化情況，其諧響應曲線如圖4所示。從圖中可以看出，僅在扭振作用下,工作輥振動頻率約為70Hz時出現最大振動位移和振動加速度。

圖4 僅在扭振激勵下上工作輥的位移和振動加速度響應

3.2 僅在軋制力作用下的軋輥振動仿真研究

軋制力按照實際軋制過程中軋制力的大小來確定，即在上支承輥軸承座上施加軋制力，并將軋制力簡化成恒定壓力加上諧波壓力[6-7]，其表達式為：

F=F1+F0sin(2πft)

(2)

式中：F1—恒定軋制力，取F1=1.1×104kN；

F0—激振力(諧波壓力)波動幅值，F0取F的5%，即F0=5.5×102kN；

f—振動頻率。

改變軋制力激振使之頻率在5～140Hz之間變化，觀察工作輥的振動位移情況，諧響應曲線如圖5所示。由圖5可看出，在70Hz出現最大值。

圖5 僅在軋制力激勵下上工作輥的位移和振動加速度響應

3.3 在扭振和軋制力共同作用下軋輥振動仿真研究

將扭振和軋制力同時加在軋機上[9-11]，觀察軋輥振動隨激振頻率的變化如圖6所示。由圖可知，在70Hz出現最大值。

圖6 工作輥兩個激勵源不同激勵頻率下位移加速度響應

綜上所述，仿真結果表明：

(1)僅在扭振激勵下工作輥的水平振動位移最大幅值約為5.9E-8m，最大水平振動加速度幅值約為1.7E-5m/s2；工作輥的垂直振動位移最大幅值約為4.0E-8m，最大垂直振動加速度幅值約為1.0E-5m/s2；

(2)在只有軋制力作用下，工作輥的水平振動位移最大幅值約為7.4E-4m，最大水平振動加速度幅值約為4m/s2；工作輥的垂直振動位移最大幅值約為5.2E-4m；最大垂直振動加速度幅值約為2.2m/s2。

(3)在扭振和軋制力共同作用下，工軋輥振動加速度和位移值與僅軋制力作用下的值很相近，說明該軋機的軋制力對振動影響要遠遠大于扭振對振動的影響。

4 軋機振動抑制仿真研究

該軋機上下支承輥軸承座入口側和出口側經改造分別由從牌坊伸出的4個液壓缸將4個軸承座水平頂緊，以消除支承輥軸承座和工作輥軸承座與牌坊之間的間隙。為了確定側向液壓缸壓力變化對振動的影響，在計算機仿真模擬中，把液壓缸壓力加在工作輥軸承座與支承輥軸承座上如圖3所示。

為了探究軋機在振動最激烈情況下側向壓力對振動的影響，對軋機系統同時施加軋制力和扭矩，取振動頻率70Hz，工作輥振動最激烈情況下的振動加速度響應曲線如圖7所示。

圖7 工作輥振動最激烈時加速度曲線

在此工況下施加不同的側向壓力(表1)觀察軋輥的振動情況。

表1 側向力加載工況

分別求解得出工作輥的水平加速度響應曲線如圖8和圖9所示。

圖8 低壓下工作輥振動加速度響應曲線

圖9 高壓下工作輥振動加速度響應曲線

依據仿真結果，對數據進行統計。對軸承座無側向力、低壓側向力和高壓側向力三種工況的仿真結果比較如圖10所示。

圖10 三種工況振動加速度比較

從圖中可以看出，當增大側向壓力后水平振動加速度幅值降低了80%左右。說明適當提高側向壓力可以有效緩解軋機輥系的振動狀態，即增加工作輥軸承座和支承輥軸承座側向壓力可有效減小軋機垂直振動和與水平振動的幅值。為了驗證仿真結果，按照表1對輥系施加了高壓側向力，實施前后現場軋機振動情況如圖11所示。

從現場觀察和測試信號來看，振動噪聲顯著降低。即軋機發生振動后，適當提高軋機側向液壓油缸的壓力可以明顯地抑制振動。

圖11 提高側向壓力后軋機振動情況

5 抑制水平振動的可能措施

基于以上的仿真研究結果，在生產現場可以通過一下方法來抑制軋機水平振動的能量。

(1)適當增大工作輥與支承輥中心線的偏移量

在熱軋機輥系的設計上，為增加輥系的穩定性，常規設計原則是工作輥與支承輥的中心線在垂直方向上有一定的偏移量，即支撐輥及其軸承座處于牌坊窗口的中心，而工作輥及其軸承座則偏向軋機出口方向。此設計使得在軋制力作用下，工作輥獲得了一個指向軋制方向的水平分離，使得輥系在整個軋制過程中處于穩定狀態。

根據四輥軋機的輥系受力關系，對于工作輥傳動的四輥軋機來說，由于輥系偏移量的存在，軋制力與工作輥在水平方向上的分力存在一定的關系，即偏移量越大，工作軸承座在受到的水平方向的分力越大，輥系的穩定性相應增大[11]

(2)增加水平方向上的穩定油缸

既然增大水平側向力后水平振動會得到較為明顯的抑制，那么在工作輥軸承座處加裝一個水平方向上的油缸，通過伺服控制要調節油缸的出力，提高工作輥水平方向的穩定性以抑制水平振動。這一措施已在一些產線上得到印證。

6 結論

軋機振動是影響軋制高質量帶鋼產品的障礙，也是造成軋機零部件損壞的一個重要因素。仿真結果表明，當加大輥系軸承座水平約束力時振動得到顯著的抑制。將此結論應用到某熱連軋機輥系上，實測結果表明軋機振動得到十分有效的抑制。