带钢冷轧机振动问题的研究进展及评述

第19卷第10期2007年10月

钢铁研究学报

Jo urnal o f Iro n and Steel Resear ch

Vo l.19,N o.10October 2007

基金项目:国家自然科学基金资助项目(59835170)

作者简介:侯福祥(1976-),男,博士生; E -mail:houfuxiang@; 修订日期:2007-03-11

带钢冷轧机振动问题的研究进展及评述

侯福祥, 张 杰, 曹建国, 史小路

(北京科技大学机械工程学院,北京100083)

摘 要:概要回顾了带钢冷轧机振动研究的历程,归纳了轧机上出现的各种振动形式,如轧辊的垂直振动、水平振动、轴向串动,带钢的横向和纵向振动,主传动系统的扭转振动和轴向振动等,重点论述了轧机自激振动现象,讨论了影响轧机自激振动发生的因素、相关的研究方法及研究成果,总结了轧机振动控制措施,分析了目前研究中存在的问题与不足,提出了进一步研究的重点和方向。关键词:冷轧机;颤振;回顾;展望

中图分类号:T G333 文献标识码:A 文章编号:1001-0963(2007)10-0006-06

Review of Chatter Studies in Cold Rolling

H OU Fu -x iang, ZH ANG Jie, CAO Jian -g uo, SH I Xiao -lu

(Schoo l of M echanical Engineer ing ,U niversit y of Science and T echno log y Beijing ,Beijing 100083,China)Abstract:T he path of studies o n chatter in co ld r olling process is reviewed.T he kinds o f vibr atio n,the v ertical,hor izontal and axial vibr ation of ro lls,the lo ng itudina l and t ransv ersal v ibratio n of strip,t he tor sional and ax ial v-i bratio n o f main dr iv ing system are g iv en.T he main influencing facto rs about chatter as well as resea rch metho ds and contr ol measur es concerning chatter and achievements obtained in this domain ar e summar ized.T he directio n of fur ther investig atio n is g iv en o n the basis of analy zing the disadvantages of curr ent resea rch.Key words:cold str ip mill;chatter;rev iew;prospect

轧机振动是困扰钢铁产业界多年、给生产带来严重影响与危害的技术难题。轧机存在多种形式的振动现象,其振动特点和发生原因也各不相同。根据振动产生机理,可分为强迫振动和自激振动,由于强迫振动容易识别和消除,已经不是研究重点,当前对轧机自激振动的研究主要集中在扭转振动、三倍频程颤振和五倍频程颤振方面。

关于轧机振动问题的研究涉及轧机的各个部件的各种振动形式,如轧辊的垂直振动[1,2]、水平振动[3]、轴向串动[4]、带钢的横向和纵向[5]振动、主传动系统的扭转振动[6,7]

和轴向振动[8]

等。由于轧机振动现象十分复杂,很多问题还有待于深入研究。本文从振动形式、研究方法、影响因素及控制措施等方面,对近年国内外关于轧机振动问题的研究工作进行了归纳和评述,并对今后的工作方向提出了具

体设想。

1 轧机自激振动现象

按载荷传递系统的不同,轧机上发生的振动现

象可分为两大类:一类是轧机主传动系统的扭转振动,另一类是轧机垂直系统的振动。111 扭转振动

轧机扭转振动是从生产过程中频繁出现的传动零、部件破坏事故被逐步认识的,振动频率一般为5~20H z 。

轧机的主传动系统可以看作是一个由若干惯性元件(包括电机、接手、减速机、齿轮座及轧辊等)和弹性元件组成的/弹簧质量系统0,如图1所示,该系统在载荷突变(如咬钢、抛钢、制动、变速等)情况下,发生不稳定的扭转振动。此外,当轧辊间由于某种原

图1轧机主传动系统布置及简化模型

Fig11Simplified model for the roller c s main gearing system

因而打滑时,也会在主传动系统中产生扭转振动,而且这种振动一般是发散性的自激振动。若不及时减速,极易造成设备的破坏,是一种很危险的振动形式。另外,主传动系统中的电机调控系统若出现问题,也可能引起主传动系统的扭转振动。

图1所示系统的扭转振动方程为

J H##+C H#+K H=M(1)式中,J、C、K、M分别为转动惯量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和扭矩矩阵。对轧机扭转振动的研究主要是围绕传动轴扭矩的变化进行,而扭矩的影响因素来自3个方面:一是轧辊,包括辊间打滑、轧件咬入冲击等;二是电机驱动,如电机谐波电流分量对扭矩的影响;三是中间的机械传动部分,包括传动间隙过大或齿轮啮合不稳等。

11111轧辊间打滑引起的扭转振动

早在1967年M oller和H ogg art等人在采用二辊试验轧机轧制铝带时就发现了轧机扭转振动现象,认为扭转振动和轧辊辊隙的摩擦因数有关,轧制速度升高,则摩擦因数减小,从而导致轧机扭转振动,这种振动是一种自激振动行为[9]。加拿大学者Guy Mo naco通过对各种类型轧机传动系统的扭转振动研究发现,由于轧辊打滑,上下轧辊力矩分配不均,从而引起轧机扭转振动[10]。

11112传动冲击引起的扭转振动

Guy M onaco在对轧机扭转振动的研究中发现,由于旋转轴的不平衡和重力与惯性力的相互作用,间隙间断打开,对传动系统的扭矩放大系数影响十分强烈[10]。w rence等人研究了由于卷取传动齿轮缺陷引起带钢表面振纹的现象,通过更换齿轮解决了振动问题[11]。

11113主电机引起的扭转振动

中南工业大学的梁薇等人在研究平整机带材振纹现象时分析了主回路电流谐波分量对平整机动力学系统工作的影响,认为在以下两个方面[12,13]:

(1)电流谐波分量形成谐波转矩直接驱动工作机械运动,产生强迫振动;

(2)谐波电流经反馈回路作为一种干扰信号,通过控制回路/放大0,再作用于工作机械主体运动,引起运动状态发生变化,产生振动。

112轧机垂直振动

轧机垂直振动的研究始于20世纪70年代初期,随着轧机设备进入高速化、连续化,轧机垂直振动现象逐渐引起了人们的重视。在实际生产中经常出现的垂直振动,按振动频率及危害可分为两类:一类是振动频率在150~250H z之间,称为第三倍频程颤振或低频振动。三倍频程颤振是高速连轧机出现的危害最大的振动现象,以突发性为特征,往往在几秒中内集聚大量能量使振幅迅速发散,并伴有较大的噪音,此时紧急降速可以使振动迅速得到抑制。其危害是引起轧件明显的厚度变化和机架间轧件张力的波动,严重时造成废品、断带并可危及设备安全;另一类是第五倍频程颤振,或称高频振动,振动频率多在500~700H z之间,这种振动不像三倍频程颤振那样迅速发生,振动的发展是一个渐进过程,五倍频程颤振虽然不会引起轧件明显的厚度波动,但会在支承辊或轧件表面形成垂直于轧制方向的振纹现象,影响产品质量。

引起轧机垂直振动的原因有多种,凡是能对轧机系统造成冲击或引起作用力变化的因素都可能导致轧机振动的发生。这些振动主要分为3类:由张力波动引起的自激振动、摩擦和润滑引起的自激振动以及由于轧辊或轴承缺陷等引起的振动。

11211张力波动引起的自激振动

由于张力波动对轧制力的变化有着直接影响,因而成为影响轧机振动的重要因素之一,因张力波动而导致轧机垂直振动的例子很多,如日钢公司H-i rohata厂的一套五机架冷连轧机发生160~170H z的垂直振动,使得产品产生了?10%的厚度波动。Tsutom u Tam iy a等人经过现场测试和理论分析后认为:振动的原因在于轧辊垂直振动的位移与后张力的波动之间存在90b的相位差,当轧制速度升高时,受带厚波动影响的后张力波动变大,轧辊振动的振幅由于张力波动的相位延迟而增大,从而发生自激振动。加拿大Dofasco的两台冷连轧机也发生过此类垂直振动现象[14]。

这种自激振动的本质在于张力变化引起轧制力

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第10期侯福祥等:带钢冷轧机振动问题的研究进展及评述