轧钢机主传动系统扭振故障分析

诊断与控制系统 % 扭振故障监测、
轧钢机的状态监测、 故障诊断和控制系统中， 状态监测是前 提， 故障诊断是结果， 故障预防与控制是目的， 各系统间关系如 图 > 所示。 扭振的控制应在设计轧钢机时就加以考虑，要进行结构的 （质量 ） 动力优化设计， 以控制扭振为目标选择最佳的惯性 和弹 （刚度 ） 簧 的配置。在强度设计中要确定各部件的最合理的安全 系数。特别是要处理好整个主传动系统的共振问题。对正在使 用的轧钢机要控制能够产生扭振的各种因素，合理控制压下量 和咬入速度， 减轻咬入冲击， 加强轧件的温度管理及主传动系统 的反冲击问题。在轧钢机上安装轧制力矩在线监测系统，实现 扭矩超限报警是扭振监控的前提。
【摘要】 在测量和计算了产生轧钢机主传动系统扭振故障的轧制力矩基础上， 分析了引起轧钢机主 传动系统扭振的原因； 设计了扭振监测、 诊断和控制系统， 这个系统在钢铁企业的应用取得了令人满意的 效果。 关键词：扭振；轧钢机；传动系统；故障监测与诊断 【 2($*#)3*】 !"#$%"& ’%(#)*%"& %$ "&+ ", *-+ ,)./* #+)$"&$ ", #"//%&0 1%// 2 $ *#)&$1%$$%"& $3$*+14 %* %$ &+5+$$)#3 *-)* *"#$%"& ’%(#)*%"& ", *#)&$1%$$%"& $3$*+1 $-"./6 (+ 1"&%*"#+6 7%*- 1+)$.#+1+&* ", #"//%&0 *"#8.+9 :)$+6 "& *-+ 1+)$.#+1+&* )&6 5)/5./)*%"& ", #"//%&0 *"#8.+ ", *-+ #"//%&0 1%// 2 $ *#)&$1%$$%"& $3$*+14 *-+ #+)$"&$ *-)* %* 5)& #+$./* *"#$%"& ’%(#)*%"& 7+#+ )&)/3;+69 <* $*)*+$ *-)* *-+ 6%,,+#+&5+ (+*7++& *-+ #+)/ ’)/.+ )&6 *-+ 5)/5./)*+6 ’)/.+ ", #"//%&0 *"#8.+ %$ /%**/+9 !-+ 1"&%*"#%&04 6%)0&"$%$ )&6 5"&*#"//%&0 $3$*+1 ", *"#$%"& ’%(#)*%"& 7)$ 6+$%0&+69 <& *-%$ $3$*+14 *-+ *"#$%"& ’%(#)*%"& 5"&*#"//%&0 )&6 #"//%&0 =#"5+$$ 5"&*#"//%&0 7+#+ 5"&$%6+#+6 *"0+*-+#9 !-+ #+$./*$ ", )==/%5)*%"& ", *-%$ $3$*+1 %& $"1+ $*++/ #"//%&0 ,)5*"#%+$ %$ ’+#3 0""69 !-+ $3&*-+*%5 1"&%*"#%&0 )&6 %&*+//%0+&* 6%)0&"$%$ %$ 6+’+/"=1+&* 6%#+5*%"& ", *"#$%"& ’%(#)*%"& 1"&%*"#%&0 )&6 5"&*#"//%&0 $3$*+1 ", #"//%&0 1%//9 41, 5"#6$7 !"#$%"& ’%(#)*%"&；8"++%&. /%++；!#)&$/%$$%"& $,$*1/；9):+* /"&%*"#%&. )&6 6%).&"$%$ 中图分类号：KL!H$A M # 文献标识码：N
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表 ! 扭矩的计算和测量结果
（< ） 压下量 （))） 道次 钢温 计算扭矩 $ 9 =4・ ) ; 测量扭矩 # 9 =4・ ) ; 误差 ! !-&!1" & &#&" 1 &&3" , >? # !-&!-" & &-!" % &,>" 5 1? , !-!3" %1#" # %15" & !? % !--1" %13" > &--" 5 &? & 531" # &!-" 3 &,&" & &? > 5,%" 3 >-5" 5 >#5" 1 ,? 1 5,#" > ,,-" > ,%1" & &?
图 , 引电装置示意图
#" # 轧制力矩的计算
轧机轧制过程相当于简单轧制。略去空转力矩及动力矩。 实测处的扭矩为轧制力矩与摩擦力矩之和。 即 $ 7 # $( 7 ) 9 * ( # : "’ ; （! ）
图 % 咬钢时产生的异常扭矩
!" 上辊电动机轴扭矩；#" 上辊电 动机电流 （$） ；#" 下辊电动机轴 扭 矩 ；%" 下 辊 电 动 机 电 流 （ $ ） ； （’ ( )*+） &" 转速
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力矩传感器都要解体主传动系统的连接轴，这往往是现场所不 允许的。因而采用间接监测方法，建立适合于轧钢机的数学模 型， 以达到间接监测轧制力矩而不改变轧机内部和外部结构。 这 是以微电子技术对传统轧钢工业的改进和创新，利用电参数来 长期监测轧制力矩， 并适合多种类型轧机 C # D 。 轧机轧制力矩测试点选在齿轮座与减速机之间， 具有转速较 低， 转动平稳， 信号引出滑环易于安装， 输出力矩大， 测试信号比 较灵敏等特点。 采用由电阻应变片作为敏感元件构成力矩传感器 来测量轧制力矩， 贴片位置和接桥 E 全桥 F 方式如图 ! 所示。 由于被测对象是旋转体，贴好的应变片无法与信号的传输 电缆直接相连。 为此， 设计一套能够传送电阻应变片的电阻变化 滑环由绝缘性能好的材料制成。 滑环 率的引电装置如图 @ 所示。 将滑环固结在旋转轴上随其转动， 应变片组 B 条槽内镶有铜环， 桥后的 B 条线与铜环相连， 铜编线与支架上绝缘弹簧相连， 用一 根四芯屏蔽电缆与铜编线相连，另一端接入动态电阻应变仪的 接线柱上。安装方便， 信号明确。
图 ! $"" 轧机列传动示意图 !A 主电机；@A 主传动轴；#A 齿轮箱；BA 三辊轧机
@ 扭矩的测量及计算
以抚顺特殊钢公司的 $"" 轧机为例进行扭矩的测量 -@.， 图 ! 为 $"" 轧机列传动示意图。
@A ! 轧制力矩的测量
监测轧钢机的轧制力矩时需要使用力矩传感器， 而一般的
% 来稿日期： @""# G !@ G @H
* 是轧辊直径， * 取 !&%-))， ’ 为轧辊轴颈直径， ’ 7 ,--))，" 为轧辊轴承摩擦系数，取 -" -# ，$( 是驱动一个轧辊 的力矩。扭矩 $ 的计算结果见表 ! 。 利用上述原理及方法，计算出的数据与力矩传感器测量出 的数据接近， 所以公式 9 ! ; 可作为轧制力矩的数学模型， 实际上 完全可以达到扭振长期在线监测轧制力矩的目的。
坯 ,!- 6 1&))， 成品 ! 7 !&" ,))， 转 !1&))" !.’!34*50* 五根， 速 8 " 7 !--&’ ( )*+。 其中扁钢 !.’!34*50* 的扭矩 # 测试结果如 表 !。
图#
轧制力矩测量的贴片位置和接桥方式
$ —轧机轧制力矩； $%—传动轴扭转力矩； 后张力； ’—传动轴断面直径 &—传动轴上的前、
! 前言
随着轧钢设备的发展，轧制速度不断提高，主电机容量不 断增大，轧钢机安全可靠地运行在生产中占有极为重要的地 位。从结构动力学角度来看，主电机拖动轧钢机一般都通过电 动机的输出轴、 联轴器、 中间轴及齿轮座驱动轧辊的方式， 这个 主传动传统可以看成是由刚性圆盘和弹性体相结合的传动系 统，是一个扭振系统。在咬钢时受到冲击力作用或在轧制过程 中发生打滑等，因此从轧辊到主电机的轧机主传动系统经常发 生扭转振动， 剧烈的扭振导致轧钢设备的各种故障发生-!.。 由剧烈扭振造成的轧钢机故障在国内外许多钢铁企业都 发生过， 这些故障主要有轧辊断裂、 万向轴的扁头和虎口断裂、 联轴器损坏、 大人字齿轮断齿、 主电机生高片断裂、 电动机转轴 轴向串动使轴承座螺栓松动，甚至因万向轴断裂落下引起从电 动机到万向轴的主传动系统的严重破坏等。 轧制力矩是反映机器运行工况、进行扭振故障诊断的重要 参数之一，如对轧钢机工作状态和工艺状态进行长期的在线监 测，就必须对轧制力矩进行测量和计算。而国内目前还没有这 种大型的扭矩传感器，只有通过建立数学模型来实现对力能参 数进行在线监测。
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测试了三个钢种， 两种规格十根轧件。 其中 #-.’/+0* 三根， 坯 !&- ))，成品 !1&))" %-.’/+/2 二根，坯 !&- ))，成品
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9 ! ; 设计上的冲击和过载荷因素。它包括两个方面， 一是机 （属于扭转刚性分布上的因素 ） 械构造上的过载荷因素 ； 二是由 主电动机速度控制造成的冲击因素。 9 # ; 维修上的冲击和过载荷因素。它包括由主传动系统间 隙、造成的过载荷因素及由上下轧辊扭矩不平衡造成的过载荷 因素。 9 , ; 操作上的冲击和过载荷因素。它包括的因素较多， 主要 （咬入速度因素及轧件头部形状 有： 由咬入速度造成的冲击因素 （咬入前， 因素 ） ； 由咬入时的轧辊和轧制速度差造成的冲击因素 轧件速度不适当造成的因素及咬入前，轧辊圆周速度不适当造 成的因素 ） ； 由轧件头部温度降低造成的过载荷； 由上下轧辊扭 （由轧件上下面温度差造成的过载荷、 矩不平衡造成的过载荷 由 轧件的弯曲造成的过载荷以及在立辊轧机上由于侧导板未对准 轧制中心线造成的过载荷 ） ； 误操作产生的压下量设定过大。 轧制时各种轧钢机在发生扭振时的扭矩曲线图形如图 % 、 其中图 % 是咬钢时发生的异常扭矩， 图 & 是轧制过程 图 & 所示。 中发生的异常扭矩。
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轧钢机主传动系统扭振故障分析
邹进和（中国刑事警察学院，沈阳 !!""#$） !"#$%"& ’%(#)*%"& )&)+,$%$ "- #"++%&. /%++ 0 $ *#)&$/%$$%"& $,$*1/ %&’ ()*+,-（.-/0123-*2 45 607)8 98)-*8-7: ;,)*0 ;1)3)*0< =4<)8- ;4<<->-: 9,-*?0*> !!""#$: ;,)*0）
图 & 轧制过程中产生的异常扭矩
!" 上 辊 电 动 机 轴 扭 矩 ； #" 上 辊 电动机电流 （ $） ；," 下辊电动机 轴扭矩；%" 下辊电动机电流（$） ； （’ ( )*+） &" 转速
轧制过程中产生的冲击载荷激起的主传动系统的动态响应 取决于结构特性， 即主传动系统的惯性分布和弹性分布、 系统的 衰减特性和间隙等； 同时也取决与轧制条件， 如轧件材料、 轧件 与轧辊的速度差和轧件的粗糙度等。一般情况下，热轧带钢精 轧机不发生异常扭矩， 厚板轧机有异常扭矩， 初轧机常因各种原 因发生特别大的扭矩。
, 扭振特点分析
许多轧钢机故障的原因就是在主传动传统中产生了过大 的扭矩，过大的扭矩又是因为主传动系统的扭振产生的，为了 预防和避免扭振故障， 下面分析一下扭振产生的原因。 由扭派引起过大扭矩的成因多种多样，它与作用在主传动 系统上的冲击载荷有关，而冲击载荷又与轧件的咬入速度、轧 件温度、 轧件形状、 压下量等因素有关， 又因为主传动系统是弹 簧质量振动系统，在主传动系统中又存在反冲击等。对轧机主 传动系统的冲击和过载荷有如下各因素：