軋機(jī)振動(dòng)分析與治理

(武鋼股份設(shè)備維修總廠冷軋作業(yè)區(qū)，湖北 武漢 430083）

軋機(jī)振動(dòng)分析與治理

徐秀勝 何彬 黃娟

(武鋼股份設(shè)備維修總廠冷軋作業(yè)區(qū)，湖北 武漢 430083）

五機(jī)架是某鋼廠酸軋機(jī)組的主體工藝設(shè)備，高速軋制中常出現(xiàn)種種原因不明、表現(xiàn)形態(tài)多樣的軋機(jī)振動(dòng)現(xiàn)象。嚴(yán)重威脅生產(chǎn)安全并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和垂直系統(tǒng)的縱振動(dòng)進(jìn)行分析，并采取了相應(yīng)改進(jìn)措施，有效地降低設(shè)備故障率，提高冷軋產(chǎn)品質(zhì)量、成材率和作業(yè)率。

五機(jī)架；振動(dòng)分析；扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；垂直振動(dòng)；改進(jìn)措施

一、概述

五機(jī)架是某鋼廠酸軋機(jī)組的主體工藝設(shè)備，高速軋制中常出現(xiàn)原因不明、表現(xiàn)形態(tài)多樣的軋機(jī)振動(dòng)現(xiàn)象，如軋機(jī)顫振、軋件表面振紋、軋輥表面周期印痕等。這些現(xiàn)象一方面增加板帶厚度誤差、嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量；另一方面加速輥面磨損、縮短換輥周期、增加設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的工作量和費(fèi)用。軋機(jī)劇烈振動(dòng)甚至造成大量的廢品、斷帶、暴管漏油、軋機(jī)停產(chǎn),同時(shí)還對(duì)機(jī)械、液壓和電氣設(shè)備產(chǎn)生很大的破壞作用，使噸鋼成本居高不下，嚴(yán)重威脅生產(chǎn)安全并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，分析和解決軋機(jī)振動(dòng)問(wèn)題非常必要。

二、軋機(jī)振動(dòng)的技術(shù)分析

按載荷傳遞系統(tǒng)的不同，軋機(jī)上發(fā)生的振動(dòng)現(xiàn)象可分為兩大類：一類是軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，另一類是軋機(jī)垂直系統(tǒng)的縱振動(dòng)。

1.扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析

（1）主傳動(dòng)軸動(dòng)不平衡引起的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

五機(jī)架主傳動(dòng)軸的最大缺點(diǎn)就是在旋轉(zhuǎn)運(yùn)行中主傳動(dòng)軸和軋輥不在一個(gè)水平面上，在傳遞扭矩時(shí)有一個(gè)偏轉(zhuǎn)角，再加聯(lián)節(jié)軸內(nèi)的頂錐、弧形齒磨損間隙增大，傳動(dòng)軸系統(tǒng)的中間軸、齒輪軸的聯(lián)軸節(jié)齒輪磨損使其間隙增大，造成主傳動(dòng)軸和中間軸產(chǎn)生動(dòng)不平衡，連接軸上的最大扭矩值比正常軋制時(shí)的靜態(tài)扭矩要大得多，嚴(yán)重時(shí)會(huì)超過(guò)連接軸材料的強(qiáng)度，引發(fā)軋機(jī)設(shè)備的破壞和軋機(jī)振動(dòng)，影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

（2）軋輥間打滑引起的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和軋輥輥隙的摩擦系數(shù)有關(guān)，軋制速度升高，則摩擦系數(shù)減小，從而導(dǎo)致軋機(jī)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，這種振動(dòng)是一種自激振動(dòng)行為。通過(guò)對(duì)各種類型軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)研究發(fā)現(xiàn)，由于軋輥打滑，上下軋輥力矩分配不均，從而引起軋機(jī)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

（3）傳動(dòng)軸主電機(jī)電流諧波引起的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

技術(shù)人員在研究軋機(jī)帶材振紋現(xiàn)象時(shí)分析了主回路電流諧波分量對(duì)軋機(jī)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)工作的影響，認(rèn)為主要有以下兩個(gè)方面。

①電流諧波分量形成諧波轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動(dòng)工作機(jī)械運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。

②諧波電流經(jīng)反饋回路作為一種干擾信號(hào)，通過(guò)控制回路“放大”，再作用于工作機(jī)械主體運(yùn)動(dòng)，引起運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生振動(dòng)。

由此可見(jiàn)，避免電流諧波分量的產(chǎn)生是改善機(jī)架扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的關(guān)鍵因素。

2.垂直振動(dòng)分析

（1）張力波動(dòng)引起的自激振動(dòng)

由于張力波動(dòng)對(duì)軋制力的變化有著直接影響，因而成為影響軋機(jī)振動(dòng)的重要因素之一，因張力波動(dòng)而導(dǎo)致軋機(jī)垂直振動(dòng)的例子很多，如某冷軋廠五機(jī)架冷連軋機(jī)曾發(fā)生160～170Hz 的垂直振動(dòng)，使產(chǎn)品產(chǎn)生±10%的厚度波動(dòng)。研究表明，振動(dòng)的原因在于軋輥垂直振動(dòng)的位移與后張力的波動(dòng)之間存在90°的相位差，當(dāng)軋制速度升高時(shí)，受帶鋼厚度波動(dòng)影響的后張力波動(dòng)變大，軋輥振動(dòng)的振幅由于張力波動(dòng)的相位延遲而增大，從而發(fā)生自激振動(dòng)。

（2）軋輥摩擦和潤(rùn)滑引起的自激振動(dòng)

在冷軋帶鋼生產(chǎn)中，當(dāng)軋制乳化液穩(wěn)定性差、油膜不穩(wěn)定時(shí)，輥縫摩擦條件會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致軋制失穩(wěn)產(chǎn)生振動(dòng)。軋制液影響軋機(jī)振動(dòng)的實(shí)質(zhì)主要是軋制液影響軋制界面的摩擦狀態(tài)，由于軋制界面摩擦系數(shù)隨軋制速度的非線性變化導(dǎo)致自激振動(dòng)的發(fā)生。

（3）軋輥缺陷等其他原因引起的垂直振動(dòng)

在引起軋機(jī)垂直振動(dòng)的原因中，軋輥缺陷和軋輥軸承座與機(jī)架窗口間隙過(guò)大是主要因素。結(jié)構(gòu)有缺陷或尺寸不合理的軋輥，不但影響產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備的壽命，而且會(huì)影響軋制過(guò)程的穩(wěn)定性。研究表明：振動(dòng)的激勵(lì)可能源于在磨床振動(dòng)狀態(tài)下加工過(guò)的軋輥，磨輥時(shí)在軋輥表面產(chǎn)生的振紋可能造成軋件上產(chǎn)生振紋，軋制過(guò)程中，當(dāng)軋輥表面振紋的波長(zhǎng)接近振動(dòng)波長(zhǎng)時(shí)，可能激起軋機(jī)的振動(dòng)。

（4）液壓壓下系統(tǒng)原因引起的垂直振動(dòng)

冷軋廠五機(jī)架25/18MPa液壓系統(tǒng)泵站共用1個(gè)油箱，要控制1～5架的壓下、彎輥和平衡，其壓力和流量等參數(shù)都不能滿足大壓下量和高速軋制的要求，當(dāng)生產(chǎn)較高規(guī)格的帶鋼品種時(shí)，壓下能力不足以致偏斜，伺服閥頻繁動(dòng)作造成軋機(jī)振動(dòng)，甚至帶鋼斷帶停產(chǎn)。產(chǎn)生故障的原因包括液壓系統(tǒng)溫升過(guò)高、油液變質(zhì)變稀、內(nèi)泄加劇、效率降低、元件產(chǎn)生熱變形及液壓元件損壞等。

三、改進(jìn)方法及實(shí)施措施

1.解決扭轉(zhuǎn)振動(dòng)措施

（1）主傳動(dòng)軸改造

某鋼廠的1700冷軋機(jī)組至投產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)以來(lái)，因軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)軸弧形接軸發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，先后4次進(jìn)行主傳動(dòng)軸改造。將五機(jī)架1、2、5的主傳動(dòng)軸進(jìn)行了改造，如圖1所示。

圖1 改型后五機(jī)架1、2、5的主傳動(dòng)軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

此次1、2、5架的主傳動(dòng)軸改進(jìn)了錐度盤和頂錐彈簧，預(yù)頂力增大而且耐磨損，主軸上還增加了安全銷功能，到目前該傳動(dòng)軸運(yùn)行非常平穩(wěn)，有效地降低了傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。隨后又實(shí)施了3、4架主傳動(dòng)軸改造，改進(jìn)了錐度盤和頂錐彈簧，預(yù)頂力增大；并采用輥頸自導(dǎo)向和復(fù)合曲率齒形表面硬化工藝，使其經(jīng)久耐磨，傳動(dòng)平穩(wěn)，延長(zhǎng)了使用周期，降低了因動(dòng)不平衡引起的振動(dòng)。

針對(duì)傳動(dòng)軸系統(tǒng)的中間軸、齒輪軸的聯(lián)軸節(jié)齒輪磨損，采取定期檢查更換措施，同時(shí)對(duì)弧形齒采用表面硬化工藝，提高材料的強(qiáng)度，增加弧形齒的抗磨性能。加強(qiáng)維護(hù)加油，延長(zhǎng)弧形齒的使用周期，消除傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)源，減少備件消耗，達(dá)到降本增效目標(biāo)。

（2）調(diào)整3、4架工作輥的粗糙度

為避免軋機(jī)3、4 架工作輥末期產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，消除3、4架3倍頻次的振動(dòng)報(bào)警，修改操作規(guī)程，規(guī)定生產(chǎn)厚度0.6mm以下的鋼質(zhì)SPCC 冷硬卷、涂鍍基板，將3、4 架工作輥粗糙度由原來(lái)的0.4±0.1μm 修改為0.6±0.1μm，使3、4 架的振動(dòng)得到改善。

（3）采用6RA70裝置減少電流諧波分量

針對(duì)主傳動(dòng)大電機(jī)電流諧波分量引起傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的問(wèn)題，對(duì)五機(jī)架主傳動(dòng)大電機(jī)直流主傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，新增1臺(tái)TDC用于五機(jī)架直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)以及和其他系統(tǒng)的通信。新TDC主要對(duì)直流傳動(dòng)的速度、張力、厚調(diào)等進(jìn)行控制，完善卷徑計(jì)算、扁頭定位等功能，并和其他系統(tǒng)如壓下、厚調(diào)、速度給定、全線協(xié)調(diào)以及二級(jí)機(jī)進(jìn)行通信。在控制器與傳動(dòng)設(shè)備間采用PROFIBUS總線通信模式，保證了快速數(shù)據(jù)交換，避免了控制器與傳動(dòng)設(shè)備間的大量硬連線，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。6RA70系列整流裝置能有效的消除一定程度的電流諧波分量，將諧波分量降到最低，再加上TDC能對(duì)這些電流諧波分量產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效控制，可以將諧波轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)的影響降到最低。TDC和6RA70系列整流裝置的配合使用，有效地降低了軋機(jī)振動(dòng)程度。

2.解決軋機(jī)垂直振動(dòng)的措施

（1）平穩(wěn)張力波動(dòng)

在1～5架增加張力模塊和厚度模塊，將需要添加和刪除的模塊、線路都一一標(biāo)記出來(lái)，認(rèn)真細(xì)致接線，校正信號(hào)，在軟件程序中找到相應(yīng)的接收模塊，重新編輯地址、修改程序，平穩(wěn)了張力波動(dòng)，消除了軋機(jī)垂振隱患。

（2）調(diào)整乳化液濃度乳化液穩(wěn)定性差，軋制油附著性差和油膜強(qiáng)度不足是引起的自激振動(dòng)的主要原因。采用含有機(jī)鋅添加劑的乳化液，降低乳化液濃度，降低了軋機(jī)垂直振動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生自激振動(dòng)的可能性。經(jīng)調(diào)整乳液濃度（乳化液濃度由2.75%調(diào)整至2.25%），降低軋輥表面粗糙度，以及對(duì)軋輥表面進(jìn)行噴砂處理，增大軋制界面的摩擦系數(shù)及平整力，使軋制過(guò)程的振動(dòng)明顯降低，振紋明顯減輕，合格率提高40%以上。

（3）改進(jìn)軋輥及優(yōu)化輥系

① 對(duì)軋輥表面進(jìn)行處理，增大軋制界面的摩擦力。

② 在工作輥軸承座出口側(cè)與機(jī)架牌坊之間增加銅墊，降低或消除軋輥軸承座與機(jī)架牌坊之間的間隙，墊的材料選用較大阻尼特性的減振材料，抑制滑動(dòng)和沖擊，并適當(dāng)增加工作輥偏移距離，以增強(qiáng)輥系的穩(wěn)定性。

③ 將軋機(jī)張力輥、轉(zhuǎn)向輥和防皺輥重新找平、找正、修磨，降低其轉(zhuǎn)動(dòng)偏心對(duì)前后張力大小的影響。

④ 將軋機(jī)上下工作輥重新找平、找正、修磨，降低其轉(zhuǎn)動(dòng)偏心對(duì)前后張力大小的影響。

⑤通過(guò)重新修磨，提高了張力輥、轉(zhuǎn)向輥和防皺輥的形位精度，降低了因形位誤差產(chǎn)生的不穩(wěn)定張力對(duì)振動(dòng)的影響。

（4）改造25MPa液壓壓下系統(tǒng)

①重新設(shè)計(jì)制造了1套新的壓下泵站，并增加1臺(tái)液壓泵加大系統(tǒng)流量。新系統(tǒng)采用恒壓軸向變量柱塞泵（9臺(tái)、7用2備，并配備相應(yīng)4×32 L蓄能器站，總?cè)莘e128 L），泵直接與電機(jī)連接，減少中間環(huán)節(jié)，泵分布在一個(gè)油箱的周圍（面對(duì)面），而且泵的進(jìn)油管直接與油箱連接，節(jié)約空間。改型后的螺桿泵3G55X3-40具有非常好的吸入能力，工作壓力25MPa，流量約90 L/min，功率45kW，1 500r/min，均比原泵的性能提高很多，其設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的壽命也長(zhǎng)，故障率小，維護(hù)和控制（啟動(dòng)）更加便捷，尤其突出在間斷性操作上。

②泵站閥臺(tái)集中在一起，采用板式，與泵站分開(kāi)，減少振動(dòng)對(duì)閥的影響；壓下缸的活塞桿側(cè)在正常工作時(shí)用0.5MPa的低壓油，以防止乳化液和灰塵進(jìn)入油缸；在零位和換輥時(shí)用6MPa的壓力油使油缸快速收回。此壓力轉(zhuǎn)換是通過(guò)減壓站提供，為了得到穩(wěn)定的壓力，重新設(shè)計(jì)制造新的泵站減壓閥臺(tái)，關(guān)鍵的減壓閥，溢流閥使用進(jìn)口件，以確保系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。

③25MPa壓下系統(tǒng)伺服閥移位改造，解決了伺服閥因乳化液蒸汽腐蝕而故障頻繁的問(wèn)題，伺服閥的使用壽命大大增加，從以前的每年平均更換10余臺(tái)減少到現(xiàn)在的1～2臺(tái)，大大降低了伺服閥的備件消耗，僅備件費(fèi)用一項(xiàng)每年可節(jié)約100多萬(wàn)元。其壓力和流量等參數(shù)都能滿足大壓下量和高速軋制的要求。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)五機(jī)架振動(dòng)的技術(shù)攻關(guān)，有效地降低了冷軋的生產(chǎn)成本和設(shè)備故障率，提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)大幅度降低了備品配件的消耗，減少了操作、維護(hù)人員的工作量，各類生產(chǎn)及設(shè)備保產(chǎn)指標(biāo)均完成，滿足了軋鋼機(jī)連續(xù)生產(chǎn)的需要，提高設(shè)備三率和生產(chǎn)作業(yè)率，為軋鋼廠生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)創(chuàng)造了有利條件。

參考資料：

[1]冷軋帶鋼表面振動(dòng)紋的產(chǎn)生與控制[C].第八屆中國(guó)鋼鐵年會(huì)論文.

[2]王文斌.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（新版）[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

TG333

B

1671-0711（2014）11-0035-03

2014-09-01）