天鐵1 750 mm 軋機(jī)振動(dòng)原因分析及改進(jìn)

王小強(qiáng)

（天津天鐵冶金集團(tuán)熱軋板有限公司，河北056404）

0 引言

天鐵1 750 mm 熱軋生產(chǎn)線共配置7 架精軋機(jī)組，軋機(jī)為四輥全液壓不可逆軋機(jī)，設(shè)計(jì)能力為F1-F4：42000 kN，輥徑范圍710～800 mm，F(xiàn)5-F7：35 000 kN ，輥徑范圍為630～700 mm。工作輥輥身長度為2 000 mm，每個(gè)機(jī)架的竄輥量為±125 mm。前4架采用拋物線負(fù)凸度軋輥，后3 架采用智能凸度輥型（Smart Crown）。產(chǎn)品大綱中厚度范圍為1.2～16 mm，寬度范圍為800～1 600 mm。在生產(chǎn)過程中，軋機(jī)在軋制較薄規(guī)格（如1 250 mm×2.0 mm）時(shí)，F(xiàn)2 或F3 軋機(jī)機(jī)架出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，同時(shí)，軋機(jī)發(fā)出異常的振動(dòng)噪聲，振動(dòng)能量已波及到精軋操作室，使操作人員感到明顯的振感。

1 軋機(jī)振動(dòng)分析

對(duì)機(jī)械系統(tǒng)而言，任何具有質(zhì)量和彈性的系統(tǒng)都可能發(fā)生振動(dòng)。振動(dòng)發(fā)生時(shí)，輕者使系統(tǒng)偏離正常工作狀態(tài)，既影響所加工產(chǎn)品的質(zhì)量，也會(huì)減少系統(tǒng)相關(guān)部件的設(shè)計(jì)壽命；重者可能使系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的毀壞。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，F(xiàn)3 的傳動(dòng)側(cè)HGC 缸由于振動(dòng)過大，造成內(nèi)部的位移傳感器故障。

1.1 振動(dòng)的分類

系統(tǒng)的振動(dòng)可分為自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)3 種形式。

1.1.1 自由振動(dòng)

所謂自由振動(dòng)，是指在無外激勵(lì)或外激勵(lì)拆除后，系統(tǒng)依靠本身固有內(nèi)力作用發(fā)生的振動(dòng)。視系統(tǒng)的質(zhì)量和剛度系數(shù)分布（即結(jié)構(gòu)）不同，系統(tǒng)可能以一個(gè)或多個(gè)頻率進(jìn)行振動(dòng)，振動(dòng)頻率稱為系統(tǒng)的自然頻率。

1.1.2 強(qiáng)迫振動(dòng)

所謂強(qiáng)迫振動(dòng)，是指系統(tǒng)在外加激勵(lì)作用下系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)。在強(qiáng)迫振動(dòng)系統(tǒng)中，如外加激勵(lì)以某一頻率變化，系統(tǒng)的振動(dòng)頻率將與激勵(lì)的頻率一致（假設(shè)系統(tǒng)為線性系統(tǒng)），其振幅正比于激勵(lì)的振幅。如外加激勵(lì)的頻率與系統(tǒng)的某自然一致，則系統(tǒng)可能發(fā)生破壞性極大的共振。

1.1.3 自激振動(dòng)

在反饋控制系統(tǒng)中，盡管外部激勵(lì)是恒定不變的，但如果反饋信號(hào)的幅-相特性滿足系統(tǒng)的正反饋條件，即1＋AF=0，系統(tǒng)就將產(chǎn)生自激振動(dòng)，這是反饋系統(tǒng)最顯著特征之一。系統(tǒng)自激振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近，其振幅由小變大，最終使系統(tǒng)部件毀壞而停止振動(dòng)，或受能量等因素限制使系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)的等幅振動(dòng)。

由機(jī)械和電氣兩子系統(tǒng)共同組成的反饋控制系統(tǒng)是一種常見的生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備，系統(tǒng)中諸機(jī)械變量和電氣變量相互作用，相互制約，可構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電共振系統(tǒng)。實(shí)質(zhì)上，機(jī)電共振問題仍屬自激振動(dòng)問題。

1.2 機(jī)電共振

以電能為動(dòng)力的機(jī)械系統(tǒng)（如電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)），或不以電能為動(dòng)力但其驅(qū)動(dòng)力受電信號(hào)控制的其它機(jī)械系統(tǒng)（如軋機(jī)的壓下系統(tǒng)），都可能發(fā)生機(jī)電共振現(xiàn)象。

對(duì)以電能驅(qū)動(dòng)的機(jī)電反饋系統(tǒng)而言，從機(jī)械系統(tǒng)的角度來看，電能是機(jī)械系統(tǒng)的外加動(dòng)力激勵(lì)源，而機(jī)械系統(tǒng)是激勵(lì)的受體，如驅(qū)動(dòng)電能的大小是振動(dòng)的，且振動(dòng)變化的能量足夠大，則機(jī)械系統(tǒng)就可能產(chǎn)生振動(dòng)，其振動(dòng)頻率等于外加激勵(lì)源頻率，即強(qiáng)迫振動(dòng)；如外加激勵(lì)源由多頻率的基波和諧波組成，則機(jī)械系統(tǒng)就可能疊加更多頻率的振動(dòng)；再者，如激勵(lì)源的某諧波頻率與機(jī)械系統(tǒng)的自然頻率一致時(shí)，就可能發(fā)生機(jī)電共振。

2 軋機(jī)振動(dòng)分析

2.1 軋機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成

精軋軋機(jī)Fi 主要由機(jī)械系統(tǒng)和電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)組成，兩者共同構(gòu)成一個(gè)多輸入/多輸出、各軋機(jī)機(jī)械諸變量間、電氣諸變量間強(qiáng)耦合的機(jī)電反饋控制系統(tǒng)。

其中，機(jī)械系統(tǒng)主要分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)和伺服液壓缸驅(qū)動(dòng)的軋機(jī)壓下系統(tǒng)。前者主要由電機(jī)、鏈接器、聯(lián)接軸、減速機(jī)和軋輥組成；后者主要由伺服壓下液壓缸、軸承座、支撐輥、工作輥和彎輥缸組成。

電氣控制系統(tǒng)主要由速度控制子系統(tǒng)和壓下/彎輥控制子系統(tǒng)組成。前者主要由傳動(dòng)控制系統(tǒng)（ABB）、電機(jī)和VAI 速度控制程序等組成；后者主要由VAI 控制程序、壓下伺服液壓缸和彎輥缸組成。

軋機(jī)振動(dòng)主要有軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振和軋機(jī)機(jī)架壓下系統(tǒng)的垂直振動(dòng)兩種形式。

2.2 軋機(jī)的扭振

如上所述，扭振是針對(duì)軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)而言的。所謂扭振是指軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)在扭轉(zhuǎn)負(fù)載突變時(shí)，軸系質(zhì)量彈性系統(tǒng)在克服，或恢復(fù)軸系的扭轉(zhuǎn)形變過程中，軸上轉(zhuǎn)矩發(fā)生的不穩(wěn)定扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，其振動(dòng)的頻率與軸系的固有頻率相當(dāng)。軸系的固有頻率與軸系的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)（常見四輥熱軋機(jī)的扭振固有頻率約為20 Hz 左右）。

軋機(jī)的扭振通常發(fā)生在咬鋼、拋鋼或軋鋼時(shí)軋輥打滑等狀態(tài)。由于軋機(jī)扭振時(shí)，其扭矩峰值可能遠(yuǎn)大于正常的工作扭矩，使軸系產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)形變的幅度可能超過軸系材料的強(qiáng)度，進(jìn)而造成聯(lián)軸器或聯(lián)接軸的毀壞。

當(dāng)軸系的負(fù)載突變時(shí)（如咬鋼或拋鋼），對(duì)穩(wěn)定的軸系控制系統(tǒng)來說，其扭振是衰減的，其軸上的轉(zhuǎn)矩會(huì)從前一個(gè)穩(wěn)態(tài)值經(jīng)一個(gè)或兩、三個(gè)振動(dòng)周期就穩(wěn)定到新的穩(wěn)態(tài)值上（視控制器的性能和對(duì)系統(tǒng)的要求而定），但如果軋機(jī)主傳動(dòng)的速度控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)頻率與軸系固有頻率一致時(shí)，就可能發(fā)生軋機(jī)的機(jī)電扭轉(zhuǎn)共振，此時(shí)應(yīng)修正控制器的參數(shù)或結(jié)構(gòu)，使其降低對(duì)軸系固有頻率分量的響應(yīng)，如對(duì)扭振頻率設(shè)置陷波器、降低系統(tǒng)放大系數(shù)等。

另外，當(dāng)軸系的負(fù)載周期變化時(shí)，如軋輥周期的間隙打滑或軋輥存在較大的偏心，如果軋輥打滑的頻率或偏心頻率與軸系固有頻率一致時(shí)，也可能發(fā)生軋機(jī)的機(jī)電扭轉(zhuǎn)共振。當(dāng)發(fā)生機(jī)電扭轉(zhuǎn)共振時(shí)，應(yīng)及時(shí)停車，否則可能對(duì)設(shè)備造成極大的破壞性。

2.3 軋機(jī)的垂直振動(dòng)

垂直振動(dòng)是針對(duì)軋機(jī)機(jī)架壓下系統(tǒng)而言的。所謂垂直振動(dòng)，是指軋機(jī)機(jī)架壓下系統(tǒng)在帶鋼軋制過程中，輥系和機(jī)架質(zhì)量彈性系統(tǒng)克服，或恢復(fù)機(jī)架的彈性形變，在機(jī)架垂直方向發(fā)生的不穩(wěn)定振動(dòng)。由于軋機(jī)機(jī)架壓下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可能存在多個(gè)固有振動(dòng)頻率，故軋機(jī)發(fā)生垂直振動(dòng)時(shí)，其振動(dòng)頻率可能與其中一個(gè)固有頻率相同。

熱、冷連軋機(jī)的垂直振動(dòng)是常見的現(xiàn)象，且多發(fā)生在高速或大壓下（軋制力和彎輥力大）時(shí)，即軋制薄而寬的帶鋼時(shí)就可能發(fā)生垂直振動(dòng)。熱連軋機(jī)組的垂直振動(dòng)往往發(fā)生在F2 或F3 機(jī)架。

世界許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家對(duì)軋機(jī)的垂直振動(dòng)進(jìn)行過深入的研究，由于該問題的復(fù)雜性及起因太多，目前對(duì)誘發(fā)軋機(jī)垂直振動(dòng)的原因存在多種觀點(diǎn)，尚無統(tǒng)一定論。有的認(rèn)為是工作輥與帶鋼打滑引起的；有的認(rèn)為是軸系的聯(lián)接軸制造間隙和安裝偏心引起的等。

而從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行分析，振動(dòng)主要在軋機(jī)處于大壓下時(shí)發(fā)生，這時(shí)軋制力和彎輥力都較大，一方面系統(tǒng)的彈性變形加大，同時(shí)系統(tǒng)的彈性儲(chǔ)能也增大，此時(shí)，系統(tǒng)處于“緊張”狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，軋機(jī)的軋制力和彎輥力與機(jī)架系統(tǒng)的變形抗力相平衡，這時(shí)系統(tǒng)處于暫穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。而經(jīng)過一段軋制之后，隨著中間坯尾部的溫降，軋制力和彎輥力均開始變大，輥系開始變形，速度和張力也發(fā)生變化。這些變化因素使這個(gè)平衡系統(tǒng)受到擾動(dòng)，其暫穩(wěn)態(tài)狀態(tài)就將被打破，系統(tǒng)就可能進(jìn)入自激振動(dòng)狀態(tài)。

2.4 對(duì)在線實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析

（1）在軋制2.0×1 250 mm 帶鋼時(shí)，F(xiàn)3 發(fā)生顫振，此時(shí)F2、F3 的軋制力、彎輥力和轉(zhuǎn)矩IBA 曲線見圖1。

圖1 F2、F3 機(jī)架振動(dòng)時(shí)軋制力、彎輥力和轉(zhuǎn)矩波形

（2）F3 顫振時(shí)F2-F3 的輥縫、活套角度和速度IBA 曲線見圖2。

從圖1 和圖2 中可知，F(xiàn)3 機(jī)架振動(dòng)時(shí)，其軋制力為24908.8 kN，速度＞2.7 m/s，彎輥力約為2530.0 kN，但軋制力、轉(zhuǎn)矩和速度并未發(fā)生振蕩，F(xiàn)3 的輥縫均值也未發(fā)生大的波動(dòng)。

2.5 軋機(jī)振動(dòng)分析及參考結(jié)論

F3 振動(dòng)時(shí)軋制力和彎輥力較大，機(jī)架系統(tǒng)產(chǎn)生了較大的變形抗力，再加上帶鋼速度或張力的波動(dòng)等外界因素的影響，誘導(dǎo)了系統(tǒng)的自激振動(dòng)，振動(dòng)頻率較高。而軋機(jī)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，電機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩并未發(fā)生振蕩,即未發(fā)生機(jī)電共振顫，因此振動(dòng)應(yīng)該屬于機(jī)架機(jī)械系統(tǒng)自激振動(dòng)

圖2 F3 顫振時(shí)F2-F3 的輥縫、活套角度和速度IBA 波形

表1 軋制2.0×1 250 mm 的負(fù)荷調(diào)整

3 具體改進(jìn)方案

根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析而得到的最終結(jié)果，需要對(duì)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，以降低軋機(jī)的振動(dòng)，因此對(duì)軋制2.0×1 250 mm 的負(fù)荷調(diào)整見表1。

通過調(diào)整，適當(dāng)降低了F2、F3 的負(fù)荷，增大了其他機(jī)架，特別是增大了F4 機(jī)架的負(fù)荷，效果明顯。在負(fù)荷修改之后，多次進(jìn)行該規(guī)格帶鋼的軋制，在中間坯厚度和溫度制度不變的基礎(chǔ)上，沒有再次出現(xiàn)軋機(jī)振動(dòng)的現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

軋機(jī)振動(dòng)是普遍存在于各熱軋、冷軋廠，更多的原因是來自于傳動(dòng)和機(jī)械設(shè)備本身的安裝精度等問題，但是通過精軋機(jī)組的負(fù)荷分配的調(diào)整確實(shí)能夠避免或者減輕軋機(jī)的振動(dòng)。