六輥精軋機(jī)帶材表面振紋缺陷分析與探討

申 真

(寧波金田銅業(yè)，浙江 寧波 315336)

帶材表面的振紋是影響六輥精軋機(jī)產(chǎn)能及成品率的一個(gè)主要原因。振紋產(chǎn)生的原理主要是軋機(jī)機(jī)架由于某種原因產(chǎn)生了振動(dòng)，導(dǎo)致軋制力隨之波動(dòng)，進(jìn)而影響軋制變形區(qū)，最終導(dǎo)致機(jī)架出口厚度波動(dòng)，從而產(chǎn)生了振動(dòng)痕。

六輥精軋機(jī)作為銅合金板帶精軋?jiān)O(shè)備，對(duì)于成品帶材厚度公差、強(qiáng)度、表面質(zhì)量等有著關(guān)鍵影響。軋制振紋是指經(jīng)過軋制帶材表面產(chǎn)生橫向，明暗相間的條紋。振紋影響銅帶材表面質(zhì)量、鍍層均一性等產(chǎn)品性能，如何解決帶材表面振紋是行業(yè)內(nèi)一直存在爭(zhēng)議的問題，我們從設(shè)備、工藝、軋輥磨削三個(gè)方面對(duì)振紋產(chǎn)生的特性及解決辦法進(jìn)行了深入的研究和探討。

1 振紋的產(chǎn)生機(jī)理

軋制過程中的振動(dòng)，按其產(chǎn)生的原因來分，與所有的機(jī)械振動(dòng)一樣，分為自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)三大類。自由振動(dòng)往往是由于軋制力的突然變化或其它外界力的沖擊等原因引起的，這種振動(dòng)一般可以迅速衰減，因此對(duì)軋制過程的影響較小。而強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)都是不能自然衰減而且危害較大的振動(dòng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械加工過程中，自由振動(dòng)只占5%左右，而強(qiáng)迫振動(dòng)約占65%，自激振動(dòng)則占30%。

2 六輥精軋機(jī)強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生的原因及診斷控制方法

強(qiáng)迫振動(dòng)是在外界周期性干擾力持續(xù)作用下，振動(dòng)系統(tǒng)被迫產(chǎn)生的振動(dòng)。它是由外界振源補(bǔ)充能量來維持振動(dòng)的。強(qiáng)迫振動(dòng)的過程如圖1所示，圖中，X1為阻尼自由振動(dòng)，X2為強(qiáng)迫振動(dòng)，X為強(qiáng)迫振動(dòng)和阻尼自由振動(dòng)的合成。

圖1 強(qiáng)迫振動(dòng)Fig.1 Forced vibration

強(qiáng)迫振動(dòng)的要素公式：

(1)

(2)

從式(1)(2)中可以看出強(qiáng)迫振動(dòng)的特性：(1)強(qiáng)迫振動(dòng)是在外界周期性干擾力的作用下產(chǎn)生的，但振動(dòng)本身并不能引起干擾力的變化。(2)不管振動(dòng)系統(tǒng)本身的固有頻率如何，強(qiáng)迫振動(dòng)本身并不能引起干擾力的變化。(3)強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅大小在很大程度上取決于干擾力的頻率與系統(tǒng)固有頻率的比值，當(dāng)這個(gè)比值接近或等于1時(shí)，振幅將達(dá)到最大值，也就是系統(tǒng)產(chǎn)生了“共振”，此時(shí)軋機(jī)表現(xiàn)為振動(dòng)噪音大、軋制力波動(dòng)大、厚度公差異常波動(dòng)、偏調(diào)波動(dòng)異常等，一般情況下，主操作會(huì)采取降速，避開系統(tǒng)的固有頻率從而保證軋制穩(wěn)定。(4)強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅大小還與干擾力、系統(tǒng)剛度及阻尼系數(shù)有關(guān)，干擾力越大，剛度及阻尼系數(shù)越小，則振幅越大。

強(qiáng)迫振動(dòng)往往是影響帶材質(zhì)量及生產(chǎn)效率的關(guān)鍵問題。由于強(qiáng)迫振動(dòng)是由振動(dòng)系統(tǒng)外的振源補(bǔ)充能量來維持振動(dòng)的，那么如果能把激振力的來源找到，并加以限制和排除，就能有效減少或減弱強(qiáng)迫振動(dòng)帶來的危害。根據(jù)來源可分為基礎(chǔ)振動(dòng)源和機(jī)架內(nèi)部振動(dòng)源。基礎(chǔ)振動(dòng)源主要是從安裝軋機(jī)牌坊及主電機(jī)或附屬設(shè)備的地基傳到軋機(jī)系統(tǒng)的?？梢詸z查地腳螺栓的松緊情況或檢查軋制線的高度是否與安裝時(shí)有偏移。

機(jī)架內(nèi)部振動(dòng)源主要有：(1)軋機(jī)主減速箱齒輪的嚙合振動(dòng)、減速箱輸出軸軸承的異常振動(dòng)，主傳動(dòng)軸萬向接軸嚙合和鉸接振動(dòng)，軋輥軸承座的軸承轉(zhuǎn)動(dòng)異常、游隙不正確、潤(rùn)滑不正常等引起的輥系振動(dòng)；(2)軋機(jī)主電機(jī)的振動(dòng)，包括轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不平衡引起的振動(dòng)，電磁力不均衡引起的振動(dòng)等；(3)AGC高壓壓下系統(tǒng)、低壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、軋制線調(diào)整系統(tǒng)，因油壓波動(dòng)而引起的壓下系統(tǒng)振動(dòng)或壓下伺服閥故障導(dǎo)致壓下缸振動(dòng)工作；(4)軋輥表面異?；虿糠诌^度磨損造成振動(dòng)，對(duì)于軋輥表面的磨削振紋一般采用退火紫銅帶檢測(cè)法，將退過火的紫銅帶切成絲狀，然后在軋輥表面反復(fù)刮拭，這樣軋輥表面的磨削振紋就顯現(xiàn)出來。

一般情況下，強(qiáng)迫振動(dòng)主要依靠頻譜分析儀進(jìn)行檢測(cè)和判斷，將拾取的振動(dòng)相應(yīng)信號(hào)輸入頻譜分析儀做自功率譜密度函數(shù)處理，自譜圖上各峰值點(diǎn)的頻率即為軋制過程中的振動(dòng)頻率。自譜圖上較為明顯的峰值點(diǎn)的數(shù)量就是軋機(jī)系統(tǒng)中振動(dòng)頻率成分的數(shù)值，在位移譜圖上譜峰值最大的振動(dòng)頻率就是軋機(jī)軋制過程中的主振頻率。判斷機(jī)架內(nèi)部振源位置可采用分別單獨(dú)驅(qū)動(dòng)設(shè)備各轉(zhuǎn)動(dòng)部件，進(jìn)行空轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，查找振源的具體位置；如無法單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的部件，可對(duì)照轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與軸承精度計(jì)算出頻率，并與軋機(jī)振源主頻率進(jìn)行對(duì)比，確定振源位置。

對(duì)于已經(jīng)查找到的振源分類及位置，可采用消除或減弱產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的條件，采取各種消振、減震裝置等措施。

(1)減小或消除振源的激振力。例如對(duì)張緊輥、擠干輥、偏導(dǎo)輥進(jìn)行動(dòng)平衡校準(zhǔn)，對(duì)軋輥軸承及主電機(jī)軸承進(jìn)行拆卸清洗、轉(zhuǎn)動(dòng)軸承受力部位90°。

(2)調(diào)整液壓站輸油泵輸出壓力，調(diào)節(jié)溢流閥使兩臺(tái)(同時(shí)工作)油泵輸出壓力相同(Δp≤1bar)；檢查系統(tǒng)蓄能器壓力是否在許用壓力范圍內(nèi)，如壓力不足或壓力波動(dòng)較大，需要對(duì)蓄能器進(jìn)行沖氮補(bǔ)壓，一般高壓系統(tǒng)蓄能器預(yù)設(shè)壓力應(yīng)為系統(tǒng)壓力的60%～70%。另外應(yīng)定期對(duì)高壓系統(tǒng)油箱、濾芯、管路進(jìn)行打循環(huán)和清洗(更換)。

(3)檢查和調(diào)整軋制線高度，用水平儀檢查傳動(dòng)側(cè)與操作側(cè)的軋制線水平度，其誤差應(yīng)在±0.1mm以內(nèi)，注意檢查兩側(cè)軋制線楔形塊磨損情況，是否存在過度磨損。

(4)液壓系統(tǒng)中伺服閥的更換和校正，目前精軋機(jī)主要使用的是高精度高響應(yīng)的伺服閥控制AGC壓下系統(tǒng)。由于伺服閥的高響應(yīng)特性，電纜的電磁信號(hào)干擾及閥芯的異物堵塞等都能造成伺服閥的零點(diǎn)漂移甚至伺服閥控制模塊損壞，如果發(fā)送命令的伺服閥出現(xiàn)了故障，AGC缸的動(dòng)作會(huì)出現(xiàn)顫動(dòng)或突然“卡死”，可以采用每3個(gè)月對(duì)機(jī)架的在線伺服閥進(jìn)行更換并清洗其餅狀濾芯、零點(diǎn)機(jī)械校準(zhǔn)。

(5)利用PDA在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)軋制過程中的張力、厚度測(cè)量、板型控制系統(tǒng)、AGC系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤記錄，對(duì)比正常時(shí)的數(shù)據(jù)記錄對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)和優(yōu)化。

3 六輥精軋機(jī)自激振動(dòng)產(chǎn)生的原因及診斷控制方法

自激振動(dòng)是指在沒有周期性外力的作用下，由系統(tǒng)內(nèi)部激發(fā)、反饋產(chǎn)生的周期性振動(dòng)，大多數(shù)情況下其振動(dòng)頻率與系統(tǒng)的固有頻率相近。由于維持振動(dòng)所需的交變力是由振動(dòng)過程本身產(chǎn)生的，所以系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)一停止，交變力也隨之消失，自激振動(dòng)也就停止。

自激振動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)由振動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成的閉環(huán)系統(tǒng)。振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制著調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用，而調(diào)節(jié)系統(tǒng)所產(chǎn)生的交變力又控制著振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，兩者相互作用，相互制約，形成了一個(gè)封閉的自振系統(tǒng)。自激振動(dòng)有如下特性：(1)自激振動(dòng)是一種不衰減的振動(dòng)，外部振動(dòng)源在最初起觸發(fā)作用，但維持振動(dòng)所需的交變力是由振動(dòng)過程本身產(chǎn)生的，所以系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)一停止，交變力就隨之消失，自激振動(dòng)停止；(2)自激振動(dòng)的頻率等于或接近系統(tǒng)的固有頻率；(3)自激振動(dòng)是否產(chǎn)生以及振幅的大小取決于振動(dòng)系統(tǒng)在每一周期內(nèi)輸入和消耗的能量的對(duì)比情況。

軋制油潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)對(duì)軋機(jī)的自激振動(dòng)影響很大。潤(rùn)滑條件太好，摩擦系數(shù)太小，易引發(fā)機(jī)架打滑，造成機(jī)架自激振動(dòng)。另外摩擦系數(shù)變化致使軋制壓力變化，導(dǎo)致系統(tǒng)剛度發(fā)生周期性變化，引發(fā)軋機(jī)自激振動(dòng)。潤(rùn)滑條件差，輥縫中的油膜厚度小于需要值，容易導(dǎo)致軋制過程中油膜破壞而引起軋制力變化，導(dǎo)致系統(tǒng)剛度發(fā)生周期性變化，引發(fā)軋機(jī)自激振動(dòng)。軋機(jī)的軋制油系統(tǒng)是軋制過程中的關(guān)鍵因素之一，合適的油品、油溫、冷卻量及輸出壓力，可以帶走軋制變形熱，對(duì)軋制區(qū)起到潤(rùn)滑油膜的作用，減小軋制力改善板型。調(diào)試好上述條件后，需要一套性能優(yōu)秀的軋制油過濾系統(tǒng)，并摸索出適合本設(shè)備的過濾規(guī)程，例如硅藻土、白土添加比例及添加量，預(yù)涂與吹掃周期等，這樣才能使設(shè)備長(zhǎng)期處于良性循環(huán)，避免因軋制油變質(zhì)和污染造成軋機(jī)潤(rùn)滑冷卻性能變化，進(jìn)而影響軋制帶材表面質(zhì)量的穩(wěn)定。

另外，軋輥磨削過程中由于砂輪的進(jìn)給量一般都不大，砂輪寬度較橫向進(jìn)給量大，當(dāng)軋輥轉(zhuǎn)過一圈開始磨削下一圈時(shí)，砂輪必然和已磨削過的上一圈表面相接觸，即產(chǎn)生重疊磨削。如在前一圈磨削時(shí)，由于偶然的干擾(砂輪表面的瑕疵、沖擊、軋輥表面硬化點(diǎn))，加工表面將產(chǎn)生振紋。當(dāng)軋輥轉(zhuǎn)至下一圈時(shí)，由于磨削到重疊部分的振紋，使磨削厚度發(fā)生變化，從而引起磨削力的周期性變化，使砂輪發(fā)生振動(dòng)，而在本轉(zhuǎn)磨削產(chǎn)生新的振紋。這個(gè)振紋又影響到下一轉(zhuǎn)的磨削，從而引起持續(xù)的再生自振。軋輥磨削質(zhì)量的好壞直接影響產(chǎn)品表面質(zhì)量及生產(chǎn)效率，有時(shí)帶材表面的強(qiáng)迫振紋會(huì)與軋輥表面的磨削振紋交叉作用，使帶材表面質(zhì)量急劇下降。因此，定期對(duì)磨床設(shè)備的軋輥固定托瓦、撥盤，磨削中的砂輪支撐臂剛度檢查，對(duì)砂輪法蘭盤進(jìn)行動(dòng)平衡檢查，以及砂輪是否修磨正常的檢查是十分必要的。

4 總結(jié)

軋輥輥縫彈性系統(tǒng)中軋制負(fù)荷的變化ΔP1與由此而產(chǎn)生的軋輥間隙變化ΔS的比KR稱為軋輥間隙的彈性常數(shù)。根據(jù)軋輥輥縫彈性公式：

(3)

式中，KR為軋輥間隙的彈性常數(shù)；S為施加了軋制負(fù)荷狀態(tài)的實(shí)際軋輥間隙；h為機(jī)架出口厚度；P1為每一單位板寬的軋制負(fù)荷；v為機(jī)架出口處的軋輥壓扁變形量；Δh=H-h。

(2)

通過對(duì)軋制過程中發(fā)生的強(qiáng)迫振動(dòng)、負(fù)摩擦自激振動(dòng)、重疊自激振動(dòng)的分析和區(qū)分，對(duì)軋制帶材表面產(chǎn)生振紋的分類比較，并提出利用排除法查找振源的方法，從而推出解決帶材振紋的步驟及有效措施。但是由于六輥精軋機(jī)存在軋輥多、控制系統(tǒng)復(fù)雜且振動(dòng)多是交叉發(fā)生的等因素，還有待進(jìn)一步研究更有效的預(yù)防及改進(jìn)方法以解決多輥系軋機(jī)復(fù)雜的振動(dòng)故障。