平整机支持辊表面振纹形成原因及控制方法研究

平整机支持辊 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面振纹形成原因及控制方法研究 侯福祥 1①　张杰 1 　史小路 1 　谢建强 2 　王聪 2 　扈非 3 (1:北京科技大学机械 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 　北京 100083; 2:武汉钢铁 (集团 )公司 　武汉 430083; 3:上海同济大学理学院 　上海 200092) 摘要 　针对某 1700平整机支持辊表面振纹问题 ,进行了现场跟踪测试和振动模态分析 ,发现了平整机 振动频率、轧制速度和振纹间距三者之间的对应关系和轧辊表面之间的速差现象 ,掌握了振纹特征和形成原 因 ,并从速度控制方面提出了解决措施 ,取得了理想效果。 关键词 　平整机 　振纹 　振动 　控制 中图分类号 　TG333. 17　TH113　　　　　文献标识码 　A Research on the Form ing Reason and Control of Chatter Marks on Backup Roll of Temper M ill Hou Fuxiang1 　Zhang J ie1 　Shi Xiaolu1 　Xie J ianqiang2 　W ang Cong2 　Hu Fei3 (1: School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing; 2:W uhan Iron & Steel ( Group) Co. ; 3: School of Sciences, Tongji University Shanghai) ABSTRACT　Based on experimental researches on chattermarks of backup roll of a 1700 temperm ill, the re2 lationship among the vibration frequency of temper m ill, rolling speed and chatter wavelength and the Peripheral ve2 locity difference bewteen work roll and backup roll are found. The characters and form ing reasons of chatermarks are grasped. The countermeasures based on speed control are p roposed and considerable effects are achieved. KEYWO RD S　Temper m ill　Chatter mark　V ibration　Control 1　前言 某冷轧厂 1700平整机的支持辊在使用一段 时间后 ,表面常出现明暗相间的条纹 ,条纹会逐 渐加强并最终导致带钢表面出现特征相同的条 纹。为了避免这个情况的出现 ,不得不提前更换 支持辊 ,换辊周期由原来的 25天左右缩短到 10 天 ,甚至 5天。 一般认为 ,支持辊和带钢表面出现条纹与平 整机的振动有关 ,故称其为振纹。振纹现象在国 内外平整机和轧机上普遍存在 ,但在不同设备、 工艺条件下 ,振纹的表现有所不同 ,形成原因各 异。国内外学者从不同的角度做过许多研究工 作 ,如 Nessler等研究了辊系的弯曲振动特性以及 支持辊的五倍频程颤振 ,提出通过合理配置支持 辊直径和轧制速度来避免辊面振纹出现的方 法 [ 1～2 ] ; Bollinger等人研究发现了卷取传动系统 的齿轮啮合激励引起的平整机轧件表面振痕现 象 [ 3 ] ; Hofmann等人通过在平整机上安装表面质 量激光检测器发现有振纹的带钢表面存在厚波 ( Thickness wave)和形波 ( Form wave) [ 4 ]。但至今 —73— 　　Total No. 158August 2006 　　　　　　　 　　　冶 　金 　设 　备 METALLURGICAL EQU IPMENT　　　　　　　 　　总第 158期 2006年 8月第 4期 　　 ① 作者简介 :侯福祥 ,男 , 1976年出生 ,北京科技大学机械设计及理论专业博士研究生 ,研究方向为设备状态监控与故障诊断及控 制等 尚未掌握振纹的形成机理和控制方法。 针对平整机的振纹现象 ,通过现场测试和理 论研究 ,了解平整机振动特征和性质 ,观测振纹 形态和形成规律 ,分析其形成原因 ,以便提出解 决办法。 2　支持辊表面振纹特征 1) 现场测试发现 ,振纹与轧辊轴线平行 ,明 暗相间且连续 ,间距均匀 ,约为 30. 3mm,见图 1; 2) 上下支持辊表面均可出现振纹 ,但振纹强 度一般不同 ,且无明显规律 ; 3) 条纹明暗随观测或光照角度的变化可相 互转换 ,即明条纹变为暗条纹 ,暗条纹变为明条 纹 ; 　　4) 振纹在轧辊表面上的位置不固定 ,在辊面 圆周方向有纹移现象 ; 5) 明暗纹区表面粗糙度无明显差别。 图 1　支持辊表面振纹形状 图 2　各测点振动信号功率谱 3　平整机系统振动测试研究 3. 1　振动测试方法 采用加速传感器拾取平整机机架和辊系的 水平和垂直振动信号 ,以专用振动信号处理软件 对各测点信号进行实时观测和记录。共布置了 18个测点 ,见表 1。测试从新支持辊上机使用开 始直到辊面出现振纹而下机结束 ,连续记录各测 点的振动信号 ,同时观测支持辊表面振纹的形 态。 3. 2　各测点信号比较 表 1　测点分布表 编号 测量位置及方向 编号 测量位置及方向 a1 机架牌坊操作侧垂直 a10 上工作辊驱动侧垂直 a2 上支持辊操作侧垂直 a11 下工作辊驱动侧垂直 a3 上工作辊操作侧垂直 a12 下支持辊驱动侧垂直 a4 下工作辊操作侧垂直 a13 上工作辊操作侧水平 a5 下支持辊操作侧垂直 a14 下工作辊操作侧水平 a6 机架操作侧出口水平 a15 下支持辊操作侧水平 a7 机架操作侧入口水平 a16 上工作辊驱动侧水平 a8 机架牌坊驱动侧垂直 a17 下工作辊驱动侧水平 a9 上支持辊驱动侧垂直 a18 下支持辊驱动侧水平 —83— 总 　第 　158　期 　　　　　　　　　　　冶 　金 　设 　备 　　　　　　　　　　　　　　2006年 8月第 4期 测试结果表明 ,在平整机垂直振动中能量最 大、持续率最高的振动频率在 530～570Hz范围 内 ,如图 2所示 ,其核心频率为 550Hz。图 2中 a)、b)、c)、d)、e)分别为机架牌坊顶端 、上支持 辊、上工作辊、下工作辊和下支持辊垂直振动功 率谱。 将各测点的频谱进行对比后发现 , 550Hz频率的 振动在机架牌坊顶端最突出、集中 ,其次是上下 工作辊 ,再次是上下支持辊 ,这个结果与后面振 型分析的第 6阶振型相吻合。该频率在水平振 动中不明显 ,其典型功率谱如图 2f)所示。 3. 3　典型信号分析 通过各测点信号分析知 ,平整机各测点的垂 直振动频谱类似 ,核心频率均在 550Hz附近 ,现 在以上工作辊垂直方向的测试信号为例 ,从时域 和频域两个方面对支持辊表面出现振纹前后平 整机的振动特征进行对比分析。 3. 3. 1　时域分析 支持辊表面出现振纹前后的时域波形类似。 振幅随轧制速度的提高按指数规律增长 ,当速度 升到稳定阶段时 ,振幅也随之稳定 ,并随轧制速 度的降低而减小。这种振幅发散形式符合自激 振动特征。 3. 3. 2　频域分析 支持辊表面未出现振纹时平整机振动的频 谱如图 3所示 ,此时的峰值频率在 550Hz附近 , 并在 400Hz以下的低频段存在丰富的随机瞬态 振动。 图 3　振动频谱图 (无振纹 ) 图 4为辊面出现了振纹后的振动频谱图 ,图 5为相应的轧制速度曲线 ,该结果与未出现振纹 时的频谱图有两点明显的不同 ,一是振动的频率 更为集中 ,二是这个集中频率值随轧制速度变化 而变化。振动强度随轧制速度的提高而增强。 图 4　振动频谱图 (有振纹 ) 图 5　支持辊表面线速度 4　系统振动模态分析 根据振纹和系统振动特征 ,建立了平整机的 6自由度非对称集中质量垂直振动计算模型 ,辊 系简化为 4个等效质量 ,机架与上、下横梁以及 压下油缸简化为 2个等效质量。由该模型计算 的固有频率见表 2。 表 2　平整机固有频率 ( Hz) f1 f2 f3 f4 f5 f6 78. 6 115. 3 167. 7 324. 9 413. 9 532. 7 由表 2可见 , 532. 7Hz的第 6阶固有频率与 实际测量得到的垂直振动核心频率 550Hz十分 接近 ,而该阶振型所对应的两工作辊运动方向相 反 ,同侧工作辊与支持辊运动相反 ,工作辊振幅 大于支持辊 ,也与实测结果一致 ,故可以认为实 测到的 550Hz振动为系统的第 6阶振动 ,辊系间 的这种相对运动刚好有利于支持辊表面振纹的 形成。 由频谱分析知 , 550Hz的峰值频率在轧辊使 用初期 (即辊面未出现振纹时 )就已经存在 ,并随 辊面振纹的形成不断增强 ,当支持辊表面有明显 振纹出现时 ,振动瀑布图中就出现了峰值频率随 —93— 　侯福祥等 :平整机支持辊表面振纹形成原因及控制方法研究 2006年 8月第 4期 轧制速度变化而变化的频移现象。 5　轧辊表面线速度测试 1700平整机采用的是下工作辊单独驱动的 方式。为了分析轧辊表面的相对运动情况 ,采用 非接触式激光测速表对上、下工作辊和上支持辊 进行了表面线速度测试 ,结果表明在速度稳定阶 段 ,下工作辊表面速度最高 ,上工作辊次之 ,上支 持辊速度最低 ,在 1000m /m in的稳定轧制速度 下 , 下工作辊表面线速度比上工作辊快约 0. 58% ,上工作辊比上支持辊快约 0. 079%。由 此可见 ,平整机的工作辊和支持辊之间存在速度 差 ,即有打滑现象存在。 6　振纹形成原因分析 以上分析表明平整机的振动和振纹之间有 着密切的联系 ,例如在 v = 1000m /m in的稳定速 度阶段 ,振动频率为 550Hz,可以推断 ,这时工作 辊与支持辊的接触状态呈现一定的周期性 ,该周 期对应的波长 s为 : s = v f = 1000 60 ×550 ×10 = 30. 3mm 这个结果与实际测量到的轧辊表面振纹间 距相同 ,进一步证明了条纹与振动的关系。基于 以上分析可以得出这样的认识 :平整机垂直方向 的振动引起了轧辊之间压力的波动 ,在轧辊表面 之间存在相对滑动的情况下造成了辊间摩擦状 态的周期性改变 ,从而导致了轧辊表面振纹的产 生 ,而支持辊表面的振纹又作为激振源出现 ,对 系统的振动有促进作用 ,进一步加剧了振纹的 形成。 7　改善措施及效果 由于振纹的形成与轧制速度直接相关 ,因此 采取调整轧制速度的方法抑制振纹的形成便是 一个可行的方法。基于这种认识 ,在生产中采取 了两条振纹控制措施 :一是将轧制速度控制在 1000m /m in以下 ,二是通过合理安排不同规格产 品的生产次序使轧制速度产生周期性变化。 对措施实施前后各 5对支持辊工作周期内 的情况进行了统计 ,单对支持辊轧制带钢的平均 产量由原来的 3. 17万 t提高到现在的 5. 67万 t, 提高了 78. 86%。可见 ,措施实施效果明显。 8　结论 1) 平整机的振动和轧制速度直接相关 ,振动 核心频率为 550Hz,由理论计算知 ,相当于系统垂 直振动的第六阶固有频率 ,该阶固有频率对应的 振型有利于支持辊表面振纹的产生。 2) 平整机的支持辊和工作辊表面之间存在 着相对滑动 ,在系统垂直振动的共同作用下促成 了支持辊表面振纹的产生。振纹又作为振源出 现 ,对系统的振动有促进作用 ,进一步加剧了振 纹的形成。 3) 通过控制轧制速度可以延缓振纹的产生 , 延长支持辊使用时间。 参考文献 [ 1 ]Nessler G L, Cory J F J r. Identification of chatter sources in cold rolling m ills. Iron and Steel Engineer, 1993, Vol. 70 (1) : 40～45 [ 2 ]Nessler G L, Cory J F J r. Cause and solution of fifth oc2 tave backup roll chatter on 4 - h cold m ills and temper m ills. Iron and Steel Engineer, 1989,Vol. 66 (12) : 33～37 [ 3 ]Bollinger L A, Rap sinski T S. W inding reel involvement in temper m ill chatter. Iron and Steel Engineer, 1994, Vol. 71 (11) : 27～29 [ 4 ]Hofmann W , A igner H. Reduction of chattermarks during the temper rolling of steel strip s. Stahl und Eisen, 1998, Vol. 118 (3) : 69～72 (收稿日期 : 2006 - 03 - 18) 　　勘误 :本刊 2006年第 3期 P55页论文中的 C———钢液的比热计量单位应为 MJ /kg·K, LF炉变压 器额定容量 KVA表示更准确 ,而不要用 kW 或 MW 来表示 , Pn 为 LF炉放大器额定容量 kVA,而不是 LF炉的总功率。 —04— 总 　第 　158　期 　　　　　　　　　　　冶 　金 　设 　备 　　　　　　　　　　　　　　2006年 8月第 4期