1420轧机轧制T5料时的振动机理及工艺优化研究

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3.0 牛悦 2024-11-07 30 4 23MB 62 页 15积分
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1420 轧机轧制 T5 料时的振动机理
及工艺优化研究
摘 要
轧钢机的振动问题是国际冶金界普遍存在的热点和难题。由于轧钢机设备
的传动链长，工艺情况复杂，因此轧钢机上振动产生的原因也多种多样。历史
上国内外针对轧钢机的振动问题的解决都进行过不同的尝试，为这方面的研究
积累了宝贵的经验。
本文为了解决宝钢 1420 冷连轧机五号机组的振动问题，结合理论分析得出
结论：轧机的振源在上下工作辊之间的辊缝中，轧机振动的原因即振因是由于
轧件材料的硬度变化及轧制速度的提高使得轧机上下工作辊之间的辊缝摩擦力
下降，从而产生了扭转自激振动现象及“琴振”现象，在这两种现象的共同作
用下，轧机系统的共振现象就随之产生。
本文建立了辊缝中的振动方程并通过分析“琴振”现象求解出振源的主频
率；再对整个系统进行建模，并运用 Ansys 有限元分析软件对系统及其各部件
的固有特性进行了分析，找到了与现场测试情况非常吻合的易引起共振的固有
频率，从而为本文有效地解决振动问题提供了依据。
经过以上理论分析，并结合对现场实测数据的研究与校验，最终本文确定
了解决振动的工艺改善措施。即：通过增大润滑剂的粘度来增大辊间摩擦力，
同时通过调整轧制力和带钢张力来改变“琴振”频率从而避开共振频率。实测
校验结果证明：该方案收到良好的效果，得到厂方的一致认可。
关键词：轧机 辊缝 摩擦因素 琴振 自激振动 有限元
ABSTRACT
The trouble of vibration on the rolling mill is a universal problem in the field of metallurgy.
Because of the long driving-chain and complex technical conditions, the causes of vibration on a
mill are intricate. Hitherto, large numbers of work has been done for resolve this kind of problems,
and a great deal of valued experience has been accumulated.
To solve the vibration problem on the 1420 Tandem Cold mill of Bao-Steel Group, the data
gathered on the spot has been studied and a conclusion has been reached: the slot between the two
rollers is the source of the shake, and the decline of the friction between two rollers as result of the
changed rigidity of material and increased rolling velocity is the cause of the vibration. So “string-
shake” and torsion self-excitation vibration of the working rollers have been produced. Exposed to
the two oscillations, the system’s intense sympathetic vibration happened.
In this thesis, calculation in theory has been done firstly with establishment of the vibration
equation and the main frequency of the oscillation is found by studying the phenomena of the
“string-shake”; then the modal of the system has been modeled, and through analyzing natures of
the system and its parts by finite-element Ansys analysis, natural frequency in connection with the
main vibration- frequency has been discovered. Because the frequency is very close to the testing
data, the study has offered basis to solve the problem effectively.
Combine the theory analysis and the study on the data received by the field test, the
ultima optimize scheme has been offered. That is, by increasing the viscosity of the
lubricant to augment the friction between the rollers, synchronously, adjusting the
rolling force and the strip-steel’s tensile force to change the frequency of the “string-
shake” to keep away from the resonance-frequency. The measure proved by result of
the testing is efficient and received consistent approbation.
Key word: mill, roller slot, friction factor, string-shake, self-
excitation, finite-element
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪论...............................................................................................................1
§1.1 概论.....................................................................................................................1
§1.2 轧机振动研究的历史与现状.............................................................................1
§1.2.1 美国 2030mm 带钢热连轧机的测试工作..................................................1
§1.2.2 加拿大钢铁公司仿真技术的开发..............................................................2
§1.2.3 前苏联对轧机扭振问题的系统研究..........................................................3
§1.2.4 日本钢公司五机架冷连轧机的颤振..........................................................4
§1.3 本课题的提出.....................................................................................................5
§1.4 本文主要工作.....................................................................................................6
第二章 1420 轧机振动的振因振源分析..................................................................8
§2.1.影响轧机振动的一般因素.................................................................................8
§2.1.1 轧制速度的影响..........................................................................................8
§2.1.2 辊缝中摩擦因素的影响 ............................................................................8
§2.1.3 轧件厚度的影响........................................................................................10
§2.1.4 带钢张力的影响........................................................................................10
§2.1.5 速度差的影响............................................................................................10
§2.2 五号轧机轧制 T5 料时振动产生的现象归纳.................................................11
§2.3 1420 轧机振源及振因的确定..........................................................................12
§2.3.1 振源的确定................................................................................................12
§2.3.2 振因的确定................................................................................................12
第三章 1420 轧机的自激振动分析........................................................................14
§3.1 辊缝中摩擦因素的简化...................................................................................14
§3.2 振动方程的建立...............................................................................................14
§3.3 振动方程的求解...............................................................................................15
§3.4 数据计算结果...................................................................................................18
第四章 轧机系统的“琴振”分析.........................................................................20
§4.1“琴振”的概念..................................................................................................20
§4.2 速差与“琴振”分析.......................................................................................20
§4.2.1 速差的分析................................................................................................20
§4.2.2 工作辊与轧件表面的摩擦机理................................................................21
§4.2.3“琴振”的产生及其周期计算...................................................................22
§4.2.4“琴振”周期 T（或频率 f）的影响因素..................................................23
§4.2.5“琴振”扰力的傅立叶展开.......................................................................24
§4.2.6 在“琴振”时，辊缝中的扰力幅计算....................................................25
§4.2.7 1420 连轧机五号机座在轧制 T5 料时的一个测算.................................26
§4.2.8“琴振”向自激振动的演变过程分析.......................................................28
第五章 1420 冷连轧机五号机组的固有特性分析................................................29
§5.1 机架的固有频率计算.......................................................................................29
§5.2 轧辊的固有频率计算.......................................................................................34
§5.2.1 工作辊的固有特征计算............................................................................34
§5.2.2 中间辊的固有特征计算............................................................................37
§5.2.3 支撑辊的固有特征计算............................................................................41
§5.3 万向接轴的固有特征计算...............................................................................44
§5.4 1420 轧机 5号机座系统固有特性分析...........................................................47
§5.5 总结...................................................................................................................54
第六章 1420 冷连轧机实测分析及具体改进措施................................................55
§6.1 给出工艺改善方案...........................................................................................55
§6.2 具体实测情况...................................................................................................56
§6.2.1 实测安排与任务目标................................................................................56
§6.2.2 测试方法及现场测点安排........................................................................56
§6.2.3 振动实测结果............................................................................................57
§6.3 实测结果及改进措施的综合评价...................................................................60
第七章 结束语.........................................................................................................61
参考文献...................................................................................................................62
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及成果...............................................63
致 谢.......................................................................................................................64
第一章 绪 论
§1.1 概论
根据动力学的观点，任何机械振动按其产生的原因都可以分为以下 4种：
自由振动—在机械系统受到干扰而破坏了其平衡状态后，由系统的弹性恢复
力来维持的振动。当系统有阻尼时，由于在振动过程中只有能量消耗而无输入，
振动将逐渐衰减，自由振动的频率就是系统的固有频率。
受迫振动—由外界持续激振力引起和维持的振动。振动的频率就是激振频率。
自激振动—系统在一定条件下没有外部激励力而由系统本身产生的交变力激
发的一种周期性振动。振动的频率接近于系统的固有频率。
参数共振—由于系统参数变化而产生的振动。
根据轧钢机的受力特点，可将轧钢机部件按两种不同的载荷传递系统进行
振动分析[1]。一种，受载系统是轧钢机的主传动系统，包括轧辊、连接轴、主
电机电枢等。这个系统的外载荷主要是轧制力矩及主电机磁场作用在电枢上的
扭矩。另一种，轧机受载系统是轧机工作机座系统，包括轧辊、轴承座、压下
螺丝、压下螺母（或液压压下油缸系统）、弯辊装置、机架牌坊等。这个系统
的外载荷主要是轧制力、弯辊力、平衡力等。轧钢机主传动系统的振动系统主
要是扭转振动，而轧钢机工作机座的振动形式主要是垂直振动。
§1.2 轧机振动研究的历史与现状
轧机的扭转振动是从生产过程频繁出现的传动零、部件破坏事故逐步认识的 。
这类破坏事故用机械静强度理论是无法解释的。原来,轧机传动系统在外载荷的
作用下,将发生扭转振动,传动零件的扭矩波幅超过一定的值和一定的作用时间将
发生疲劳损伤，降低零件的使用寿命。剧烈的振动还会引起零件的突然断裂或
很大噪声。通常用“扭矩放大系数”来评定机械传动系统对某一外加载荷的响
应。扭矩放大系数用下式表示[2]：
扭矩放大系数(TAF)=弹性系统的最大扭矩/外加扭矩 (1-1)
式中TAF 系英文Torque Amplitude Factor 的缩写。
§1.2.1 美国 2030mm 带钢热连轧机的测试工作[3]
鉴于钢铁生产的发展，如钢锭数量增加、生产节奏加快，使轧机事故频繁。
1973 年美国钢铁工程师协会和Jones & Laughlin 钢铁公司公布了一个研究计划，
它比较集中地反映了当时轧机扭转振动的研究状况。该研究计划的主要内容包
括：
1) 在实际轧制条件下实测轧机对各种典型的冲击载荷的响应；
2) 研究轧制工艺参数和轧机传动系统响应之间的统计学关系；
3) 轧机传动系统对任一外载荷函数响应的分析程序；
4) 建立轧制速度规格和轧机传动系统响应之间的关系；
5) 改进实测用的传感器和其他仪器。
Jones & Laughlin 钢铁公司下属的Cleveland 工厂有一套2030mm 热带钢轧机，
该轧机的精轧机组由六列机列组成，轧件厚度由 25.4mm 轧至2~10mm.精轧第
三机列，由于零件失效引起的停车事故率占总事故的35%，故对该轧机列进行
研究：包括现场测试、电模拟及按经典振动理论进行扭振计算等三个方面。研
究中考虑了部件之间的间隙、齿轮轮齿的刚度、部件互相之间以及转动部件和
支撑部件之间的阻尼等因素。现场测试包括轧辊扭矩、连接轴扭矩、电机输出
轴扭矩、连接轴套筒和轧辊头间隙、齿轮座齿轮间隙、安全销应力、电机启动
特性等参数测量。连接轴套筒和轧辊头接触间隙磨损量为设计间隙的10 多倍。
因此，实测是在轧机设计间隙条件下和运转一年后的间隙条件下分别进行的。
实测中发现，轧件头部形状对传动系统冲击载荷的大小有很大的影响。切头
平直的轧件进入轧辊，相当于施加一阶跃函数载荷。不切头的轧件进入轧辊，
相当于施加一斜坡函数载荷作用于传动系统。在实际生产中为提高轧材质量，
轧件进入精轧机组前，由切头飞剪将切头切成一定弧形，一般由于曲度很小，
也会引起较大的冲击载荷而使扭矩放大。
经过以上三方面的研究、对比和分析，取得以下几点共识：
1) 保温帽头部有利于降低TAF 值；
2) 消除传动环节中的间隙对降低TAF 有重要意义；
3) 机械保险应是高度敏感的先损零件，并靠近工作辊。
§1.2.2 加拿大钢铁公司仿真技术的开发[4]
70 年代中期，加拿大钢铁公司因为连年事故频发，影响正常生产，决心投入
较大精力从事轧机动态性能的研究，以改进轧机设计工作，为此曾做了以下工
作：
1) 建立了机、电系统动力学的数学模型，应用计算机仿真技术求得轧机瞬态
及稳态的动力学特性；
2) 推导了轧机咬钢时的动态扭矩数学模型（计算了电机轴段的TAF 值）。
以上数学模型（应用应变仪测量数据进行了对比验证）在以下轧机上得到了
应用：万能板坯轧机、初轧机、板坯轧机、2800mm 板坯轧机、3700mm 板坯轧
机、1400mm 热带钢轧机以及四机架和五机架冷连轧机。
此外，还进行了机械系统在共振时的稳态强迫振动的研究。
仿真计算用的数学模型，考虑了咬入时间、传动环节中的间隙情况及钢锭或
钢坯的撞击效应等。对瞬态扭振而言，第一峰或第二峰值是最重要的。由经验
可知，阻尼对第一峰值可以忽略，因而在仿真计算中阻尼被忽略了。
对Stelco 工厂 1400mm 热带钢连轧机的六架精轧机组的电机轴的TAF 仿真计
算如下：
机架号 No.1 No.2 No.3 No.4 No.5 No.6
TAF 1.88 1.92 2.70 2.18 1.84 1.80
这些计算值与实测值基本接近，差异在于配合面磨损后的间隙量。这是决定
TAF 的重要因素。
对2080mm 板坯轧机及立辊轧机的测试表明：当立辊轧机减速时，所有间隙
对轧制方向是敞开的，这时突然咬入轧件而使所有敞开的间隙重新闭合，这样
必将引起冲击，造成传动系统的高 TAF 值。这种情况在实测示波图中有明显的
反映，TAF 值达到3.4~3.6。
立辊和水平辊的线速度是否同步，对传动系统的动态扭矩及TAF 值的影响是
一个至关重要的因素。
对可逆式初轧机的测试表明，当轧机减速、间隙敞开的条件下咬入钢锭时，
扭振强烈，TAF 值很大，可达到电机额定力矩的2~3 倍甚至更高；而当轧机加
速、间隙闭合条件下咬入钢锭时，扭矩微弱，TAF 值也低，甚至接近 1。这些
实测数据，也都在仿真计算中通过改变间隙得到验证。
在一次初轧机测试中，捕捉到在轧制过程中出现轧辊打滑，引起强烈的扭振
现象。这是铁鳞造成的轧辊打滑，使轧辊丧失轧制能力，而轧制任务由另一辊
全部承担。这样突然的载荷变化所形成的阶跃加载效应在传动系统中引起强烈
扭振现象。
§1.2.3 前苏联对轧机扭振问题的系统研究[2]
前苏联在 60 年代由于冶金生产过程的强化，以及自动化对机械设备提出了减
轻重和提高质量的要求，这些要求迫使机械设计师重新审查已有的设计并寻求
新的计算方法以确定及其在不稳定运转过程中的动态响应。一批学者、专家曾
经在现场测试和理论研究等方面作了大量有益的工作。
在某些大压下量轧机（初轧机、扁坯初轧机、大型钢坯轧机以及板轧机等）
的实际工作中，有时出现轧辊打滑的不稳定过程，这种现象在咬钢时以及稳定
轧制过程中都有可能发生。而打滑的形式有全滑、断续性或中止性打滑以及周
期性打滑等。在周期性打滑过程中，轧件对轧辊的压力呈周期性外扰。同时，
打滑的出现还可能引起主传动系统的自激振动。由于这种自激振动所引起的弹
性扭矩有可能达到零件强度的危险值。
研究指出，对于同一机械系统在不同受载（外扰）条件下的扭振频率是不一
样的，通常外扰力（力矩）有以下三种情况：
1) 外扰是时间的函数；
2) 外扰是速度的函数；
3) 外扰是位移的函数。
除第一种情况的扭振响应频率等于该机械系统的固有频率，第二、三种情况
都不同于该系统的固有频率，这时由于它们的特征方程的根所决定的。其频率
改变量通常在低频机械系统中较为显著，在高频系统中比较微弱。
理论研究和实测结果都表明，电机力矩的波动在高频机械系统中的反映是微
弱的，而在低频（f<1.5Hz）机械系统中的反映都比较明显。在后者的情况下，
机械传动系统的扭振波几乎与电机力矩的波动一致，只是少许滞后。可以认为，
电机的力矩变化对于高频机械系统的动载荷最大值不至引起重大影响。但在低
频系统的动态响应分析中，电机特性相对地较为重要。所以，在进行机械系统
的动态分析中，首先查明机械系统的频率特性是有好处的。如果属于高频系统，
摘要：

1420轧机轧制T5料时的振动机理及工艺优化研究摘要轧钢机的振动问题是国际冶金界普遍存在的热点和难题。由于轧钢机设备的传动链长，工艺情况复杂，因此轧钢机上振动产生的原因也多种多样。历史上国内外针对轧钢机的振动问题的解决都进行过不同的尝试，为这方面的研究积累了宝贵的经验。本文为了解决宝钢1420冷连轧机五号机组的振动问题，结合理论分析得出结论：轧机的振源在上下工作辊之间的辊缝中，轧机振动的原因即振因是由于轧件材料的硬度变化及轧制速度的提高使得轧机上下工作辊之间的辊缝摩擦力下降，从而产生了扭转自激振动现象及“琴振”现象，在这两种现象的共同作用下，轧机系统的共振现象就随之产生。本文建立了辊缝中的振动...

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