冷轧平整机振纹实测研究

第 29卷 第 6期 2007年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vo1．29 No．6 Jnn．2007 冷轧平整机振纹实测研究 侯福祥 张 杰 史小路 曹建国 谢建强2 王 聪2) 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 摘 要 针对某 1700冷轧平整机支持辊表面振纹问题进行了连续跟踪测试．在对平整机固有特性研究的基础上，通过对支 持辊各个使用时期内振动信号的分析与比较，得到了平整机的振动特征以及振动与振纹之间的相互影响关系：在支持辊使用 初期，平整机系统的振动以自激振动为主，振动频率为 150Hz，在稳定轧制阶段工作辊对支持辊的相对运动形成支持辊表面振 纹：在支持辊使用中后期，由振纹引起的强迫振动进一步加速了振纹的形成，系统的振动为强迫振动和自激振动共存．在对振 纹形成过程认识的基础上提出了振纹抑制措施，即在轧件入 El侧增加抑振辊或改变轧制速度． 关键词 平整机；振纹；自激振动；强迫振动 分类号 TG335．21；TH113．1 带钢生产中轧件和轧辊表面振纹缺陷是普遍存 在的问题，国内外学者从不同的角度做过许多研究 工作【1-7]．由于平整机系统的复杂性和振纹诱因的 多样性，对振纹问题还未找到普遍适用的抑制措施， 只能采取具体问题具体分析的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ． 某冷轧厂 1700平整机出现了振纹现象，支持辊 在使用一段时间后，表面常出现明暗相间的条纹，如 图 1所示，条纹与轧辊轴线平行，间距均匀，约为 30．3 rflrf1．条纹会随支持辊使用时间的增加而逐渐 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 d左右缩短到了 10d左右． 图 1 支持辊表面振纹 Fig．1 Chatter marks On the surface of a backup roll 本文对平整机振纹问题进行了连续跟踪测试， 寻找振纹的形成原因，以便提出相应措施． 收稿日期：2005—12—29 修回日期：2006_o9_o6 基金项目：国家自然科学基金重点资助项 目(No．59835170) 作者简介：侯福祥(1976一)，男，博士研究生；张 杰(1960一)，男， 教授．博士生导师 1 平整机振动测试 1．1 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．测试从新支持辊上机使用开始直 到辊面出现振纹下机止，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． 1．2 振动信号分析 在一卷带钢的平整过程中，根据带钢的速度，平 整机的工作状态分为升速、稳定和降速三个阶段． 在支持辊的一个换辊周期中，根据辊面振纹的强弱， 把支持辊的使用状态分为初期、中期和后期三个时 期．测试结果表明，在各测点中，工作辊垂直振动信 号最具代表性．以上工作辊传动侧垂直振动信号为 例，从时域和频域两个方面对不同时期，不同速度阶 段的平整机振动情况进行对比分析，以了解平整机 的振动特征及振动与振纹的关系． (1)持辊使用初期．此阶段支持辊表面还未出 现振纹，轧制速度曲线、振动时域波形和相应频谱见 图2～4．参照速度曲线，由图 3可见，在升速阶段 i 蔷 时间，s 图 2 轧制速度曲线图 Fig．2 Rolling speed curve 维普资讯 http://www.cqvip.com 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷 (0～30 S)，振幅随轧制速度的升高而发散，在速度 稳定阶段，振幅也相应稳定，160 S处轧制速度因过 焊缝有一减速过程，图3中振幅也随之减小．可见， 振幅随轧制速度的变化而变化．由图 4(a)可见，此 时振动能量主要集中在 150 Hz附近的低频区域。在 550 Hz附近有能量很低的频率成分． (2)支持辊使用中期．此阶段支持辊表面已有 轻微振纹出现，带钢表面还未出现振纹，此时的振动 1．5 1．0 之 0．5 0 锄 一 0．5 — 1·O — ． 1．5 图3 振动时域波形 Fig．3 Time domain diagram of the chatter (a) (b) (c) 图4 振动频谱．(a)初期；(b)中期；(c)后期 Fig．4 Frequency domain diagram of the chatter：(a)initial stage；(b)middle stage；(c)final stage 时域波形和初期类似，振动频谱已经和初期有明显 不同，如图4(b)所示．可见，此时的振动能量已经 向高频阶段偏移，原来能量集中的 150 Hz附近的频 率峰值已变得很微弱，550 Hz附近的高频区成为能 量最集中的区域，并在 300～400 Hz的频域内出现 了能量较弱的宽频振动． (3)支持辊使用后期．支持辊使用到后期，表 面振纹已经非常明显，若不及时换辊，轧件表面将出 现振纹．此时振动频谱如图 4(c)所示，图5为相应 的轧制速度曲线．可见，此时的振动频谱图上振动 能量已非常集中，在升、降速阶段出现了振动峰值频 率随轧制速度移动的“频移”现象，在 1 000 m·min 的稳定轧制速度下。振动能量集中在单一的 550 Hz 附近 ． 图 5 轧制速度曲线 Fig．5 Roiling speed curve 总结以上三个阶段的分析可知，系统振动能量 随支持辊使用时间的延长而增强。初始阶段振动能 量集中在低频阶段，然后向高频阶段移动，最后集中 在 550 Hz附近．在支持辊表面形成振纹时，频谱图 中出现了频移现象． 1．3 振纹和振动的联系 通过以上分析发现支持辊表面形成的振纹间 距、轧制速度和振动峰值频率三者之间存在着密切 的对应关系，由现场测试知该平整机的稳定轧制速 度为 =1 000 m·min～，振纹间距 =30．3 mm，可 以推算出振动频率 ，'： ， 550Hz (1) 这一结果与实际测量结果完全一致．由以上频 谱分析知，该峰值频率在轧辊使用初期就已经存在， 故可以认为支持辊表面的振纹是在稳定阶段由 550 Hz所对应振动引起． 2 振动类型判断 2．1 系统固有频率 根据平整机结构特点，建立了平整机的六 自由 度非对称集中质量垂直振动计算模型，辊系简化为 四个等效质量。机架与上、下横梁以及压下油缸简化 为两个等效质量．由该模型计算的固有频率见表 1． 表 1 平整机固有频率 Table 1 Natural frequency of the temper mill 由表 1可见，第 6阶固有频率与实际测量得到 的垂直振动频率 550 Hz十分接近，而该阶振型如 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 6期 侯福祥等：冷轧平整机振纹实测研究 图6所示，图中各等效质量从左至右依次为上横梁、 上支持辊、上工作辊、下工作辊、下支持辊与下横梁． 可见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振动为第6阶振动．辊系 间的这种相对运动有助于支持辊表面振纹的形成． 上横梁 上支持辊上工作辊下工作辊下支持辊下横梁 图6 平整机的第 6阶振型 Fig．6 The 6th mode shape of the tempe r mill 2．2 振幅随速度升高而发散的机理分析 由图3可知，工作辊振幅随轧制速度的升高而 发散，对其机理的揭示必将有助于抑振措施的提出． 根据实测和振型分析知，平整机发生 550 Hz的 振动时上下工作辊反向运动，工作辊的振幅远大于 支持辊，故该振动可简化为图 7所示的单 自由度振 动模型．图中 】、 2分别为轧件进、出口速度，h 、 h 分别为轧件进、出口厚度．设上工作辊的位移为 Y=Y +Asinwt，Y 为稳态轧制时工作辊位移，A为 振幅，∞为振动角频率，t为时间．于是， h 2=h2 +2Asinwt (2) = ^2 + 2 A — v2 "O1 sin∞￡="O1 +"O1 (5) 2^s+ ∞￡ s+ var (5) 入口速度变化造成平整机入口和开卷机之间轧 件长度的变化为： Lva ： 一 cos∞ (6) 由此而得入口张力的变化为： =一 cos∞ ㈩ 式中，L为轧件入 口到开卷机之间的距离，E为材 料的弹性模量． 根据轧制理论，轧制压力可表示为： P=Q。(k—O"a)b√R Ah (8) 式中，Q。为压力不均影响系数；k为平均变形抗力； 为平均张应力，一般取 =0．7a1+0．3a2， 1为 后张力， 2为前张力；b为轧件宽度；R 为工作辊弹 性压扁半径；Ah为轧制前后轧件厚度变化． 因此，由后张力变化造成的轧制压力的变化为： P ai-： 旱 ㈣￡ (9)L v r ⋯w ＼ ， 在 P 作用下图7所示工作辊的振动方程为： Y一 + ceqY‘+k eqY=P (10) 式中， 为振动系统的等效质量，c 为振动系统的 等效阻尼系数，是 为振动系统的等效刚度． 将式(9)带入式(10)得： 由轧制过程中秒流量相等的原则可得： +(f 一f ) +keqY：0 (11) 图 7 轧制过程振动模型 Fig．7 Vibration model in rolling process 由于平整机在实测振动中前滑率基本不变，可 以认为轧件出口速度 2在振动过程中保持不变，假 设来料厚度均匀，则轧件入口速度可表示为： 1： + 幸 (4)4 —■～十——— —一 L) ，‘1 ，‘1 将式(2)带入式(4)并略去高阶小量得： 其中， 1．4Q。 2E6√R Ah 。 h，∞2L ‘ P 对系统的作用表现为负阻尼特性，并且 c 随轧制速度( 2)的升高而增大．可见，系统的振动 是由于张力变化引起的自激振动，振动幅度随轧制 速度的提高而增大． 2．3 升频现象分析 由振动跟踪观测分析可知，升频现象出现在支 持辊表面形成振纹之后，因而有理由认为此现象是 由振纹引起． 在系统 自激振动的作用下，支持辊表面振纹一 旦形成，支持辊对工作辊的作用会因振纹的存在而 形成一个附加激励，该激励可表示为： F d： sin( ) (12) 式中， 为振纹影响系数， 为轧制速度， 为振纹 间距． 维普资讯 http://www.cqvip.com 北 京 科 技 大 学 学 报 第 29卷 对于图 7所示的工作辊单自由度系统，在此附 加激励作用下的振动方程为： 。qY十f e‘】 十是e‘】Y=F d (13) 对此单自由度强迫振动系统，由振动理论可知， 响应频率和外激励 Fad的频率一致，由式(12)知 F d 的频率 fad=口／ ，在振纹间距 已为定值的情况 下，，ad随轧制速度的提高而升高，如图 4(C)所示． 可见，升频现象是由支持辊表面振纹引起的强迫振 动的反映． 综上所述，在支持辊使用初期阶段，平整机的振 动为自激振动；而在振纹形成之后，为自激振动和强 迫振动共存． 3 振纹抑制措施 由以上分析知振纹的形成过程为：自激振动在 稳定轧件速度下形成支持辊表面振纹，辊面振纹形 成后对工作辊产生激励作用，形成强迫振动，进一步 加速了振纹的形成． 基于对振纹形成过程的认识，对振纹的抑制可 采取以下措施：(1)在轧件入口侧增加抑振辊；(2) 实行变速轧制． 由以上分析知，系统自激振动是由于入口张力 的波动引起，在轧件入口侧增加抑振辊可以调节张 力变化，抑制或消除自激振动，从而消除振纹形成的 基础；振纹是在稳定轧制阶段逐渐形成的，实行变速 轧制可以破坏振纹的形成条件，从而抑制振纹的形 成过程． 4 结 论 (1)在支持辊使用初期，平整机系统的振动以 自激振动为主，在稳定轧制阶段因工作辊对支持辊 的相对运动形成支持辊表面振纹． (2)在支持辊使用中后期，系统的振动为强迫 振动和自激振动共存，由振纹引起的强迫振动进一 步加速了振纹的形成． (3)在轧件入口侧增加抑振辊与实行变速轧制 均可有效抑制振纹的形成． 参 考 文 献 Nessler G L，Cory J F Jr．Cause and solution of fifth octave back— up roll chatter on 4一h cold mills and temper mills．Iron Steel Eng，1989，66(12)：33 陈勇辉，李巍华．四辊冷带轧机五倍频再生颤振机理的研究． 华中科技大学学报：自然科学版，2003，31(5)：55 Neib J R，Nicolas V T．Automated monitoring and control of vi— bration and chatter in rolling processes．AISE Year Book，1991， 1：269 Hardwick B．Benhafsi Y．Measurement of chatter marks formed during roll grinding．Alum Int Today，2004，16(3)：10 Nessler G L，Cory J F Jr．Identification of chatter sources in cold rolling mills．Iron Steel Eng，1993，70(1)：40 Hofmann W，Aigner H．Reduction of chatter marks during the temper rolling of steel strips．Stahl Elsen，1998，118(3)：69 陈培林，王泽济 带钢表面振动纹的研究．世界钢铁，2002， 4：28 M easurement of chatter marks on the backup roll of a cold temper mill HOU F“xiang¨，ZHANG Jie¨ ，SHI Xiaolu¨，CAO Jianguo¨ ，XIE Jianqiang ，WANG Cong ) 1)Mechanical Engineering School，University of Science and Technology P,eijing，Beijing 100083，China 2)Wuhan Iron＆ Steel(Group)Co．，Wuhan 430083，China ABSTRACT Continuous tracking measurements were conducted for eliminating the chatter marks of a 1700 temper mil1．The character of vibration and the interaction between vibration and chatter marks were found based on the study of inherent characteristics of the temper mill and the analysis of vibration signals in different periods．The primary vibration model was self—sustained vibration and the vibration frequency was 150 Hz in ini— tial stage，but in steady stage the relative movement between the work roll and the backup roll induced chatter marks．In middle and final period the primary vibration model was a coexistence of forced vibration and self—SUS— tained vibration，and the forming process of chatter marks was accelerated by forced vibration resulted from chatter marks．Based on the above studies SOme countermeasures are derived as follows：adding a roll to control vibration in the inlet side or changing the speed of temper rolling． KEY WORDS temper raill；chatter marks；self—sustained vibration；forced vibration 维普资讯 http://www.cqvip.com