D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1999.01.019 第21卷第1期 北京科技大学学报 VoL21 No.1 1999年2月 Journal of University of Science and Technlogy Beijing Feb.1999 非稳态轧制时轧机振动的形态与评判 杨竞) 郭兴旺2) 吴迪平1) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)北京航空航天大学，北京100083 摘要分析了轧制力矩的载荷谱与评判指标及非稳态轧制时扭矩载荷的状态，包括不均匀轧制 时载荷模态及打滑状态的振动模态及载荷图. 关键词非稳态轧制；轧机振动，形态和评判 分类号TG33 轧机在正常轧制时不存在振动现象，但是在 矩，P为轧制压力信号.扭矩具有突加载荷下衰减 非稳态轧制时，经常会因为振动的原因而发生严 振动的特征. 重的设备事故.这些事故多发生在轧机的传动系 统，使Φ600mm~中1000mm的传动轴或轧辊断 裂.事故的原因是轧制过程中的轧机失稳，如轧 辊与轧件之间打滑、上下轧辊的力矩分配不均 匀、前后轧件之间的冲击以及轧件出口时扣头撞 M 击机架辊或溜板等，这时的振动往往是发散型的 自激振动，具有很大的能量.因此，对轧制过程中 图21150初轧机的扭振示波图 的工作载荷，特别是轧制力矩的状态，需要进行 图3为2300中板轧机的实测扭振示波图， 系统研究，制定抑制振动的措施 图3(a)表明扭矩具有突加载荷下衰减振动的特 征；图3(b)则显示了轧制咬钢时发生打滑的扭 1轧制力矩的载荷谱与评判指标 振，前面的两个小振峰，反映了两次冲击没咬进 去而打滑，轧制力矩加载又卸载振动衰减，随后 在平稳低速咬钢轧制过程中，轧制力矩表现 为梯形图，平稳轧制阶段力矩只有很小的波 咬钢成功，传动轴上承受了大的冲击扭振 动，而在非稳态轧制时，传动系统产生扭振，在很 图4为扭矩波形指标描述图.图中平均值M, 短的时间内(0.01s),产生很大的力矩振幅. 最大值Mmx,最小值Mn,扭矩放大系数TAF;6方 图1为1700板轧机第3个道次轧制时力矩 程中超调量△M。,峰值Mp,上升时间4，峰值时 的实测示波图，上、下轴扭矩放大系数(TAF)分别 间，衰减时间Ts,振荡次数Nv,轧制时间t等.其 为1.91和1.59. 中TAF和M是2个重要评判指标.几个指标定义 如下： M(d:TAFM -an AM =Mmax -M;Mp Most Mnin 为了分析力矩的动态特性，需要对不同工 图11700板轧机扭振示波图 艺的大量实测数据进行统计分析，对上、下轴 图2为1150初轧机的轧制双钢锭时的扭振 最大扭矩进行批量处理的统计.统计分成3个区 实测示波图，M,为上轧辊的扭矩，M,下轧辊的扭 域：轻载区L(light)、通常区U(Usual)和危险D (Dangerous).同时可显示样数n,样本边界和频 1997-12-13收稿杨竞男，38岁，颐士
第 卷 年 第 期 月 北 京 科 技 大 学 学 报 非稳态轧制时轧机振动的形态与评判 杨 竞 ’ 郭兴 旺 吴 迪平 ‘ 北京科技 大 学机械工程学院 ， 北京 北京 航空 航 天大学 ， 北京 摘 要 分 析了轧制力矩 的载荷谱与评判指标及 非稳态轧制时扭矩 载荷 的状态 ， 包括不均匀轧制 时载荷模态及打滑状态 的振动模态及载荷 图 关键词 非稳态轧制 轧机振 动 ， 形态和评判 分类号 轧 机 在 正 常轧 制 时不 存在 振 动现 象 ， 但是 在 非 稳 态 轧 制 时 ， 经 常 会 因 为振 动 的原 因而 发 生 严 重 的设 备事 故 这 些 事 故多 发生 在 轧机 的传动 系 统 ， 使中 一 中 的传 动轴或轧辊 断 裂 事 故 的 原 因是 轧 制 过 程 中 的 轧 机 失 稳 ， 如 轧 辊 与 轧 件 之 间 打 滑 、 上 下 轧 辊 的 力 矩 分 配 不 均 匀 、 前 后 轧件 之 间 的冲 击 以 及 轧 件 出 口 时 扣 头撞 击 机 架 辊 或 溜 板 等 这 时 的振 动 往 往 是 发 散型 的 自激 振 动 ， 具有很 大 的能量 因此 ， 对轧 制过 程 中 的工 作 载 荷 ， 特 别 是 轧 制 力 矩 的状 态 ， 需 要 进 行 系统研究 ， 制定抑 制振 动 的措施 矩 ， 尸 为轧制压力信号 扭矩具有突加 载荷下 衰减 振 动 的特征 轧制力矩的载荷谱与评判指标 在 平稳低 速 咬钢 轧 制 过程 中 ， 轧 制力矩 表现 为 梯 形 图 ， 平 稳 轧 制 阶 段 力 矩 只 有 很 小 的 波 动 ， 而 在 非 稳 态 轧 制 时 ， 传 动 系 统 产生 扭 振 ， 在 很 短 的时 间 内 ， 产 生很大 的力矩振 幅 图 为 板轧 机 第 个 道 次 轧制 时 力 矩 的实测示波 图 ， 上 、 下 轴扭 矩 放大 系数 分别 为 和 图 初轧机的扭振示波图 图 为 中 板 轧 机 的 实 测 扭 振 示 波 图 ， 图 表 明扭 矩 具 有 突加 载荷 下 衰减 振 动 的特 征 图 则 显 示 了 轧 制 咬 钢 时 发 生 打 滑 的扭 振 前 面 的 两 个 小 振 峰 ， 反 映 了 两 次 冲 击 没 咬 进 去 而 打滑 ， 轧 制 力 矩 加 载 又 卸 载振 动衰减 ， 随后 咬钢成 功 ， 传动 轴上承 受 了大 的冲击扭 振 图 为扭 矩 波形 指 标描述 图 图 中平 均 值 ， 最 大值人几队 ， 最小值气 山 ， 扭矩放大系数 夕方 程 中超 调 量乙蛛 ， 峰 值叽 ， 上 升 时 间， 峰 值 时 间， 衰减 时 间 几 ， 振 荡 次数从 ， 轧 制 时 间 气等 · 其 中 和 是 个重要 评 判指 标 几 个指 标 定 义 如下 入几盯 、 一 鼓 ‘ 丁 一 、 从︸产 图 板轧机扭振示波图 图 为 巧 初 轧机 的轧 制 双 钢 锭 时 的扭 振 实测 示 波 图 · 城 为上 轧辊 的扭矩 ， 城 下 轧 辊 的扭 一 一 收 稿 杨竞 男 ， 岁 ， 硕 士 △蛛 材山 轰 一 叽 一 材由盯 一 呱 ， · 为 了 分 析 力 矩 的 动 态 特 性 ， 需 要 对不 同 工 艺 的 大 量 实 测 数 据 进 行 统 计 分 析 ， 对 上 、 下 轴 最 大扭 矩 进 行批 量 处理 的 统计 统计分 成 个 区 域 轻 载 区 、 通 常 区 和 危 险 同 时 可 显 示 样 数 ， 样 本 边 界 和 频 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1999．01．019
Vol21 No.1 杨竞等：非稳态轧制振动的形态与评判 ·65· 1788 (a) 0 -1788 96.8×103 98.4×10 1.0×10 时间/s 国32300中板轧机轧件咬入时的扭振示波围.(a)衰减振动，(b)扭振 M(t)Ts 值增大.在轧制线高度为37.5mm,压下量为22% 时上下辊力矩比值为1.14~1.18，当轧制高度下 降为12.5mm时，该比值增大为1.52.通过合理调 整力矩的分配，很好地解决了轧件下扣的问题， 图4扭矩波形指标描述图 次，样本平均值M,样本均方差S,样本落在各区的 概率以及当前的道次流程号DDC等.样本的边界 图5轧制过程的扭矩时域图 也可与过载报警的条件联系起来.统计结果亦表 1,2.轧制线高度为37.5mm,压下量为22%时上下轧辊 明，上接轴45个轧制道次的上轴Mm值，落人轻 的扭矩；3,4.轧制线高度为12.5mm时上下轧辊的扭矩 载区(Mm<100t·m)的有29个，占64.4%；落入 2.2轧机打滑状态的力矩模态及载荷图 通常区(100t·m≤Mmx<250t·m)的有16个， 实测力矩的示波图表明，存在咬人打滑（如 占35.6%；落入危险区(250t·m≤Mm)为0个.这 图3)和轧制过程中打滑.图6(a)为轧制过程中单 些数据对于合理确定工艺及保护机械设备有一 辊打滑；图6(b)为双辊打滑.在轧辊与轧件之间发 定的意义. 生打滑之前，上下轧辊力矩均呈上升，随之亦发 2非稳态轧制时扭振载荷的分析 生滑动.从电机力矩M曲线上也反映出打滑特 征，且为发散振动型的打滑，会造成振幅不断增 2.1不均匀轧制时载荷的模态 大，容易造成事故.图6（©）为打滑发生时轧制力矩 1995年某厂1700mm粗轧机的接轴(D= 值变为负值曲线. 1000mm)发生断裂事故，在分析原因时发现，轧 轧制打滑时系统运动微分方程式为： 制中轧件头部向下弯曲，当轧件顶死在导板上 Φ+C中+K0=F。-CR(@-φ)]R(I) 时，下接轴先断，而成为上辊单独驱动，随之上接 式中，J为轧辊转动惯量；C为阻尼系数；K为传动 轴断裂，为说明这一现象对轧机传动系统的载荷 轴刚度；F。为静摩擦力；R为轧辊半径；ω轧机刚 进行了大量的测试工作.图5是该轧机上下辊扭 体运动角速度；中为轧辊扭振的角速度， 矩的实测示波图，M,M,和M,M,具有相近的波 其初始条件：t=0,中=中，中=中。.通解为： 形，人口和出口有一定峰值，中间部分近似为水 中。-p(中。-) 平直线.由力矩载荷谱图的分析可以看到，造成 (。-2+ Pa 轧件下扣的原因是轧件上面与下面的温度不均 cos(pat-)+ψ (2) 匀，一般是下表面温度低.采取的措施，是改变轧 制线高度，以控制上辊与下辊力矩合理分配. 其中0=tan 「中。-p。-Ψ p(中。-9 试验表明，降低轧制线高度使上下辊扭矩比
杨竞等 非稳态轧制振动的形态与评判 共 一 石石 一 一 时间 图 中板轧机轧件咬入时的扭振示波图 衰减振动 ， 扭振 省 叼 粤 扩 “ 分 几 值 增 大 在 轧 制 线 高度 为 ， 压 下 量 为 时 上 下 辊 力 矩 比值 为 一 ， 当轧 制 高 度 下 降 为 时 ， 该 比值 增 大 为 通 过 合理 调 整 力矩 的分 配 ， 很好地 解 决 了轧件下 扣 的 问题 图 扭矩波形指标描述 图 次 ， 样本平均值材 ， 样本均方差 ， 样本落在 各 区 的 概率 以 及 当前 的道 次流程 号 等 样 本 的边 界 也可 与过载 报警 的条件联 系起 来 统计 结果 亦 表 明 ， 上接轴 个 轧制道次 的上 轴 值 ， 落人 轻 载 区 材山 · 的有 个 ， 占 落 人 通 常 区 · ‘ 人几盯 · 的 有 个 ， 占 落人危 险区 · ‘ 动为。 个 这 些 数据 对于 合理 确 定 工 艺 及 保 护 机 械 设 备有 一 定的意义 非稳态轧制时扭振载荷的分析 不均匀轧制时载荷的模态 年某 厂 粗 轧 机 的 接 轴 二 发生 断裂 事故 ， 在 分 析 原 因 时发 现 ， 轧 制 中轧件 头 部 向下 弯 曲 ， 当轧 件 顶 死 在 导板 上 时 ， 下接轴先 断 ， 而成为上辊单独驱 动 ， 随之 上 接 轴断裂 为说 明这一 现象对轧机传动 系 统 的载荷 进行 了大量 的测 试工作 图 是 该轧机 上 下 辊 扭 矩 的实测示 波 图 ， 城 ， 城和 从 ， 具 有相 近 的波 形 ， 人 口 和 出 口 有 一 定 峰值 ， 中间部分 近 似 为 水 平直 线 由力矩 载荷 谱 图 的分 析 可 以 看 到 ， 造 成 轧 件 下 扣 的原 因是 轧 件上 面 与下 面 的温 度 不 均 匀 ， 一般是 下 表 面温度低 采取 的措施 ， 是 改变轧 制线 高度 ， 以 控制上辊 与下辊力矩合理分配 试验表 明 ， 降低 轧 制 线高度使上 下 辊扭矩 比 ， 轧制 图 线高 轧 度 制 为 过程的扭矩 ， 压 时 下 域图 为一时上下 轧辊 的扭矩 ， 轧制线高度为 时上下轧辊的扭矩 轧机打滑状态 的力矩模态及载荷 图 实 测 力 矩 的 示 波 图表 明 ， 存 在 咬人 打 滑 如 图 和 轧 制过 程 中打 滑 图 为 轧 制 过 程 中单 辊 打 滑 图 为双辊 打滑 在 轧辊 与轧件之 间发 生 打 滑 之 前 ， 上 下 轧 辊 力 矩 均 呈 上 升 ， 随 之 亦 发 生 滑 动 从 电 机 力 矩从 曲线 上 也 反 映 出 打 滑 特 征 ， 且 为 发 散 振 动 型 的 打 滑 ， 会 造 成 振 幅 不 断增 大 ， 容 易造成 事 故 图 为打滑 发 生 时轧 制力 矩 值 变 为 负值 曲线 轧制打滑 时系 统运 动微分 方程 式 为 劫 即 一 。 一 价 式 中 ， 为轧辊转动惯量 为阻尼 系数 为传动 轴 刚 度 为 静 摩 擦 力 为 轧 辊 半 径 。 轧 机 刚 体运 动角 速度 沪为轧辊扭 振 的角速度 其初 始条件 二 ， 沪 么 ， 必 梦 。 通解 为 ，一 ， 一 、 ， 「葵 。 一 如伸 。 一 价 二 产 ’ 呻 。 一 叨 ‘ － 习 八 」 勿 一 劝 其 中。 一 ， 一「竺〔 全 些卫三竺 二 几 吵 。 一 劝 」
·66· 北京科技大学学报 1999年第1期 (a) (b) (c) 图6轧制过程中打滑时力矩波形图 ()下轧辊发生打滑的力矩曲线；(b)上下轧辊同时发生打滑的力矩曲线；(C打滑发生时轧制力矩值变为负值曲线 =(F R-CR'@)/K; p4=pv1-E=2fV1-: TAF为4，其总扭矩为100tm×4-400t·m,因 此要防止轧制过程中发生打滑现象. =CR2/2VKJ CR/2PJ f为轧辊系统的扭振基频.令5，=(aFR)/ 3非稳态轧制振动的控制 2KJ)为滑动摩擦阻尼比(a=0.03~0.09),52=C/ 2KJ为系统固有粘性阻尼，可以判定当5，>5，时， (1)通过大量测试数据的积累做出各类轧机 扭振则发散.如用一台初轧机的具体参数代人上 典型的扭矩载荷谱图，并确定异常工况识别指标 式可知，发散型的振幅每秒钟递增16次，因此不 及特征，并将有关参数与轧制监控系统连接， 到1s,扭矩振幅可达400t·m. (2)在不改变加热制度和总体轧制工艺规程 当一个轧辊打滑而另一个轧辊承担全部轧 的前提下，对轧机的某些参数和轧制工艺中个别 制负荷，则会使这一个轧辊轴系的TAF值迅速增 参数进行适当调整，如适当增大上下轧辊的辊径 高.图7为1700板轧机处于这种状态时TAF曲线 差和降低轧制线、降低咬入轧件的速度和减小压 图，M为打滑辊的轧制静力矩，ω为轧辊转速，例 下量等，以降低咬入轧件时冲击负荷，防止或减 如下辊在静力矩为100t·m时打滑，这一载荷立 小扭振的产生，使轧件处于稳定轧制状态， 刻增加到转速为60r/min的上辊，则此时上辊的 (3)在轧机传动系统中设置扭振监测系统， 8 单位：r/min 现在使用视频技术开发的力矩遥测仪表应推广 100 使用. 90 80 参考文献 70、 60 1林鹤，康祖立.初轧机打滑的危害性.钢铁，1990， 50 25(6):38 40. 2邹家样.轧钢机现代设计理论.北京：冶金工业出版社， 30 20 1992.12 -10- 3盛德恩.初轧机打滑现象的实测与分析.钢铁，1994， 2 M/×10N·m 28(1):1 图71700板轧机打滑时TAF曲线图 Form and Judgment of Vibration of Rolling Mill in Unstable State Rolling Yang Jing".Guo Xingwang?,Wu Diping 1)Mechanica Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083.China 2)Department of Manufacturing Engineering Beijing.University of Acronautics and Astronautice,Beijing 100083.China ABSTRACT The torsional vibration behaviors of mills under unsteady operating conditions are analyzed in terms of the dynamic torques in the drive systems. KEY WORDS unstable state;rolling mill vibration;form and judgment
北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 图 车制过程中打滑时力矩波形 图 下轧辊发生打滑的力矩 曲线 伪 上下轧辊同时发生打滑的力矩曲线 打滑发生时轧制力矩值变为负值曲线 砂 凡 一 。 一 丫不矛 一 可 石二了 七二 ， 丙石 二 为 轧 辊 系 统 的 扭 振 基 频 令 乙一 ’ 为 滑 动摩擦 阻 尼 比 二 一 ， 七 为 系 统 固 有 粘 性 阻 尼 ， 可 以 判 定 当七 ， 七时 ， 扭 振 则 发散 如 用 一 台 初 轧 机 的具 体参数代 人 上 式 可 知 ， 发 散 型 的振 幅 每 秒 钟 递 增 次 ， 因此 不 到 ， 扭 矩振 幅 可 达 · 当一 个 轧 辊 打 滑 而 另 一 个 轧 辊 承 担 全 部 轧 制 负荷 ， 则 会使 这 一个 轧 辊 轴 系的 值 迅 速增 高 图 为 板 轧 机处于 这 种状态 时 曲线 图 ， 为 打 滑 辊 的 轧 制 静 力 矩 ， 。 为 轧 辊 转 速 ， 例 如 下 辊 在 静 力 矩 为 · 时打 滑 ， 这 一 载 荷 立 刻 增 加 到 转 速 为 的 上 辊 ， 则 此 时 上 辊 的 单位 。 为 ， 其 总 扭 矩 为 · 此要 防止轧制过程 中发生打滑现象 ， 因 图 板轧机打滑时 曲线图 非稳态轧制振动的控制 通 过大 量 测 试 数据 的积 累 做 出各 类 轧机 典 型 的扭 矩 载荷谱 图 ， 并确 定 异 常工 况 识 别指 标 及特征 ， 并将有关参数 与轧制监控 系 统连接 在 不 改 变加 热 制度 和 总体 轧 制 工 艺 规程 的前提 下 ， 对轧机 的某 些 参数 和 轧 制 工 艺 中个 别 参数进 行 适 当调 整 ， 如 适 当增 大 上 下 轧 辊 的 辊 径 差 和 降低 轧制 线 、 降低 咬人 轧 件 的速 度 和 减 小 压 下 量 等 ， 以 降低 咬 人 轧 件 时 冲 击 负 荷 ， 防 止 或 减 小扭振 的产 生 ， 使轧件处于 稳 定 轧 制状态 在 轧 机 传 动 系 统 中设 置 扭 振 监 测 系 统 ， 现 在 使 用 视 频 技 术 开 发 的 力 矩 遥 测 仪 表 应 推 广 使用 参 考 文 献 林 鹤 ， 康 祖 立 初 轧 机 打 滑 的 危 害 性 钢 铁 ， ， 邹 家祥 轧钢机现代设计理论 北京 冶金 工 业 出 版社 ， 盛 德 恩 初 轧机 打 滑 现 象 的 实 测 与分 析 钢铁 ， ， 渗辫以 ︸气︶，气、‘ 山哎卜 ， ， 删 ， ， 脚 ， ， ， ， ， ， ， ·
