軋機振動分析與治理

(武鋼股份設備維修總廠冷軋作業區，湖北 武漢 430083）

軋機振動分析與治理

徐秀勝 何彬 黃娟

(武鋼股份設備維修總廠冷軋作業區，湖北 武漢 430083）

五機架是某鋼廠酸軋機組的主體工藝設備，高速軋制中常出現種種原因不明、表現形態多樣的軋機振動現象。嚴重威脅生產安全并造成巨大的經濟損失。針對軋機主傳動系統的扭轉振動和垂直系統的縱振動進行分析，并采取了相應改進措施，有效地降低設備故障率，提高冷軋產品質量、成材率和作業率。

五機架；振動分析；扭轉振動；垂直振動；改進措施

一、概述

五機架是某鋼廠酸軋機組的主體工藝設備，高速軋制中常出現原因不明、表現形態多樣的軋機振動現象，如軋機顫振、軋件表面振紋、軋輥表面周期印痕等。這些現象一方面增加板帶厚度誤差、嚴重影響產品質量；另一方面加速輥面磨損、縮短換輥周期、增加設備運行維護的工作量和費用。軋機劇烈振動甚至造成大量的廢品、斷帶、暴管漏油、軋機停產,同時還對機械、液壓和電氣設備產生很大的破壞作用，使噸鋼成本居高不下，嚴重威脅生產安全并造成巨大的經濟損失。因此，分析和解決軋機振動問題非常必要。

二、軋機振動的技術分析

按載荷傳遞系統的不同，軋機上發生的振動現象可分為兩大類：一類是軋機主傳動系統的扭轉振動，另一類是軋機垂直系統的縱振動。

1.扭轉振動分析

（1）主傳動軸動不平衡引起的扭轉振動

五機架主傳動軸的最大缺點就是在旋轉運行中主傳動軸和軋輥不在一個水平面上，在傳遞扭矩時有一個偏轉角，再加聯節軸內的頂錐、弧形齒磨損間隙增大，傳動軸系統的中間軸、齒輪軸的聯軸節齒輪磨損使其間隙增大，造成主傳動軸和中間軸產生動不平衡，連接軸上的最大扭矩值比正常軋制時的靜態扭矩要大得多，嚴重時會超過連接軸材料的強度，引發軋機設備的破壞和軋機振動，影響生產的正常進行。

（2）軋輥間打滑引起的扭轉振動

扭轉振動和軋輥輥隙的摩擦系數有關，軋制速度升高，則摩擦系數減小，從而導致軋機扭轉振動，這種振動是一種自激振動行為。通過對各種類型軋機傳動系統的扭轉振動研究發現，由于軋輥打滑，上下軋輥力矩分配不均，從而引起軋機扭轉振動。

（3）傳動軸主電機電流諧波引起的扭轉振動

技術人員在研究軋機帶材振紋現象時分析了主回路電流諧波分量對軋機動力學系統工作的影響，認為主要有以下兩個方面。

①電流諧波分量形成諧波轉矩直接驅動工作機械運動，產生強迫振動。

②諧波電流經反饋回路作為一種干擾信號，通過控制回路“放大”，再作用于工作機械主體運動，引起運動狀態發生變化，產生振動。

由此可見，避免電流諧波分量的產生是改善機架扭轉振動的關鍵因素。

2.垂直振動分析

（1）張力波動引起的自激振動

由于張力波動對軋制力的變化有著直接影響，因而成為影響軋機振動的重要因素之一，因張力波動而導致軋機垂直振動的例子很多，如某冷軋廠五機架冷連軋機曾發生160～170Hz 的垂直振動，使產品產生±10%的厚度波動。研究表明，振動的原因在于軋輥垂直振動的位移與后張力的波動之間存在90°的相位差，當軋制速度升高時，受帶鋼厚度波動影響的后張力波動變大，軋輥振動的振幅由于張力波動的相位延遲而增大，從而發生自激振動。

（2）軋輥摩擦和潤滑引起的自激振動

在冷軋帶鋼生產中，當軋制乳化液穩定性差、油膜不穩定時，輥縫摩擦條件會發生變化，從而導致軋制失穩產生振動。軋制液影響軋機振動的實質主要是軋制液影響軋制界面的摩擦狀態，由于軋制界面摩擦系數隨軋制速度的非線性變化導致自激振動的發生。

（3）軋輥缺陷等其他原因引起的垂直振動

在引起軋機垂直振動的原因中，軋輥缺陷和軋輥軸承座與機架窗口間隙過大是主要因素。結構有缺陷或尺寸不合理的軋輥，不但影響產品質量和設備的壽命，而且會影響軋制過程的穩定性。研究表明：振動的激勵可能源于在磨床振動狀態下加工過的軋輥，磨輥時在軋輥表面產生的振紋可能造成軋件上產生振紋，軋制過程中，當軋輥表面振紋的波長接近振動波長時，可能激起軋機的振動。

（4）液壓壓下系統原因引起的垂直振動

冷軋廠五機架25/18MPa液壓系統泵站共用1個油箱，要控制1～5架的壓下、彎輥和平衡，其壓力和流量等參數都不能滿足大壓下量和高速軋制的要求，當生產較高規格的帶鋼品種時，壓下能力不足以致偏斜，伺服閥頻繁動作造成軋機振動，甚至帶鋼斷帶停產。產生故障的原因包括液壓系統溫升過高、油液變質變稀、內泄加劇、效率降低、元件產生熱變形及液壓元件損壞等。

三、改進方法及實施措施

1.解決扭轉振動措施

（1）主傳動軸改造

某鋼廠的1700冷軋機組至投產運轉以來，因軋機主傳動系統的傳動軸弧形接軸發生強烈振動，先后4次進行主傳動軸改造。將五機架1、2、5的主傳動軸進行了改造，如圖1所示。

圖1 改型后五機架1、2、5的主傳動軸內部結構示意圖

此次1、2、5架的主傳動軸改進了錐度盤和頂錐彈簧，預頂力增大而且耐磨損，主軸上還增加了安全銷功能，到目前該傳動軸運行非常平穩，有效地降低了傳動軸的扭轉振動。隨后又實施了3、4架主傳動軸改造，改進了錐度盤和頂錐彈簧，預頂力增大；并采用輥頸自導向和復合曲率齒形表面硬化工藝，使其經久耐磨，傳動平穩，延長了使用周期，降低了因動不平衡引起的振動。

針對傳動軸系統的中間軸、齒輪軸的聯軸節齒輪磨損，采取定期檢查更換措施，同時對弧形齒采用表面硬化工藝，提高材料的強度，增加弧形齒的抗磨性能。加強維護加油，延長弧形齒的使用周期，消除傳動系統的振動源，減少備件消耗，達到降本增效目標。

（2）調整3、4架工作輥的粗糙度

為避免軋機3、4 架工作輥末期產生打滑現象，消除3、4架3倍頻次的振動報警，修改操作規程，規定生產厚度0.6mm以下的鋼質SPCC 冷硬卷、涂鍍基板，將3、4 架工作輥粗糙度由原來的0.4±0.1μm 修改為0.6±0.1μm，使3、4 架的振動得到改善。

（3）采用6RA70裝置減少電流諧波分量

針對主傳動大電機電流諧波分量引起傳動系統扭轉振動的問題，對五機架主傳動大電機直流主傳動控制系統進行改進，新增1臺TDC用于五機架直流傳動控制系統以及和其他系統的通信。新TDC主要對直流傳動的速度、張力、厚調等進行控制，完善卷徑計算、扁頭定位等功能，并和其他系統如壓下、厚調、速度給定、全線協調以及二級機進行通信。在控制器與傳動設備間采用PROFIBUS總線通信模式，保證了快速數據交換，避免了控制器與傳動設備間的大量硬連線，提高了控制系統的穩定性和控制精度。6RA70系列整流裝置能有效的消除一定程度的電流諧波分量，將諧波分量降到最低，再加上TDC能對這些電流諧波分量產生的諧波轉矩進行有效控制，可以將諧波轉矩對電機的影響降到最低。TDC和6RA70系列整流裝置的配合使用，有效地降低了軋機振動程度。

2.解決軋機垂直振動的措施

（1）平穩張力波動

在1～5架增加張力模塊和厚度模塊，將需要添加和刪除的模塊、線路都一一標記出來，認真細致接線，校正信號，在軟件程序中找到相應的接收模塊，重新編輯地址、修改程序，平穩了張力波動，消除了軋機垂振隱患。

（2）調整乳化液濃度乳化液穩定性差，軋制油附著性差和油膜強度不足是引起的自激振動的主要原因。采用含有機鋅添加劑的乳化液，降低乳化液濃度，降低了軋機垂直振動系統發生自激振動的可能性。經調整乳液濃度（乳化液濃度由2.75%調整至2.25%），降低軋輥表面粗糙度，以及對軋輥表面進行噴砂處理，增大軋制界面的摩擦系數及平整力，使軋制過程的振動明顯降低，振紋明顯減輕，合格率提高40%以上。

（3）改進軋輥及優化輥系

① 對軋輥表面進行處理，增大軋制界面的摩擦力。

② 在工作輥軸承座出口側與機架牌坊之間增加銅墊，降低或消除軋輥軸承座與機架牌坊之間的間隙，墊的材料選用較大阻尼特性的減振材料，抑制滑動和沖擊，并適當增加工作輥偏移距離，以增強輥系的穩定性。

③ 將軋機張力輥、轉向輥和防皺輥重新找平、找正、修磨，降低其轉動偏心對前后張力大小的影響。

④ 將軋機上下工作輥重新找平、找正、修磨，降低其轉動偏心對前后張力大小的影響。

⑤通過重新修磨，提高了張力輥、轉向輥和防皺輥的形位精度，降低了因形位誤差產生的不穩定張力對振動的影響。

（4）改造25MPa液壓壓下系統

①重新設計制造了1套新的壓下泵站，并增加1臺液壓泵加大系統流量。新系統采用恒壓軸向變量柱塞泵（9臺、7用2備，并配備相應4×32 L蓄能器站，總容積128 L），泵直接與電機連接，減少中間環節，泵分布在一個油箱的周圍（面對面），而且泵的進油管直接與油箱連接，節約空間。改型后的螺桿泵3G55X3-40具有非常好的吸入能力，工作壓力25MPa，流量約90 L/min，功率45kW，1 500r/min，均比原泵的性能提高很多，其設備正常運轉的壽命也長，故障率小，維護和控制（啟動）更加便捷，尤其突出在間斷性操作上。

②泵站閥臺集中在一起，采用板式，與泵站分開，減少振動對閥的影響；壓下缸的活塞桿側在正常工作時用0.5MPa的低壓油，以防止乳化液和灰塵進入油缸；在零位和換輥時用6MPa的壓力油使油缸快速收回。此壓力轉換是通過減壓站提供，為了得到穩定的壓力，重新設計制造新的泵站減壓閥臺，關鍵的減壓閥，溢流閥使用進口件，以確保系統壓力穩定。

③25MPa壓下系統伺服閥移位改造，解決了伺服閥因乳化液蒸汽腐蝕而故障頻繁的問題，伺服閥的使用壽命大大增加，從以前的每年平均更換10余臺減少到現在的1～2臺，大大降低了伺服閥的備件消耗，僅備件費用一項每年可節約100多萬元。其壓力和流量等參數都能滿足大壓下量和高速軋制的要求。

四、結語

通過對五機架振動的技術攻關，有效地降低了冷軋的生產成本和設備故障率，提高了產品的市場競爭力，同時大幅度降低了備品配件的消耗，減少了操作、維護人員的工作量，各類生產及設備保產指標均完成，滿足了軋鋼機連續生產的需要，提高設備三率和生產作業率，為軋鋼廠生產經營創造了有利條件。

參考資料：

[1]冷軋帶鋼表面振動紋的產生與控制[C].第八屆中國鋼鐵年會論文.

[2]王文斌.機械設計手冊（新版）[M].機械工業出版社.

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1671-0711（2014）11-0035-03

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