天鐵1 750 mm 軋機振動原因分析及改進

王小強

（天津天鐵冶金集團熱軋板有限公司，河北056404）

0 引言

天鐵1 750 mm 熱軋生產線共配置7 架精軋機組，軋機為四輥全液壓不可逆軋機，設計能力為F1-F4：42000 kN，輥徑范圍710～800 mm，F5-F7：35 000 kN ，輥徑范圍為630～700 mm。工作輥輥身長度為2 000 mm，每個機架的竄輥量為±125 mm。前4架采用拋物線負凸度軋輥，后3 架采用智能凸度輥型（Smart Crown）。產品大綱中厚度范圍為1.2～16 mm，寬度范圍為800～1 600 mm。在生產過程中，軋機在軋制較薄規格（如1 250 mm×2.0 mm）時，F2 或F3 軋機機架出現強烈振動，同時，軋機發出異常的振動噪聲，振動能量已波及到精軋操作室，使操作人員感到明顯的振感。

1 軋機振動分析

對機械系統而言，任何具有質量和彈性的系統都可能發生振動。振動發生時，輕者使系統偏離正常工作狀態，既影響所加工產品的質量，也會減少系統相關部件的設計壽命；重者可能使系統設備發生不可逆轉的毀壞。在實際生產過程中，F3 的傳動側HGC 缸由于振動過大，造成內部的位移傳感器故障。

1.1 振動的分類

系統的振動可分為自由振動、強迫振動和自激振動3 種形式。

1.1.1 自由振動

所謂自由振動，是指在無外激勵或外激勵拆除后，系統依靠本身固有內力作用發生的振動。視系統的質量和剛度系數分布（即結構）不同，系統可能以一個或多個頻率進行振動，振動頻率稱為系統的自然頻率。

1.1.2 強迫振動

所謂強迫振動，是指系統在外加激勵作用下系統產生的振動。在強迫振動系統中，如外加激勵以某一頻率變化，系統的振動頻率將與激勵的頻率一致（假設系統為線性系統），其振幅正比于激勵的振幅。如外加激勵的頻率與系統的某自然一致，則系統可能發生破壞性極大的共振。

1.1.3 自激振動

在反饋控制系統中，盡管外部激勵是恒定不變的，但如果反饋信號的幅-相特性滿足系統的正反饋條件，即1＋AF=0，系統就將產生自激振動，這是反饋系統最顯著特征之一。系統自激振動時，振動頻率與系統的固有頻率接近，其振幅由小變大，最終使系統部件毀壞而停止振動，或受能量等因素限制使系統產生持續的等幅振動。

由機械和電氣兩子系統共同組成的反饋控制系統是一種常見的生產系統設備，系統中諸機械變量和電氣變量相互作用，相互制約，可構成一個復雜的機電共振系統。實質上，機電共振問題仍屬自激振動問題。

1.2 機電共振

以電能為動力的機械系統（如電機驅動的軋機主傳動系統），或不以電能為動力但其驅動力受電信號控制的其它機械系統（如軋機的壓下系統），都可能發生機電共振現象。

對以電能驅動的機電反饋系統而言，從機械系統的角度來看，電能是機械系統的外加動力激勵源，而機械系統是激勵的受體，如驅動電能的大小是振動的，且振動變化的能量足夠大，則機械系統就可能產生振動，其振動頻率等于外加激勵源頻率，即強迫振動；如外加激勵源由多頻率的基波和諧波組成，則機械系統就可能疊加更多頻率的振動；再者，如激勵源的某諧波頻率與機械系統的自然頻率一致時，就可能發生機電共振。

2 軋機振動分析

2.1 軋機系統構成

精軋軋機Fi 主要由機械系統和電氣傳動控制系統組成，兩者共同構成一個多輸入/多輸出、各軋機機械諸變量間、電氣諸變量間強耦合的機電反饋控制系統。

其中，機械系統主要分為電機驅動的軋機主傳動系統和伺服液壓缸驅動的軋機壓下系統。前者主要由電機、鏈接器、聯接軸、減速機和軋輥組成；后者主要由伺服壓下液壓缸、軸承座、支撐輥、工作輥和彎輥缸組成。

電氣控制系統主要由速度控制子系統和壓下/彎輥控制子系統組成。前者主要由傳動控制系統（ABB）、電機和VAI 速度控制程序等組成；后者主要由VAI 控制程序、壓下伺服液壓缸和彎輥缸組成。

軋機振動主要有軋機主傳動系統的扭振和軋機機架壓下系統的垂直振動兩種形式。

2.2 軋機的扭振

如上所述，扭振是針對軋機主傳動系統而言的。所謂扭振是指軋機主傳動系統在扭轉負載突變時，軸系質量彈性系統在克服，或恢復軸系的扭轉形變過程中，軸上轉矩發生的不穩定扭轉振動，其振動的頻率與軸系的固有頻率相當。軸系的固有頻率與軸系的材料和結構有關（常見四輥熱軋機的扭振固有頻率約為20 Hz 左右）。

軋機的扭振通常發生在咬鋼、拋鋼或軋鋼時軋輥打滑等狀態。由于軋機扭振時，其扭矩峰值可能遠大于正常的工作扭矩，使軸系產生扭轉形變的幅度可能超過軸系材料的強度，進而造成聯軸器或聯接軸的毀壞。

當軸系的負載突變時（如咬鋼或拋鋼），對穩定的軸系控制系統來說，其扭振是衰減的，其軸上的轉矩會從前一個穩態值經一個或兩、三個振動周期就穩定到新的穩態值上（視控制器的性能和對系統的要求而定），但如果軋機主傳動的速度控制系統的調節頻率與軸系固有頻率一致時，就可能發生軋機的機電扭轉共振，此時應修正控制器的參數或結構，使其降低對軸系固有頻率分量的響應，如對扭振頻率設置陷波器、降低系統放大系數等。

另外，當軸系的負載周期變化時，如軋輥周期的間隙打滑或軋輥存在較大的偏心，如果軋輥打滑的頻率或偏心頻率與軸系固有頻率一致時，也可能發生軋機的機電扭轉共振。當發生機電扭轉共振時，應及時停車，否則可能對設備造成極大的破壞性。

2.3 軋機的垂直振動

垂直振動是針對軋機機架壓下系統而言的。所謂垂直振動，是指軋機機架壓下系統在帶鋼軋制過程中，輥系和機架質量彈性系統克服，或恢復機架的彈性形變，在機架垂直方向發生的不穩定振動。由于軋機機架壓下系統結構復雜，可能存在多個固有振動頻率，故軋機發生垂直振動時，其振動頻率可能與其中一個固有頻率相同。

熱、冷連軋機的垂直振動是常見的現象，且多發生在高速或大壓下（軋制力和彎輥力大）時，即軋制薄而寬的帶鋼時就可能發生垂直振動。熱連軋機組的垂直振動往往發生在F2 或F3 機架。

世界許多工業發達國家對軋機的垂直振動進行過深入的研究，由于該問題的復雜性及起因太多，目前對誘發軋機垂直振動的原因存在多種觀點，尚無統一定論。有的認為是工作輥與帶鋼打滑引起的；有的認為是軸系的聯接軸制造間隙和安裝偏心引起的等。

而從現場實際情況進行分析，振動主要在軋機處于大壓下時發生，這時軋制力和彎輥力都較大，一方面系統的彈性變形加大，同時系統的彈性儲能也增大，此時，系統處于“緊張”狀態。穩態時，軋機的軋制力和彎輥力與機架系統的變形抗力相平衡，這時系統處于暫穩態狀態。而經過一段軋制之后，隨著中間坯尾部的溫降，軋制力和彎輥力均開始變大，輥系開始變形，速度和張力也發生變化。這些變化因素使這個平衡系統受到擾動，其暫穩態狀態就將被打破，系統就可能進入自激振動狀態。

2.4 對在線實際數據進行分析

（1）在軋制2.0×1 250 mm 帶鋼時，F3 發生顫振，此時F2、F3 的軋制力、彎輥力和轉矩IBA 曲線見圖1。

圖1 F2、F3 機架振動時軋制力、彎輥力和轉矩波形

（2）F3 顫振時F2-F3 的輥縫、活套角度和速度IBA 曲線見圖2。

從圖1 和圖2 中可知，F3 機架振動時，其軋制力為24908.8 kN，速度＞2.7 m/s，彎輥力約為2530.0 kN，但軋制力、轉矩和速度并未發生振蕩，F3 的輥縫均值也未發生大的波動。

2.5 軋機振動分析及參考結論

F3 振動時軋制力和彎輥力較大，機架系統產生了較大的變形抗力，再加上帶鋼速度或張力的波動等外界因素的影響，誘導了系統的自激振動，振動頻率較高。而軋機發生振動時，電機速度和轉矩并未發生振蕩,即未發生機電共振顫，因此振動應該屬于機架機械系統自激振動

圖2 F3 顫振時F2-F3 的輥縫、活套角度和速度IBA 波形

表1 軋制2.0×1 250 mm 的負荷調整

3 具體改進方案

根據對數據進行分析而得到的最終結果，需要對負荷進行調整，以降低軋機的振動，因此對軋制2.0×1 250 mm 的負荷調整見表1。

通過調整，適當降低了F2、F3 的負荷，增大了其他機架，特別是增大了F4 機架的負荷，效果明顯。在負荷修改之后，多次進行該規格帶鋼的軋制，在中間坯厚度和溫度制度不變的基礎上，沒有再次出現軋機振動的現象。

4 結束語

軋機振動是普遍存在于各熱軋、冷軋廠，更多的原因是來自于傳動和機械設備本身的安裝精度等問題，但是通過精軋機組的負荷分配的調整確實能夠避免或者減輕軋機的振動。