2130光整機(jī)帶鋼振痕分析及抑制

周 晟,汪紅兵

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司冷軋總廠，安徽馬鞍山 243000）

引言

在薄帶鋼軋制過(guò)程中，帶鋼表面會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)一種明暗相間與帶鋼運(yùn)動(dòng)方向垂直的條紋，這種表面缺陷稱為振痕[1]。振痕的產(chǎn)生對(duì)軋鋼生產(chǎn)主要有兩方面的不利影響。一是難以滿足用戶對(duì)帶鋼表面質(zhì)量的要求；二是增加了換輥次數(shù)，降低了生產(chǎn)效率。振痕問(wèn)題是世界范圍內(nèi)軋制領(lǐng)域普遍存在的，許多鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)都曾經(jīng)或正在被這一問(wèn)題所困擾。為此，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)振痕進(jìn)行了大量的研究工作[2]。但至今對(duì)振痕仍缺乏普遍可行的抑制方法，振痕仍然是影響帶鋼表面質(zhì)量的重要問(wèn)題，特別是對(duì)汽車外板而言更是如此[3]。

某2130光整機(jī)為四輥式軋機(jī)，可在兩種輥徑下工作，440 mm 小輥徑用于強(qiáng)度高的產(chǎn)品，650mm 大輥徑用于軟的產(chǎn)品。液壓壓下由伺服閥控制。正負(fù)彎輥由專門的伺服閥控制，帶有帶鋼張力測(cè)量系統(tǒng)。換輥系統(tǒng)可在生產(chǎn)線運(yùn)行時(shí)進(jìn)行換輥。緊靠在工作輥前的防皺輥用于防止帶鋼起皺褶，尤其是在薄規(guī)格和小張力情況下。在機(jī)架出口的防橫彎輥用于防止某種帶鋼品種產(chǎn)生魚(yú)骨型表面缺陷。

在汽車面板生產(chǎn)中，光整機(jī)區(qū)域遇到了明暗相間、間距相等與帶鋼運(yùn)動(dòng)方向垂直的振痕缺陷，此缺陷無(wú)征兆、無(wú)實(shí)時(shí)表現(xiàn)，只有在板帶打磨檢查時(shí)才能發(fā)現(xiàn)，如圖1所示，嚴(yán)重影響了鍍鋅汽車板的正常生產(chǎn)。

圖1 帶鋼打磨后條紋

1 光整機(jī)振動(dòng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析研究

引起冷連軋機(jī)振動(dòng)的原因很復(fù)雜，這是因?yàn)檐垯C(jī)系統(tǒng)具有大系統(tǒng)、時(shí)變性、多變量、復(fù)雜性、非線性和耦合性等特征[4]。軋機(jī)振動(dòng)的研究涉及到軋制理論、機(jī)械振動(dòng)理論、摩擦潤(rùn)滑理論、非線性理論、信號(hào)分析處理、仿真模擬以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷等幾大領(lǐng)域[5]。

通過(guò)大量的停機(jī)排查打磨和光整機(jī)前后帶鋼的打磨對(duì)比，確認(rèn)振痕來(lái)自光整機(jī)。并對(duì)光整機(jī)進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試及振動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量記錄。測(cè)點(diǎn)位置主要布置在上下支承輥減速機(jī)輸出軸軸承座、光整機(jī)上下支承輥軸承座、上下工作輥軸承座、前后張力輥軸承座以及前后導(dǎo)向輥軸承座以及牌坊等。主要的測(cè)量方向?yàn)榇怪狈较颍绫? 。

表1 光整機(jī)振動(dòng)值測(cè)量

通過(guò)振動(dòng)性質(zhì)進(jìn)行振源研究,認(rèn)為振痕與設(shè)備、磨輥以及工藝狀況等多種因素相關(guān)，見(jiàn)表2。

表2 振痕形貌與振源關(guān)系

根據(jù)光整機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)收集，對(duì)比相關(guān)數(shù)據(jù)，得到如下初步結(jié)論：

（1）各種帶速下振痕間隔接近，大約10 mm。振痕間距取決于輥?zhàn)愚D(zhuǎn)頻與振動(dòng)頻率。由于輥?zhàn)愚D(zhuǎn)頻不斷變化，而且光整機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)頻率很多，所以可能形成某種對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（2）更換光整機(jī)輥系后，振痕變輕。消除因輥系修磨加工中的振痕“復(fù)印”帶來(lái)的光整機(jī)振痕缺陷。

（3）振痕的出現(xiàn)以及嚴(yán)重程度與帶鋼厚度有關(guān)。帶鋼越薄，振痕越嚴(yán)重。

（4）帶速增加，輥系振動(dòng)值呈增加趨勢(shì)；帶速降低，輥系振動(dòng)值呈減小趨勢(shì)。但通過(guò)第一次和第二次測(cè)量對(duì)比可看出,通過(guò)更換零部件，帶速增加，反而振動(dòng)值變小。光整機(jī)零部件的故障及傳動(dòng)缺陷會(huì)導(dǎo)致振痕嚴(yán)重化。因此，減少振痕現(xiàn)象的一個(gè)方向是更高精度的安裝和調(diào)整設(shè)備，減小輥系振動(dòng)。

（5）上下支承輥、上下工作輥停轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動(dòng)，光整機(jī)系統(tǒng)都存在62、124 Hz 等頻率，判斷這些頻率為光整機(jī)系統(tǒng)共振頻率,根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試可以判斷，124 Hz為易于激發(fā)的共振頻率，詳見(jiàn)表3。

表3 振動(dòng)信號(hào)頻率特征

2 光整機(jī)機(jī)座有限元建模及垂直振動(dòng)模態(tài)及諧響應(yīng)分析

用三維軟件solidworks建立該光整機(jī)系統(tǒng)模型，由光整機(jī)架（牌坊）、支承輥和工作輥及其軸承座等部件組成，零部件尺寸根據(jù)圖紙確定。定義X 軸為軋制方向，Y 軸表示光整機(jī)高度方向，Z 軸表示光整機(jī)寬度方向。光整機(jī)系統(tǒng)建模考慮如下。

（1）關(guān)于壓下油缸，其中考慮到剛度，液壓缸選用小徑。ANSYS workbench施加上支承輥軸承座與牌坊上橫梁的剛度K1=8.8×106N/mm。

（2）根據(jù)圖紙，按實(shí)際尺寸建立光整機(jī)系統(tǒng)模型。

（3）支承輥和工作輥軸承座有導(dǎo)向凸緣，嵌入牌坊的凹形導(dǎo)向槽中，軸承座可以上下滑動(dòng)，不可軸向移動(dòng)。ANSYS workbench 設(shè)定它們接觸面不分離。

（4）為限制軋輥在軸向的移動(dòng)，在軋輥留有小凸臺(tái)，如圖2所示，ANSYS設(shè)定軸肩與軸承座接觸面不分離，使輥在軸向與軸承座同時(shí)移動(dòng)。

（5）軋輥之間的接觸類型設(shè)置為Frictional（摩擦），并設(shè)置摩擦系數(shù)為0.1。

（6）工作輥軸承座與支承輥軸承座之間施加剛度K2=1.078×106N/mm。工作輥軸承座與工作輥軸承座之間施加剛度K3=1.706×106N/mm。

（7）對(duì)光整機(jī)架的四個(gè)角地腳螺栓平面施加全約束。輥系軸承處施加轉(zhuǎn)動(dòng)約束，使其只能繞Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

（8）對(duì)光整機(jī)各部件分別進(jìn)行材料參數(shù)的設(shè)定，取其材料為鋼。其彈性模量為2×105MPa、密度為7.8×10-9t/mm3和泊松比0.3。

考慮到模型的復(fù)雜性同時(shí)兼顧到有限元分析結(jié)果的可靠性。選用自由劃分的方法，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共有274 444 節(jié)點(diǎn)、90 295 單元。劃分結(jié)果，如圖2所示。

圖2 光整機(jī)工作機(jī)座有限元模型

有很多參考文獻(xiàn)求模態(tài)時(shí)，沒(méi)有考慮預(yù)應(yīng)力，這與光整機(jī)實(shí)際工作不符。為更加逼真地模擬軋制過(guò)程，在兩工作輥之間施加軋制力：

式中F0——穩(wěn)定軋制時(shí)的軋制力；

ΔFsin2πf——由于各種原因使軋制力產(chǎn)生波動(dòng)載荷。

光整機(jī)最大軋制力為1 200 t，正常工作時(shí)，取F0=1 000 t，ΔF=100 t。先進(jìn)行靜力學(xué)分析，即有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析，在上工作輥上施加Y 正向1 000 t的力，下工作輥上施加Y負(fù)向1 000 t的力，加在軋輥垂直面上，如圖3所示。

圖3 力與約束

利用上述模型仿真計(jì)算出的軋機(jī)垂振模態(tài)主要如表4。

表4 對(duì)光整機(jī)垂直振動(dòng)影響最大的固有頻率

垂直振動(dòng)的固有頻率很多，進(jìn)行諧響應(yīng)分析。所加載荷為,F=ΔFsin2πf,ΔF=100 t，位置在工作輥輥縫。諧響應(yīng)掃描間隔為1 Hz，分別以上下工作輥輥縫表面在垂直方向的位移的諧響應(yīng)頻域見(jiàn)圖4，上下工作輥輥縫表面在垂直方向的位移差（即輥縫）見(jiàn)圖5。

圖4 上下工作輥在垂直方向位移的諧響應(yīng)頻域圖

圖5 輥縫諧響應(yīng)頻域

3 光整機(jī)抑制振痕措施

經(jīng)過(guò)不斷的研究分析和試驗(yàn)，對(duì)光整機(jī)相關(guān)設(shè)備、參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并及時(shí)監(jiān)控，盡可能地減少振痕的產(chǎn)生。

3.1 光整機(jī)設(shè)備制造技術(shù)參數(shù)優(yōu)化

光整機(jī)輥系設(shè)備制造技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，特別是軋輥修磨技術(shù)和鍍鉻技術(shù)。需減少硬度差，輥面不能有凹坑、氣孔、裂紋或車削紋等缺陷。

3.2 光整機(jī)設(shè)備精度提高

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，制定光整區(qū)域機(jī)組輥系精度檢測(cè)方案，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝位置測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果及設(shè)備精度要求進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后，再次測(cè)量確認(rèn)。光整機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中，支承輥萬(wàn)向節(jié)帶來(lái)的轉(zhuǎn)頻沖擊，在前述測(cè)試中也是產(chǎn)生振痕主要因素，特別是扁頭處的設(shè)備配合精度下降帶來(lái)的沖擊，因此必須要提高此處設(shè)備精度，及時(shí)消除設(shè)備缺陷，見(jiàn)圖6。

圖6 光整機(jī)輥系傳動(dòng)位置精度

光整機(jī)傳動(dòng)支承輥接手配合精度，通過(guò)銅滑塊厚度調(diào)整來(lái)控制，在光整機(jī)輥系上線前，嚴(yán)格按照?qǐng)D紙的尺寸配合精度進(jìn)行測(cè)量校核，防止精度下降帶來(lái)的沖擊及振痕缺陷，見(jiàn)圖7。

圖7 光整機(jī)輥系接手配合精度

3.3 光整機(jī)設(shè)備及輥面清理

光整機(jī)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及輥面的清潔程度，嚴(yán)重影響帶鋼表面質(zhì)量。只有保證設(shè)備及輥面清潔，才能減少因異物、雜質(zhì)帶入造成的紋路缺陷。如增加投用高壓水系統(tǒng)，增加輥面清理刮刀或擦拭器等。

3.4 光整機(jī)工藝速度參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)前面的測(cè)試分析數(shù)據(jù)，若以10 mm 振痕間距計(jì)算，相應(yīng)振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的帶速，見(jiàn)表5。

表5 振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的帶速

結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況，推測(cè)光整機(jī)最不適宜的速度為74.4 m/min、105 m/min 和112.5 m/min。因此，在生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)類似光整機(jī)工藝速度。

3.5 光整機(jī)振動(dòng)監(jiān)控

定期對(duì)2130光整機(jī)振動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)制定相應(yīng)對(duì)策，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理缺陷，避免出現(xiàn)嚴(yán)重振痕現(xiàn)象。

4 結(jié)論

2130 光整機(jī)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試和理論研究，得到如下結(jié)論。

（1）經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)綜合測(cè)試，光整機(jī)帶鋼出現(xiàn)振痕缺陷是設(shè)備劣化、精度下降由主傳動(dòng)萬(wàn)向節(jié)軸轉(zhuǎn)頻沖擊誘發(fā)的。

（2）通過(guò)對(duì)光整機(jī)的仿真研究，確定了光整機(jī)的固有動(dòng)力學(xué)特性，為光整機(jī)軋鋼過(guò)程中避開(kāi)固有頻率提供了理論和依據(jù)。

（3）在軋制工藝上，避免易于激發(fā)的共振頻率后，光整機(jī)的振痕缺陷得到有效抑制。

（4）在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)指導(dǎo)下，及時(shí)更換劣化零部件和提高安裝調(diào)整精度，降低激增能量。

（5）由于振痕得到有效抑制，使得汽車板的生產(chǎn)得以順利進(jìn)行，獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。