（机械工程专业论文）二十辊轧机振痕振动的测试与信号分析.pdf

中文摘要 摘要 不锈钢具有良好的耐腐蚀性能，良好的力学和物理性能，其在建筑、交通、 工业设备、餐饮家具、各种焊管等领域得到广泛应用。现代社会对不锈钢板表面 质量的要求越来越高，亟待解决控制和预n - 十辊轧机振痕振动的方法和技术问 题。二十辊轧机的振痕振动不仅影响轧件的表面质量，而且还会影响轧机的寿命。 但是，由于二十辊轧机的系统结构复杂，同时与轧制工艺参数耦合，还受到张力、 压下量等控制精度因素影响，所以二十辊轧机的振痕振动的控制与预测是钢铁生 产技术的一个世界难题，是制约高水平不锈钢带钢产品的技术瓶颈。因此，研究 二十辊轧机振痕振动进行测试分析，研究振痕振动机理与控制方法，具有重要的 理论意义和实际工程价值。 针对上述问题，围绕运用遥测微型存储式扭矩数据采集器的扭应变测试方法， 主传动轴扭应变与振痕振动的分析方法，振痕振动与主传动轴扭应变的关系，辊 系振动与打滑行为对振痕振动的影响，振痕振动监控传感器的布置等开展工作。 主要研究内容如下： 运用遥测存储式扭矩采集装置技术，构造了二十辊轧机振痕振动与主传动 轴扭应变的测量系统，实现了高速、油气、电磁环境及安装空间狭小的特殊条件 下的轧机振痕振动与扭应变测试，分析了振痕振动与主传动轴扭应变的关系。 基于g l n 过程中压下量的变化与轧制力等之间的关系，建立轧机主驱动轴 扭矩模型，模拟了轧辊打滑时主驱动轴扭矩变化，分析了主驱动轴扭矩变化与工 作轧辊转动周期的关系。通过与实测的轧机主传动扭应变信号进行了对比分析， 验证了模型的正确性，并获得了二十辊轧机振痕振动与轧制打滑的相关特征。 运用振动测试方法与技术，设计了二十辊轧机辊系与轧机牌坊的振动测试 系统，采集了轧机各关键部位( a 、b 支撑辊上侧牌坊，调整机构下侧牌坊，轧机 前门上侧，h 、e 支撑辊下侧牌坊) 的振动数据，分析了二十辊轧机升速、轧制、 降速和振痕模拟振动的数据，获得了轧机振痕振动的一些基本特征。 运用数字信号处理方法，对实测的振痕振动数据进行了分析，提出了轧机 振动的敏感度概念，分析了轧制速度影响因子和张力影响因子对振痕振动的感知 度，通过对其的比较分析，确定了二十辊轧机振痕振动监测最佳感知度的传感器 位置。 关键词：振痕，扭转振动，垂直振动，存贮测试，打滑 重庆大学硕士学位论文 i i 英文摘要 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ee x c e l l e n tc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，g o o dm e c h a n i c a la n dp h y s i c a l p e r f o r m a n c e ，s t a i n l e s ss t e e l ，i ti sw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fc o n s t r u c t i o n ，t r a n s p o r t a t i o n ， i n d u s t r i a le q u i p m e n t ，f o o da n db e v e r a g e ，f u r n i t u r e ，a l lk i n d so fp i p e ，e t c t h es u r f a c e q u a l i t yo fs t a i n l e s ss t e e lp l a t ei s i n i n c r e a s i n g l yd e m a n di nm o d e r ns o c i t y , t h u si t n e c e s s a r yt os o l v et h em e t h o da n dt e c h n i c a li s s u e st oc o n t r o la n dp r e d i c tt h ev i b r a t i o n o ft h et w e n t y - h i g hr o l lm i l lo s c i l l a t i o nm a r k s t h ev i b r a t i o no ft h et w e n t y - h i g hr o l lm i l l o s c i l l a t i o nm a r k sn o to n l ya f f e c t st h eq u a l i t yo ft h er o l l i n gs u r f a c e ，b u tw i l la f f e c t st h e l i f eo f t h em i l l b e c a u s eo ft h ec o m p l e xs t r u c t u r eo ft w e n t y - h i g hr o l lm i l l ，c o u p l i n gw i t ht h er o l l i n g p r o c e s sp a r a m e t e r sa n da f f e c t i n gb yt h ec o n t r o la c c u r a c yf a c t o r ss u c ha sa m o u n to f t e n s i o n ，r e d u a t i o n ，e t c ，t h ec o n t r o la n dp r e d i c t i o no ft h ev i b r a t i o no ft w e n t y - h i g hr o l l m i l lo s c i l l a t i o nm a r k si saw o r l d w i d ed i f f i c u l tp r o b l e mo fs t e e lp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y , a n dt h e t e c h n i c a lb o t t l e n e c ko fc o n s t r a i n f i n gt h eh i g hl e v e lo fs t a i n l e s ss t e e ls t r i p p r o d u c t s t h e r e f o r e ，i t i so fg r e a tt o s t u d yt h ev i b r a t i o no ft w e n t y - h i g hr o l lm i l l o s c i l l a t i o nm a r k st od ot h et e s ta n da n a l y s i sa n dt h em e c h a n i s ma n dc o n t r o lm e t h o do f t h ev i b r a t i o no fo s c i l l a t i o nm a r k s ，t h ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da c t u a l p r o j e c t v a l u e i nr e s p o n s et ot h ea b o v ep r o b l e m s ，t h et o r s i o n a ls t r a i nt e s tm e t h o do ft e l e m e t r y m i n i - s t o r a g et o r q u ed a t aa c q u i s i t i o n ，t h ea n a l y s i sm e t h o do ft h em a i nd r i v es h a n t o r s i o n a ls t r a i na n dv i b r a t i o no fo s c i l l a t i o nm a r k s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv i b r a t i o no f o s c i l l a t i o nm a r k sa n dt h em a i nd r i v es h a f tt o r s i o n a ls t r a i n ，i n f l u e n c eo nv i b r a t i o no f o s c i l l a t i o nm a r k sf r o mr o l ls y s t e mv i b r a t i o na n ds l i pb e h a v i o ra n dt h ea r r a n g e m e n to f o s c i l l a t i o nm a r k sv i b r a t i o nm o n i t o r i n gs e n s o ra r es t u d i e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ： u s i n gt h et e c h n o l o g yo ft h et e l e m e t r ys t o r a g et o r q u ea c q u i s i t i o nd e v i c e ，a m e a s u r e m e n ts y s t e mi sc o n s t r u c t e df o rv i b r a t i o no ft w e n t y - h i g hr o l lm i l lo s c i l l a t i o n m a r k sa n dt h em a i nd r i v es h a f tt o r s i o n a ls t r a i n t h em i l lo s c i l l a t i o nm a r k sv i b r a t i o na n d t o r s i o n a ls t r a i na r et e s t e di nt h eh i 曲一s p e e d , o i la n dg a s ，e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t a n dt h e s p e c i a lc o n d i t i o no fn a r r o wi n s t a l l a t i o ns p a c e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n v i b r a t i o no fo s c i l l a t i o nm a r k sa n dt h em a i nd r i v es h a f tt o r s i o n a ls t r a i ni sa n a l y z e d b a s e do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc h a n g e si nt h er e d u c t i o na n dr o i l i n gf o r c ei n i i i 重庆大学硕士学位论文 t h er o l l i n gp r o c e s s ，ar o l l i n gm i l lm a i nd r i v es h a f tt o r q u em o d e li se s t a b l i s h e d ，t h e c h a n g eo ft h em a i nd r i v es h 世t o r q u ew h e nt h er o l lw a ss k i d d i n gi ss i m u l a t e d , t h e c o r r e s p o n d e n c er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a i nd r i v es h mt o r q u ec h a n g ea n dr o l l r o t a t i o nc y c l ei sa n a k y z e d t h r o u g hc o m p a r e dw i t ht h em e a s u r e dr o l l i n gm i l lt o r s i o n a l s t r a i ns i g n a l ，t h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e li sv e r i f i e da n dt h er e l e v a n tc h a r a c t e r i s t i c so f t h et w e n t y - h i g hr o l lm i l lo s c i l l a t i o nm a r k sv i b r a t i o na n dt h er o l l i n gs l i p p i n gi so b t a i n e d u s i n gv i b r a t i o nt e s tm e t h o d sa n dt e c h n i q u e s ，av i b r a t i o nt e s ts y s t e mo f t w e n t y - h i g hr o l lm i l lr o l l e rw i t hm i l la r c hi sd e s i g n e d ，a n dt h ev i b r a t i o nd a t ao ft h ek e y p a r t so ft h em i l l ( t h ea r c ho v e rt h ea ，bb a c k u pr o l l ，u n d e rs i d eo ft h ea d j u s t i n g m e c h a n i s m ，i nf r o n to fr o l l i n gm i l lg a t e ，u n d e rs i d eo fh ，e ，b a c k u pr o l l ) c o l l e c t e d ， a n a l y z e dt h ed a t ao ft w e n t y - h i g hr o l lm i l lu ps p e e d ，r o l l i n g ，s l o wd o w na n do s c i l l a t i o n m a r k sa n a l o gv i b r a t i o ni sa n a l y z e d ，a n ds o m eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fv i b r a t i o no fr o l l m i l lo s c i l l a t i o nm a r k sa r eo b t a i n e d u s i n gd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d ，t h em e a s u r e dv i b r a t i o n d a t ao f o s c i l l a t i o nm a r k si sa n a l y z e d ，p r o p o s e dt h es e n s i t i v i t yc o n c e p to ft h em i l lv i b r a t i o ni s p r o p o s e d ，t h ep e r c e p t i o nt h a tr o l l i n gs p e e di n f l u e n c ef a c t o r sa n dt h et e n s i t yi n f l u e n c e f a c t o r so nt h ev i b r a t i o no fo s c i l l a t i o nm a r k si sa n a l y z e d t h r o u g ht h ec o m p a r a t i v e a n a l y s i s ，t h es e n s o rl o c a t i o no ft h eb e s tp e r c e p t i o nf o rm o n i t o r i n gt h et w e n t y - h i g hr o l l m i l lo s c i l l a t i o nm a r k sv i b r a t i o na r ed e t e r m i n e d k e y w o r d s ：o s c i l l a t i o nm a r k s ，t o r s i o n a lv i b r a t i o n ，v e r t i c a lv i b r a t i o n ，s t o r a g et e s t ， s l i p p a g e i v 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的来源与研究意义 本课题来源于某钢铁股份有限公司“二十辊轧机振痕振动机理与控制项目”。 近年来世界不锈钢产业在不锈钢生产工艺技术不断进步和市场需求的推动 下，获得了加速发展。不锈钢因其具有良好的耐腐蚀性能，同时具有良好的力学 和物理等性能，使其在建筑、交通、工业设备、餐饮家具、各种焊管等领域得到 广泛应用。不锈钢的冷轧多采用二十辊轧机，而最广泛采用的是森吉米尔轧机。 随着市场对薄板、管材需求的增加，轧钢产品对品种质量的要求越来越高， 轧机装备水平的提高对主传动系统提出了高精度和高动态性能的技术要求，因此 轧制过程的动态效应也随之突出。目前，轧机振动研究及控制一直是一个世界范 围内的技术难题，世界上大多数钢铁公司的轧机或多或少都存在着一些振动问题。 这些问题对设备的劣化带来不可估量的影响：不仅使得轧机机械的性能和精度受 到损失，而且振动强烈时会严重影响产品的表面质量。 近日中国特钢企业协会不锈钢分会公布了2 0 1 1 年我国不锈钢粗钢同比增加 1 3 3 5 万吨，增长1 1 8 6 ，总产量达1 2 5 9 1 万吨。虽然，在一定程度上轧机振动 已经得到很好的控制，但如何在已经大幅度降低产品振痕的基础上，对不锈钢带 钢产生振痕的原因进行研究，并进一步提高产品的合格率成为当务之急，本文拟 通过试验测试分析确定二十辊轧机振痕产生的主要原因与影响因素。通过对轧机 振痕的振动研究，分析在轧机振动产生振痕的原因，确定振痕产生原因与振痕振 动特征之间的关系，揭示其振动特性与规律，寻求降低振动影响措施，对于推动 轧机振动理论发展，提高企业的经济效益都有理论和现实意义。 1 2 轧机振痕振动研究的国内外现状 由于钢铁行业是国民经济的支柱产业，许多工业发达国家对轧机振痕的研究 十分重视，国内外的研究者针对不同类型的轧机振痕问题，从不同的角度，进行 了广泛而深入的研究，推动了轧机振动理论的发展和轧制工艺技术的进步【lj 。诱发 轧机振痕产生的振动有多种振动形式，最普遍和最主要的有主传动的扭转振动和 主机架的垂直振动，轧机振动引起的设备事故和对产品质量的影响在国内外普遍 存在，有时表现的十分严重【2 j 。 1 2 1 轧机垂直振动研究的国内外现状 近年来，随着轧制工艺的更新，计算机技术的发展，测试手段及检测仪器的 进步，振动理论研究的加深，轧机垂直振动的研究进入了新的阶段【3 。b a r a ， 重庆大学硕士学位论文 w u y x 等人对于颤振的机理从理论上进行了阐述，同时对高速轧机的自激颤振与 建模问题进行了研究【4 ；r e m n m i ng u o 等人对四辊轧机颤振的研究是基于对三维 有限元分析其频率和阶跃响应的基础上进行的，并对颤振产生的机理提出抑制方 法【5 】；p h h u 等人对非稳定自激振动模型进行建立，对影响系统自激振动的轧制 速度和轧制力等因素进行研究，指出实际的轧制过程中，出现打滑状态下存在轧 制力过大的问题要尽可能的避免【6 7 | 。 o p a v e l s l d 等人为实现轧机的振动行为通过数值方法对其模拟，于2 0 世纪8 0 年代对一个大型计算机仿真程序进行了开发研究 8 】。p a t o ndl 等通过冷轧机垂直 振动的现场测试和理论分析，发现张力的波动会导致轧机在轧制过程中产生自激 振动【9 】。h e i d a r ia 等研究了轧制参数与轧机振动之间的关系，通过对轧制参数的 最优化来达到轧制速度的最大值，来满足板带质量的要求【l0 1 。a b a r 等进一步推 导了轧机在稳定自激振动下轧制速度与轧制力的关系及对自激振动的影响，研究 了在同一轧制速度下自激振动导致的扭矩放大系数与轧制力之间的关裂1 1 1 2 1 。 张连军等人运用通用有限元软件a n s y s 建立了具有多种辊间接触状态的二 十辊森吉米尔轧机辊系三维弹性变形的有限元模型，合理解决了对辊间接触压扁变 形的建模，实现了对比较复杂辊系变形的正确求解【l3 i 。范晓明等基于对m a t l a b 语言 和轧钢机械现代设计理论的研究，给出了板带轧机垂直振动系统的通用模型，并 开发了板带轧机垂直振动的动力学分析系统，完成了板带轧机垂直振动动力学问 题的参数计算和几何设计一体化过程，获得了一种求解轧机垂直振动的固有频率、 振型和力矩放大系数等动力学问题的一种简洁有效的方法【14 j 。马金亮等建立了6 自由度的4 2 0 0 轧机垂直振动系统的动力学模型，在利用m a t l a b 对其仿真分析的基 础上，得出了影响轧机垂直方向自激振动的因素，从而为轧制过程中避免垂直方 向自激振动的产生提供了可靠的理论依据 1 5 1 。 刘浩然等在考虑轧件弹塑性变形的滞后非线性作用的基础上，建立了一种轧 机辊系滞后非线性垂直振动动力学模型。并运用奇点稳定性理论分析滞后非线性 系统的稳定性，得到了系统出现各种不同奇点的条件。同时采用渐进法求解系统 在主共振情况下的解析近似解，得到了系统的主共振幅频特性方程【l6 1 。代丽莉等 以现有轧机机座垂直振动模型为基础，从改变四辊轧机机座的结构参数的角度出 发，通过对机座振动的固有频率、主振型、振幅的分析，得到了四辊轧机机座的 结构参数对机座垂直振动固有特性的影响关系。结果表明：调节结构参数不能明 显改变前三阶固有频率，可通过改变结构参数来避免共振，同时在非共振情况下， 调节结构参数也可以有效抑制由外界冲击产生的影响，为轧机机座的结构设计及 进一步研究轧机稳定性条件奠定了基础 1 7 。王桥医等针对直接影响轧机机座垂直 振动的板形与板厚两大指标，将机座与轧件作为一个系统来研究，建立了基于辊 1 绪论 缝动力学的，以分析板带轧机机座垂直振动对板形及板厚影响为目的辊缝动力学 模型，提出了振动模态对板形及板厚影响的指标。得出的结论是：板形与板厚控 制的实质是辊缝的控制，在轧制状态下辊缝不仅与静力学因素有关，而且在很大 程度上取决于辊缝动力学因素【1 8 】。 1 2 2 轧机扭转振动研究的国内外现状 对于轧机扭转振动的研究是轧制生产中一项必不可少的重要内容，也是国内 外众多学者共同关注的热点问题。早于上世纪5 0 年代末美国和前苏联就开始对其 进行了研究分析 1 9 , 2 0 。c w t h o m a s 和a s h e r m a n 提出轧机传动系统扭矩放大系 数t a f 的概念并用这一指标衡量扭振的幅度 2 1 , 2 2 ，并基于建立的测量模型，对传 动系统结构参数优化进行了研究，提出要避免系统中的共振和拍振问题，在设计 传动系统时要使得系统的基频和各阶频率按一定的规则分布，这样设计出的传动 系统才具有较强的抗共振能力 2 3 , 2 4 。j j s m i t h 通过对某大型可逆轧机传动系统进行 扭振建模研究表明，传动系统存在间隙时对轧机扭振放大系数的影响十分显著【2 5 1 。 李平等对某厂h c 轧机四连轧机组主传动系统，确立了扭振动力学模型，用拉格郎 日方程建立了扭振数出了系统固有频率和振型，用系数法求出了扭矩放大系数， 讨论了频差放大系数对扭矩放大系数的影响关系，分析了h c 轧机动态特性【2 6 】。 a m k a s h a y 等建立了系统轧机扭振测量模型，提出了模型解析方法，并成功 应用于轧机传动轴系的扭振校核和测试分析，成为当今进行轧机扭振测量模型研 究和分析的工作基础 2 。7 1 。任海鹏等采用模糊神经网络对六辊u c 轧机轧制过程中 的混沌运动特性进行学习，得到该混沌特性的模糊神经网络预测模型；在逆系统 控制方法中应用该预测模型对混沌进行控制。该方法的特点是不需要确定知道轧 制过程中混沌特性的数学模型，就可以对其进行控n t 2 引。a a j a f a r i 等建立了基于 辊系间刚度的简谐波动的轧机扭振测量模型，研究线性参激共振现象 2 9 1 。h n a i t o h 研究了阻尼作用下的轧机扭振测量模型，分析了阻尼对系统扭振振幅的影响，指 出当轧制速度提高到一定值时，辊缝间摩擦因数与轧制速度之间呈指数关系，且 摩擦因数随轧制速度增大而急速下降，摩擦力的下降容易产生负阻尼，引起轧机 扭振【3 们。 z d r z y m a l a 等建立了打滑状态的轧机扭振非线性测量模型，通过对测量模型 求解，研究了不同轧制速度下产生稳定自激振动的最小轧制力方法【3 1 3 3 1 。王章海 等分析并建立轧机传动系统的轧制打滑状态下系统的轧机扭振测量模型，用渐近 法对测量模型进行求解，得到了传动系统在稳定白激振动下的振幅和频率；采用 模态分析法求解系统的参数与扭振产生的关系式，为避免传动系统设计时由于扭 振而产生瞬时性破坏提供了理论依据，给打滑状态下传动系统非线性模型的动态 特性分析提供了理论依据【3 4 1 。m s t e h r a n i 等建立了冷连轧机耦合扭振系统测量模 重庆大学硕士学位论文 型，研究了机架间板带的张力波动和g l n 速度波动对轧机传动系统扭振的影响5 | 。 终上所述，虽然众多学者针对轧机振动做了大量的研究工作，也取得了很多 成果【3 6 - 3 9 1 ，但对二十辊轧机振痕的振动研究的文献资料却很少。由于轧机振动问 题十分复杂，有“幽灵振动”之称，目前轧机振动问题还没有完全解决。因此， 对在轧机振动已经得到很好的控制下不锈钢带钢产生振纹的原因，并在已经大幅 度降低产品振痕的基础上进一步提高产品的合格率，确定振痕产生的具体原因及 振痕与影响因素之间关系的研究是很有必要的。 1 3 课题的主要研究内容 我国的不锈钢产业在世界不锈钢发展的大趋势下，也得到了快速的发展，并 广泛应用到各领域中。二十辊轧机作为冷轧生产中应用最广泛的一种轧机，研究 其振痕振动的控制与预测成为人们关注的焦点，因此，研究二十辊轧机振痕振动 并进行测试分析，以及研究振痕振动机理与控制方法，具有重要的理论意义和实 际工程价值。 本文针对二十辊轧机的主驱动轴进行扭振测试，对采集到的扭应变数据进行 分析，找出扭应变与振痕振动之间的关系。为实现对扭应变与振痕之间的关系进 一步的了解，基于轧制过程中压下量的变化与轧制力等之间的关系，建立轧机主 驱动轴扭矩模型，并获得了二十辊轧机振痕振动与轧制打滑的相关特征。基于对 二十辊轧机垂直振动测试的基础上，对垂直振动与振痕振动之间的关系，以及轧 制工艺参数对垂直振动的影响关系进行研究；并对振痕振动的特征在受到这些工 艺参数的影响后发生的变化及工艺参数之间的关系进行研究。对于振痕振动采用 什么样的指标对其评价比较合理，以及这些评价指标主要对轧机哪个位置的振动 敏感度比较灵敏进行了研究。其主要研究内容如下： 基于遥测存储式扭矩采集装置技术，构造了二十辊轧机振痕振动与主传动 轴扭应变的测量系统，在高速、油气、电磁环境及安装空间狭小的特殊条件下完 成了轧机振痕振动与扭应变测试，分析了振痕振动与主传动轴扭应变的关系。 基于g l i n 过程中压下量的变化与轧制力等之间的关系，根据实测数据将压 下量的变化假定为周期性的矩形脉冲，建立轧机主驱动轴扭矩模型，模拟了轧辊 打滑时主驱动轴扭矩变化，分析发现主驱动轴扭矩变化与工作轧辊转动周期存在 对应关系。并与现场测试信号进行对比分析，证明了模型的正确性，获得了二十 辊轧机振痕振动与轧制打滑的相关特征。 运用振动测试方法与技术，设计了二十辊轧机辊系与轧机牌坊的振动测试 系统，采集了轧机各关键部位的振动数据，分析了二十辊轧机升速、轧制、降速 和振痕模拟振动的数据。分析结果表明：测点振动加速度信号r _ m s 曲线都呈现明 4 1 绪论 显的上升，稳定和下降过程；轧制速度对各测点振动信号的r m s 值影响较明显； 工作辊振痕模拟工况下，测点振动信号的r m s 值相对较大，说明工作辊的缺陷对 测点振动加速度信号的r m s 值产生了较大影响。 运用数字信号处理方法，对实测的振痕振动数据进行了分析，提出了轧机 振动的敏感度概念，分析了轧制力影响因子、轧制速度影响因子和张力影响因子 对振痕振动的感知度，通过对其的比较分析，发现测点振动加速度信号r m s 值对 轧制速度的波动比较敏感，同时确定了二十辊轧机振痕振动监测最佳感知度的传 感器位置。 重壅奎堂堡主堂垡笙茎 一一 6 2 主驱动轴扭应变与振痕振动关系分析 2 主驱动轴扭应变与振痕振动关系分析 2 1 问题的提出 近年来世界不锈钢产业获得快速的发展，且因其具有良好的耐腐蚀性能，以 及良好的力学和物理等性能，被广泛应用于建筑、交通、工业设备、餐饮家具、 各种焊管等领域。不锈钢的冷轧多采用二十辊轧机，而最广泛采用的是森吉米尔 轧机。虽然森吉米尔二十辊轧机在扭转振动方面已经得到很好的控制，但如何在 该情况下研究不锈钢带钢产生振痕的原因，并在已经大幅度降低产品振痕的基础 上进一步提高产品的合格率，成为人们关注的重点。 图2 1 轧机主驱动轴 f i 9 2 1m a i nd r i v es h a f to f t l l em i l l 针对这一问题，虽然研究振痕振动的机理和原因的理论很多，但尚未完全解 明。本章从二十辊轧机的主驱动轴的扭振测试分析轧机主驱动轴的扭转振动，研 究扭振对振痕振动的影响，分析扭振产生的原因。然而，由于主驱动轴位处高速、 油气、电磁环境及安装空间狭小的特殊条件如图2 1 所示，目前所用的测试方法， 即“集流环”和传统的遥测方法，不能满足钢厂信号的抗干扰、高温和油气环境 的测试要求。为了解决这一问题，采用遥测存储式扭矩采集装置，如图2 4 所示， 实现了驱动轴扭应变的数据采集。实际采集时，微型采集装置放在主驱动轴的两 端，并与传感器( 应变片) 连接，采集真实工况下的数据，可为扭转振动特性分析提 供可靠的依据。 7 重庆大学硕士学位论文 2 2 遥测存储式测试的基本原理与方法 为精确测量和分析研究轧机主驱动轴因扭转振动所引起的扭应变的变化，本 文采用应变片作为遥测存储式扭矩测试的传感器，来测量扭应变。扭应变的动态 情况反映主驱动轴的扭转振动，应变片测量法具有动态特性好、频响范围宽、灵 敏度高、测量范围大特点。 电阻应变片工作原理和测试原理 1 ) 电阻应变片的工作原理 应变片可以将应变转换为电阻变化，通过电桥进一步转换为电压或电流的变 化 4 0 1 。金属导线的电阻值尺与其长度成正比，与其截面积彳成反比，即 r = p 丢 ( 2 1 ) 式中p 是此导体的电阻率。当金属细丝由于受压力而缩短时，长度减小和截 面积增大，其电阻值就减小，反之金属细丝因受拉力而伸长时，长度增大和截面 积减小，则电阻值增大。这种现象称为金属电阻的应变效应4 0 1 。 弓 基片 建变电阻丝 图2 2 应变片结构【删 f i g2 2s t r a i ng a u g es t r u c t u r e 4 0 】 利用金属电阻的应变效应，制成应变片结构，如图2 2 所示。它具有初始电阻 值尺，当将应变片用粘结剂贴在构件表面时，构件受力产生的表面应变占( 在应变 片轴线x 方向上的应变) ，使应变片产生电阻相对变化欲r 与占之间的关系为： 一a r ：k s ( 2 2 ) = s i z zj 月 式中k 为电阻应变片的灵敏度系数，在一定的应变范围内，灵敏度系数是一常 数；警与占呈线性关系。 2 ) 应变片( 剪应力) 测试原理 对扭转振动引起扭应变( 剪应力) 进行测量时，通常用图2 4 所示的贴片和接线 2 主驱动轴扭应变与振痕振动关系分析 方法。图中四个应变片两两相对沿轴线4 5 。方向贴在转轴上，四个应变片连成全桥 式，这样可抵消拉伸和弯曲对扭应变的影响。 a b 图2 3 测量扭转应变片的布片和接线法【4 l 】 f i g2 3t h ea r r a n g e m e n ta n dt h ew i r i n gm e t h o do f m e a s u r i n gt h et o r s i o n a ls t r a i ng a u g e 【4 1 】 设t ( f ) 、e u ( t ) 、e r ( t ) 分别代表由扭转、弯曲和拉伸引起的动应变，各个应变 片的应变为 s 1 0 ) = q o ) + o ) + s 7 ) + s 帅o ) e 2 ( t ) = 一c t ( t ) 一o ) + 白o ) + q 即( f ) e 3 ( t ) = e t ( t ) 一c u ( t ) + s r ( t ) + ( f ) 丘 ) = 一6 t ( t ) + ( f ) + 勺( f ) + t 唧( f ) ( 2 3 ) 式中( f ) 为由温度变化产生的应变。 对于图2 3 中所采用的全桥电路，若四个桥臂上的初始应变片电阻均为 置= r = r = r 4 = r ，则发生应变时各桥臂电阻改变觚o ) 、必( f ) 、皑o ) 、 a r 4 ( f ) ，可求出输出电压为： “，= _ u o 广kl q 一乞+ 毛一& ) ( 2 4 ) 由2 3 与2 4 联立方程可得： 吩( f ) = u o k e , ( t )( 2 5 ) 即 吡) 2 去删 ( 2 6 ) 甜庀 故，应变仪根据测出的输出电压经规范后得扭应变6 t ( t 1 。 重庆大学硕士学位论文 遥测存储式测试工作原理 扭矩的测量方法主要有传递法、平衡法、能量转换法等，现在绝大多数扭矩 的测量都采用传递法 4 2 】。常用的扭矩传感器有电阻应变片、磁电式、磁致伸缩式、 电容式和振弦式等【4 3 私 ，本系统采用电阻应变片式，即在主驱动轴上贴电阻应变 片来测量扭矩，用一体式结构的具有4 个电阻应变片的应变全桥，来测量轴的应 变。驱动轴在受到扭转振动下使轴体产生应变，导致应变片的电阻发生变化，此 时应变片测量电桥的输出的测量信号与所受到的扭矩成正比，对输出信号进行处 理便可以得到被测轴的扭矩值。 扭矩存储式测试系统包括两大部分：数据采集端和数据接收端。其中，数据 采集端以l p c i 7 6 8 微控制器为控制核心，用前端数据采集模块( 传感器) 用来感知 信号，并将信号传给存储装置；而其他部分相当于将一个信号调理电路、r f 发射 和接收模块、电源电路等集于一体的微型测试装置，可现场实时采集、量化和存 储记录冲击波波形，测试结束后，回收存储测试器，通过接口由计算机对其存储 的数据波形进行自动分析处理【4 5 】。 数 攥 接 收 端 图2 4 微型扭应变遥测系统结构框图4 5 】 f i g 2 4m i c r ot o r s i o n a ls t r a i nt e l e m e t r ys y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a m 4 s 】 本系统如图2 4 ，采用无线r f 方式传输数据。在数据采集端，首先由前端数 据采集电路( 传感器) 测的与扭矩成正比的电压信号，经信号调理电路处理后送 入l p c i 7 6 8 微控制器进行a d 转换，最后通过r f 发射模块将调制过后的数字信 号通过天线发射出去。在数据接收端，通过l p c i 7 6 8 微控制器的控制，将r f 接 收模块接受到的数据通过u s b 接口实时传入p c 机进行数据分析，同时将接受数 1 0 2 主驱动轴扭应变与振痕振动关系分析 据存入外部存储器【4 5 】。 2 3 测试系统与测点布置 二十辊森吉米尔轧机的主传动如图2 5 所示。它是由直流电动机通过联合齿轮 机座和4 根万向接轴带动第二中间辊外侧的4 根轧辊，其他轧辊均为被动辊，靠 摩擦传动。主电机与联合齿轮机座用齿接手联接，联合齿轮机座是减速机和齿轮 机座的联合体。主传动电机轴传动一个轴齿轮，而该齿轮同时传动与其对角设置 的另一轴齿轮；这一对呈对角啮合的轴齿轮轴的另一端，还有一个节圆直径稍小 的轴齿轮，并且在小轴齿轮的上方或下方又啮合了一个相同齿数的轴齿轮，这4 个小轴齿轮的输出轴与万向接轴连接。这种传动方式可获得较小的中心距，从而 减小万向接轴的倾斜角，使传动平烈4 6 1 。 u 图2 5 二十辊轧机示意图 f i g2 5t h e2 0 一r o l lm i l ld i a g r a m 图2 6 主驱动轴扭矩测试示意图 f i g2 6t o r q u et e s td i a g r a mo ft h em a i nd r i v es h a n 重庆大学硕士学位论文 为了研究引起二十辊轧机主传动系统扭转振动对振痕的影响，主驱动轴的扭 转振动可以很好的反映主传动系统的扭转振动，因此，针对主驱动轴设计了扭矩 测试，其在驱动轴上布置测点如图2 6 所示。 图2 6 为轧机主驱动轴扭矩测试示意图。分别四根驱动轴中的两根上驱动轴表 面两端各选择两测点并粘贴应变片，应变片由于轴表面的变形而产生的应变信号 分别通过通道1 与通道2 传递到数据微型采集装置，微型采集装置通过a d 对应 变电信号进行采样并存储数据。 应变测试中，应变片感受的应变很微弱，其电阻相对变化率a r r 很小，需要 专门的测量电路进行放大，并将其转换成电信号加以检测，通过对被测应变性质 的鉴别，再输入显示、记录仪表进行显示记录，或输入计算机、分析仪器进行分 析处t n 4 1 1 。通常采用电桥电路对信号进行变换或放大，多采用惠斯通电桥做测量 电路。测量扭转振动引起扭应变( 剪应力) 时，本文用图2 3 所示的贴片和接线方法。 图中四个应变片两两相对沿抽线4 5 。方向贴在驱动轴上，四个应变片采用全桥的组 桥方式进行连接，这样可抵消拉伸和弯曲对测得扭应变的影响。 2 4 轧机主驱动轴扭应变测试数据的分析 在对不同带材进行轧制过程中，运用存储式测试法对轧机驱动轴进行振动测 试，正常轧制情况下测试工况参数如表2 1 所示。 表2 1 正常轧制过程测试工况参数 t a b l e2 1t e s tc o n d i t i o np a r a m e t e r so ft h en o r m a lr o l l i n gp r o c e s s 2 4 1 轧机轧制的运动模型 轧件在变形区的流动情况，根据金属流动体积守恒定理【4 7 4 9 1 ，在通过任意横 截面x ，金属的流动量可以表示如下2 7 式所剥4 8 】： u 1 h 1 = u h + ( x l x ) h c r ，7 1 上式中：h 板带在x 截面的厚度； “板带在x 截面的速度； 1 2 2 主驱动轴扭应变与振痕振动关系分析 板带入口速度； 阜轧辊振动速度； z 五板带入口水平位置； 式2 7 右边的第二项表示金属流动通过横截面的边沿，之所以会出现这种情况 是由于轧辊的振动造成的【5 0 1 。此外，轧辊的横向振动对金属在轧制区内的流动也 会造成一定的影响，但是由于机座牌坊的限制，该方向振动一般都非常小，因此 忽略不计。 轧制区内中性点的位置是前滑后移的分界点，摩擦力在这两个的区域方向是 不同的，轧件中性点的速度就是轧辊的线速度，因此知道中性点位置十分重要。 但由于轧件中性点位置的确定十分复杂，且轧制深度较小，因此可以近似用出口 线速度代替轧制区中性点线速度来近似计算工作辊以及其他支撑辊的转速。在计 算时，忽略各辊之间滑动摩擦以及工作辊纵向和横向振动的影响，其计算公式如 2 8 所示【5 0 】： 胛：兰黑 ( 2 8 ) ”= 一 i ，x l 刀术d 木6 0 、7 上式中：v 轧机轧制速度( m s ) ； d 工作辊的直径( m m ) ； n 工作辊的转速 经近似计算，各工况下驱动轴每转时间，如表2 2 所示。 表2 2 驱动轴每转时间 t l b l e2 2e a c ht u r nt i m eo ft h ed r i v es h a f i 2 4 2 测试数据的分析与讨论 对于两种正常轧制工况下的扭应变信号进行分析，选择轧机主驱动轴测点1 通道2 的扭应变信号进行分析，其时域波形图如图2 7 和2 8 所示。 重鏖奎堂堡主堂垡笙奎 一一 c 罚 一 罚 c o o b - t i m e ( s ) ( a ) 钢卷1 第七道次整个轧制过程时域波形图 t i m e ( s ) ( b ) 细化图 图2 7 工况1 正常轧制过程驱动轴应变信号 f i 9 2 8t h ed r i v es h a f ts t r a i ns i g n a l so f t h en o r m a lr