冷轧带钢轧机振动测试及振纹研究优秀毕业论文.pdf

重庆大学 硕士学位论文 冷轧带钢轧机振动测试及振纹研究 姓名：陈海周 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：谢志江 2010-05 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 现代工业发展对带钢表面质量的要求越来越高， 轧机振动是导致带钢表面质量缺陷 的重要原因，多年来，轧机振动以其存在的广泛性及对设备和带材的危害性一直备受关 注，对冷连轧机振动和带钢表面振纹的研究成为钢铁企业亟待解决的重要课题。 以某大型钢铁企业冷轧板厂带钢表面振纹为研究对象，对冷连轧机进行振动测试， 研究冷连轧机振动机理，找出冷连轧机异常振动原因，研究振动与振纹产生之间的相互 作用，揭示轧机振动机理及影响因素，提出抑制振纹产生的有效措施，达到振纹明显减 少的效果。 开发测试和分析软件，对冷连轧机先后进行两次大型测试，长达半年之久，采集在 空转、正常、异常、不同速度、不同乳化液浓度情况下的数据，进行单机架单独测试和 四机架联合测试， 确定引起轧机振动的主要原因是辊缝间轧辊与带材之间存在着一种不 稳定的摩擦，造成张力波动而引起轧机本身产生的自激振动。研究轧机机架之间的耦合 效应，分析各个工艺参数对轧机振动的影响。 研究自激振动的基本原理及系统稳定性的判别，建立冷连轧机垂直振动方程，从理 论上分析张力波动、轧制接触弧长变化、压下率、摩擦润滑对振动的影响；建立轧机机 架和支承辊模型，对其进行动态特性分析，求出机架和支承辊固有频率和主振型；建立 冷连轧机垂直仿真模型，计算得系统第七阶固有频率与现场实际测试的异常振动频率 568hz 非常接近，而且所对应的主振型恰好是工作辊同向运动，符合轧机发生自激振动 的特征，可以用于冷连轧机的仿真分析。 最后提出抑制轧机振动的措施，并且在现场得到了验证，对目前在研究中的存在不 足和未完成的工作提出展望。 关键词：关键词：冷连轧机，振纹，异常振动，模态分析，振动抑制 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract the development of modern industry is more and more strict with the surface quality of the steel strip, the vibration of rolling mill is an important reason of causing the defects on the surface of the steel strip. many years, the vibration of rolling mill attracts the most attentions for the extensive existence and the damage to device and steel strip, so the research of vibration of cold rolling mill and the chatter mark on the surface of steel strip is badly in need of solution in steel enterprise. this paper studies the chatter mark of steel strip of some large scale steel enterprise cold rolling plant, measures the vibration of rolling mill, researches the mechanism of the vibration of cold rolling mill, finds the reason of exceptional vibration of cold rolling mill, researches the reciprocity between the vibration and chatter mark, reveals the mechanism of the vibration of rolling mill and the influencing factors, puts forwards the effective measures to reject the production of chatter mark, achieves the effect of the reduction of chatter mark. we developed the measurement and analysis software, tested the vibration of cold rolling mill twice for six long months, collected the data of idle data, natural data, exceptional data, different speed data, different consistency data, and tested the single stander and four standers. we make sure that the reason of vibration of rolling mill is an unstable friction between roller and steel strip, causes the tension fluctuation and generated the chattering, research the coupling effect between standers, analysis the influence of every technological parameters. the paper studies the basic principle of chattering and the criterion of stability of system, establishes the cold rolling mill vertical vibration equation, analyzes the influence of the tension fluctuation, contact length variation, draft, friction and lubrication; establishes the rolling mill stander and carrying roller model, analyzes the dynamic characteristics, calculates the natural frequency and modal, the paper establishes the vertical model, computes the seventh modal is close to exceptional frequency 568hz, and the principle mode is that the working rollers move uniformly, complying with the character of chattering, so can be used to analysis of cold rolling mill. at the end the paper puts forward the measures to inhibit the vibration of rolling mill， and also verifies, prospects the shortage of current research and unfinished work. 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii keywords： cold rolling mill, chatter mark, exceptional vibration, modal analysis, vibration inhibition 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪论 1.1 课题来源及背景 现代工业的高速发展对冷轧带钢的需求量越来越大， 对带钢表面质量的要求也越来 越高，尤其是汽车、家电行业对冷轧薄板表面质量的要求愈来愈高，甚至要求使用无缺 陷板。 冷轧板材生产中存在的振动现象及其造成的带钢表面质量缺陷越来越受到人们的 重视，冷轧薄板表面的缺陷严重影响其外观质量，因而研究缺陷的特征、成因及预防措 施具有重大的现实意义，成为钢铁企业亟待解决的重要课题。高质量冷轧薄板的生产困 难在于板带表面缺陷的产生贯穿于冶炼、连铸、热轧、冷轧、镀锌、退火、平整和精整 的整个生产过程，常见的表面缺陷有非金属夹杂、皮下气泡、气孔、氧化铁皮、表面裂 纹、折叠、压印、划伤、斑迹等三十多种，它不仅影响后续成型件的表面外观，而且对 后续加工的冲压效果、零件的外形和加工成本均密切相关，为了适应用户对表面质量的 更高要求，近年对生产工艺和设备进行了不断的改进，如炼钢采用 rh 处理以此净化钢 质，热轧采用润滑轧制以提高带钢表面质量，酸洗机组采用机械除鳞和化学除鳞相结合 以达到更好的除磷效果，采用酸洗轧机联合机组以消除穿带和甩尾对轧辊的损伤、采用 连续退火消除罩式退火时粘结的影响，此外冷轧生产线上采用浮式转向装置，减少转向 辊对带钢表面的影响，轧辊采用激光毛化，使板面粗糙度规则化，特别是近来国外冷轧 生产线上的在线检测设备，对缺陷的分辨率己达毫米级，能对表面缺陷的形成、种类、 位置进行精确的评审和控制， 其最终目标就是为了能够大批量地生产无缺陷表面的冷轧 薄板。 带钢表面的振纹无疑是众多缺陷中最受研究学者关注的一种， 振纹与轧机振动之间 的存在密切的联系已经被普遍接受。轧机振动问题是世界范围的技术难题，引起冷连轧 机振动的原因很复杂，具有多变量、耦合性、非线性、时变性、多约束性的特征，轧机 振动的研究涉及到轧制理论、机械振动理论、摩擦理论、信号分析处理、状态监测与故 障诊断以及非线性理论等几大领域，影响冷连轧机振动主要包括机械、工艺及热轧来料 三方面。机械方面原因有轧辊磨削精度、设备安装精度、轧辊轴承缺陷等；工艺方面原 因有轧制润滑（乳化液浓度及种类） 、前后张力波动、轧制力变化、压下率等；来料方 面原因有来料厚度波动、材质突变等。轧机振动会造成带钢厚度波动和表面振纹，大大 降低生产效率及产品质量，并对设备的损坏带来不可估量的影响。因此，冷连轧机振动 问题是提高板、带材质量所面临的有待解决的重要课题，研究轧机异常振动产生的原因 和抑制振动方法对提高带钢表面质量和保证设备安全正常运行具有重大意义。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 近期，某钢铁企业冷轧板厂 1220hc 冷连轧机一直存在着振纹问题，支承辊工作一 段时间后会在辊面上出现明暗相间的振纹，并在轧制的钢板产品中产生肉眼可见的、有 规律的振纹， 从本质上讲， 振纹是由轧机颤振引起的， 其产生有两种途径， 一是轧机 （平 整机）发生了一定频率的振动，另一个是轧辊表面本身已经有了振纹，通过轧制把振纹 传递到带钢表面。振纹缺陷给冷轧板厂带来很多问题，振纹对带钢生产主要有两方面的 影响： 难以满足用户对带钢表面质量的要求，造成经济损失； 增加了换辊次数， 降低了生产效率。本课题以冷连轧机为研究对象，从现场测试、理论分析等方面研究冷 连轧机振动和振纹产生的原因，提出抑制振动的措施。 1.2 国内外研究现状 根据机械动力学的观点，任何机械的振动按其产生原因都可以分为以下三种： 自激振动系统在没有受到外部激振力作用而只是由系统本身产生的交变力激 发的周期性振动。振动的频率接近系统的固有频率。 自由振动当系统受到干扰以后而破坏了系统原来的平衡状态， 由系统本身的弹 性恢复力来维持的振动。当系统有阻尼时，在振动过程中只有能量消耗而没有输入，所 以振动将逐渐衰减。自由振动的频率就是系统的固有频率。 受迫振动由外界持续激励作用由系统自身产生的内部交变力激发的周期性振 动。振动频率接近于系统的固有频率。 冷连轧机工作机座系统（包括轧辊、轴承座、压下螺丝、压下油缸系统、弯辊装置 及牌坊等）的振动形式主要是垂直振动。轧机垂直振动开始于上个世纪七十年代，随着 轧制速度的不断提高，轧机垂直振动现象逐渐引起人们的重视。按照振动频率及危害可 分为两类57-5967： 第一类垂直振动的频率范围在 150350hz，又称为第三倍频程颤振，主振型是两工 作辊反向运动，会造成明显的带钢厚度差等缺陷，严重时甚至造成断带等事故，其基本 机理一般是自激振动，以突发性为特征，在很短的时间内积聚大量的能量使振幅发散， 此时降速可以使振动迅速得到抑制，其结果是造成明显的带材厚度波动，严重时可达到 目标厚度的 30%50%，造成废品、断带并危及设备安全。造成轧机第三倍频程振动的 因素很多，根据各因素对振动的影响程度不同将其分为三类： （1）较轻影响因素（0.5 次方） ，如压下量、轧辊直径等； （2）一般影响因素（1 次方） ，如入口厚度、间隙和松 动、带钢变形抗力、机架间距等； （3）强烈影响因素（2 次方） ，如轧制速度、带宽、 轧辊偏心等。 第二类垂振频率范围在 500700hz，又称为第五倍频程颤振，第五倍频程振动带钢 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 没有厚度可测的变化，但在轧辊表面或带材表面有垂直于轧制方向明暗相间的条纹，影 响产品的表面质量。 第五倍频程振动主振型为上下辊系同向运动， 故带材无明显厚度差， 但这种振动通常会造成带材表面明暗相间的条纹，影响产品外观质量，加速轧辊磨损， 降低生产率和经济效益。第三倍频程振动属于带厚颤振，第五倍频程振动则属于一种轧 辊颤振，其振动原因往往都与支承辊有关，可以看作是支承辊的颤振。 1.2.1 由润滑不良引起的振动 为了降低轧制负荷和轧辊轧件的温度，生产中一般都采用润滑轧制，润滑条件是影 响轧机振动的一个重要因素。 由于轧辊和带钢之间润滑不良造成振动的现象在钢铁企业 中很常见，因而轧制界面润滑特性的研究是当前研究热点41。 日本千叶厂三机架冷连轧机轧制镀锌极薄带钢时，经常出现垂直颤振，轧机（第二 机架） 颤振最严重是发生在总轧制压下量为 94%的重载轧制条件下， 产品厚度波动达 25%，颤振时张力的波动频率增加，高时达 200hz，测试后发现颤振出现在压下率接近 极限轧制状态，它由润滑油的退化变质引起的，在选择轧制润滑油时要考虑颗粒分布、 乳化液的稳定性及在高压下的油膜强度。最后采用润滑性能好的润滑油，一种新的含有 机锌为极压添加剂的润滑油，成功的防止了颤振。 当润滑不良或者润滑液油膜遭到破坏时，轧辊和带钢之间的接触状态就会恶化，就 会在轧辊表面形成振纹。宝钢 cm04 平整机平整过程中发生 560600 hz 颤振，在带钢 表面产生明显的振纹。通过研究发现，这种振动的振源在于辊缝，辊缝界面处于流体润 滑与粘滑兼存的状态，在轧制过程中，工作辊和带钢处于一种粘着与相对滑动并存的状 态，我们称之为粘滑运动。机座的垂直振动系统的某一阶固有模态与辊缝间的动态特性 密切相关，在系统负阻尼条件下，容易发生自激振动，这阶模态的自激振动会在带钢表 面产生振纹，最后通过对轧制工艺的调整，选用合适的平整液，增加轧辊表面粗糙度， 消除了辊缝界面的负阻尼特性，成功的解决了颤振问题。 日本福山钢铁厂五机架冷连轧机是世界上第一台全连续带钢（无头轧制）冷轧机， 该轧机在轧制镇静钢时出现颤振现象，经研究测试发现，由于轧辊磨削的很光滑，润滑 过好而出现打滑颤振， 后来对润滑油采取了措施， 减少了硬脂酸， 降低了轧制油的油性， 增大了轧制力，使轧制条件变的稳定，从而消除了振动。 1.2.2 由张力波动引起的振动 轧制过程中张力是冷轧带钢生产中必须严格控制的参数， 张力的变化对轧制力的变 化有着直接的影响，因而成为影响轧机振动的重要因素之一。生产中工艺参数和设备参 数变动，会造成金属流量平衡的失调，从而引起带钢张力的波动。带钢张力的波动量越 大，轧制力的变化越大，轧机越容易失稳，越容易造成自激振动。解决此类问题的办法 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 4 是增加系统的刚度和阻尼、 减小张力波动。 因张力波动而造成轧机垂直振动的例子很多， 如日钢公司下属的 hirohata 厂的一套五机架冷连轧机发生颤振时，使产品产生了15% 的厚度波动，甚至发生断带事故，当带厚波动在2%偏离目标厚度时，就可听见轻微 的颤振声音，颤振频率在 160hz170hz 之间。tsutomu tamiya 等人经过现场测试和理 论分析，特别是对轧机颤振进行了联机的系统仿真研究，认为振动的原因在高速下相邻 两架次的速度差会引起张力的变化，从而影响轧制力的变化，引起轧辊振动。轧辊垂直 振动的位移与入口张力的波动之间存在 90的相位差，当轧制速度升高时，受带厚波动 影响的入口张力波动变大，轧辊振动的振幅由于张力波动的相位延迟而增大，从而发生 振动。他们通过增加各机架之间的长度、增加压下系统的阻尼使振动减小。 加拿大dofasco钢铁公司的两套四辊五机架冷连轧机振动比较严重， 经常被迫降到 半速，dofasco钢铁公司与mcmaster大学的j.tlusty教授研究发现轧辊的振动位移使机 架之间的张力发生周期性波动，从而使轧制压力波动超前振动位移 90，这就产生了负 阻尼作用而造成了垂直颤振。研究还发现，轧辊振动造成的入口侧接触弧的周期变化， 可以增加轧辊与轧件之间的接触刚度，从而起到提高轧机系统固有频率的作用；轧辊振 动造成的出口侧接触弧的周期性变化可以起到正阻尼的作用1223。 比利时一台生产镀锡薄带的五机架冷连轧机进行研究，在测试过程中发现，轧机的 颤振频率并不是绝对为常数，在大多数的记录情况下为169hz，当产品表面出现明暗交 替的印痕无法测量厚度时，频率在600hz左右。冷连轧机的颤振，出现在带材状况发 生轧制压力突然变化的时和轧机对颤振的敏感性较高的时候， 带材的状况包括焊缝的出 现、酸洗质量、缺乏润滑和不同硬度的板材。 1.2.3 由轧辊结构或尺寸不合理引起的振动 轧辊是轧机系统中非常重要的零部件，一方面承受着巨大的轧制力和弯矩，由于旋 转自身应力还要做周期性变化，另外还承受着交变的热负荷。使用有缺陷的或尺寸不合 理的轧辊不但会影响设备的寿命， 而且还影响轧制过程的稳定性， 造成带钢的质量缺陷。 解决此类问题可采取合理选择轧辊直径、材质等措施。生产中发现，使用有缺陷的和不 匹配辊径的轧辊进行轧制时会造成轧制不稳定，使轧机机座发生颤振。 john j.gasparic分析了轧机振动产生的原因，认为振动的激励源在于轧辊，在磨削 轧辊时轧辊表面上产生的振纹导致带钢上产生振纹， 轧制过程中当轧辊表面振纹的波长 接近振动波长时，可能引起轧机的振动26。 美国钢铁公司的研究实验工厂对产品表面质量和轧辊表面做过深入的研究， 造成这 类颤振的频率约为600hz，在轧辊和带钢表面有黑白相间的条纹，这对有严格要求的表 面质量的带材来说也是不允许的。观察发现，带钢表面上有振纹时，工作辊上很少有振 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 5 纹，支承辊上可能有也可能没有振纹。带钢表面的振纹和轧制方向垂直，带钢表面的振 纹在大气中暴露一段时间后可见度减少。随着支承辊直径的磨小，辊面上的振纹会更加 严重。在工作辊与支承辊直径之比一定的条件下，轧制速度在轧辊表面产生的振纹的数 目为整数时，该速度称为引起振纹的临界速度；在一定的速度范围内，出现的临界速度 数目越多产生振纹的几率就愈大。研究发现，在一定轧制速度下，当工作辊直径与支承 辊直径之比使轧辊表面振纹的数目均为整数时，轧辊表面更容易形成振纹，在更换辊子 时尽可能选用和被换轧辊不同直径的辊子65。 1.2.4 轧机振动理论的研究现状 基于tamiya颤振模型，tlusty发展了一套轧机颤振的基本理论。他们认为轧机的 第三倍频颤振是由轧机张力相位延迟而导致的一种自激振动现象， 推导出一个系统稳定 性判定准则，分析了各种参数在轧制过程中的对轧机颤振稳定性的影响。作为tlusty 模型的提升，yun等发展了由负阻尼效应、模态耦合效应和再生效应所导致的三种颤振 模型，通过研究一个多模态模型，发现模态耦合可能导致轧机三倍频颤振，并且系统的 轧制力方向能够影响系统的稳定性，还发现张力不仅产生负阻尼效应，还影响系统的刚 度2352-54。 中南大学的唐华平等人采用非线性力学模型对轧辊的水平振动进行分析， 建立了水 平振动的非线性动力学方程， 分析了由于轧辊和带钢接触界面之间相对运动激起相对变 形与接触面上摩擦力之间的关系， 分析了辊缝状态由粘滑共存摩擦转变为全滑摩擦时对 轧辊水平振动的影响。用相面法分析了轧辊水平运动规律，并确定了粘滑滑动运动的 极限环。定性分析了轧辊水平运动的动力学特性，着重分析了单辊驱动轧机水平自激振 动产生的条件和机理。钟掘等人进行工业试验，研究发现了平整机自激振动现象并阐明 了轧制界面的负阻尼机制；建立了工作界面的动力学模型，进行了轧机机电耦合动力学 分析824404462。 美国钢铁公司研究室主任w.l.roberts曾经研究了该下属各厂冷连轧机的颤振问 题， 发表了两篇著名的论文， 分别论述冷连轧机的第三倍频程及第五倍频程的颤振问题。 在研究过程中注意了轧机零部件本身的原因，指出了支承辊上的印痕可能激起机座颤 振，并认为轧辊表面的振纹可以通过轧辊传递到带钢上。他认为轧机安装、轧辊磨削不 良以及轴承缺陷等机械原因以及入口张力过大、 润滑不良及轧制速度等工艺原因也可以 造成轧机的颤振。他们从理论上提出至少在两种条件下能促使这种不稳定颤振的发生。 第一种是在入口张力过大的条件下进行轧制， 辊缝中的摩擦因数随带钢压下量的变化而 产生波动，摩擦因数的波动会导致系统刚度和稳定性的波动；第二种随着轧制力增加会 导致较大的轧辊弹性压扁，从而减小平均压应力，带钢的压下量也会减小，造成系统稳 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 6 定性下降而引起颤振25-30。 1.3 课题主要研究内容 某钢铁企业冷轧板厂冷连轧机近年来一直存在着振纹问题， 每次更换下来的支承辊 都会出现明暗相间的条纹，在轧制过程中，支承辊振纹会进一步在印在带钢表面。本课 题针对冷连轧机机组进行测试和理论分析，掌握振动和振纹的特征及原因，揭示振动形 成机理，确定振动产生的条件，提出抑制振动和减轻振纹的措施。 本文主要研究内容包括： 总结国内外文献的基础上阐述轧机振动的研究现状，归结轧机振动种类、影响轧 机振动的因素、研究方法、研究成果等； 以四机架六辊冷连轧机为研究对象，从轧机颤振机理角度入手，阐述自激振动的 基本原理，研究垂直振动基本理论，建立垂直振动方程，从理论上分析张力变化、接触 弧长变化、压下率变化对振动的影响，根据轧制润滑理论，分析了摩擦润滑对振动的影 响； 介绍冷连轧机机组的基本情况，对冷连轧机组进行现场测试，开发采集分析软 件，对测试数据进行分析，对轧制过程中在线烧轴承问题进行分析，并提出解决措施， 通过测试数据分析出各个工艺参数对轧机振动的影响，测试内容包括： 1）2009.82009.11，对冷连轧机四机架进行联合测试，包括24个振动测点以及3个 张力信号和1个转速信号，测试内容包括空转实验、空转压靠实验、不同工艺状况实验 （不同轧制速度、不同乳化液浓度、不同钢种） ，每种工况采集515次，将测试设备安 装在现场进行在线、连续检测； 2）2009.122010.2，进行单机架测试，测试内容与四机架联合测试一致，整理测试 报告，进行现场实验； 3）测试过程中，记录相关轧制工艺参数、记录钢卷号、测试时间、测试数据； 4）根据辊号，跟踪每根加工完成的轧辊上架使用的过程情况，以配合整体项目的分 析； 5）记录每一卷振纹情况：轧制后是否有振纹，振纹间距、周期及可见程度。 运用ansys workbench对冷连轧机机架、轧辊进行结构模态分析，得出机架及轧 辊的固有频率和主振型；建立冷连轧机八自由度垂直振动模型，对冷连轧机自激振动进 行仿真分析； 通过对影响轧机振动因素的分析，提出抑制轧机振动的措施，并在现场得到成功 的应用。总结本文主要研究内容，展望了尚未做好的研究。 重庆大学硕士学位论文 2 冷连轧机振动及振纹机理分析 7 2 冷连轧机振动及振纹机理分析 2.1 振纹概念及现象 振纹现象在国内外冷连轧机上普遍存在，但在不同工艺条件、不同设备情况下，振 纹的表现有所不同，对振纹问题还没找到普遍适用的抑制措施，但振纹与振动之间存在 着某种必然联系的观点已被普遍接受。 振纹缺陷仅表现在人的视觉上，对带钢的机械性能并没有影响。有资料表明，有振 纹的带钢表面上存在着两种波，一种叫厚波，一种叫形波。而振纹就是由这两种波以不 同的周期和不同的波峰复合而成的（如图2.1所示） 。波峰间距在540mm之间，以 2030mm最多；波峰在0.33um之间，最大的可以达到10um41。 图 2.1 振纹波的几何特性 fig.2.1 the property of chatter mark wave 从目前的认识来看，轧机振动是振纹形成的决定性因素，凡是影响轧机振动的因素 都与振纹有关。在正常轧制状态下，振纹间距、振动频率和轧制速度三者之间存在着确 定的关系： fv/= 根据振纹间距的变化与否可以把引起振纹的因素分为两类。 当轧制速度变化时，若振动频率不变，振纹间距变化。此时可能是轧机机架或轧 辊的某阶振动模态被激发所致，这种情况是轧机本身设计的缺陷。只能尽量避免激发其 固有频率的振动，这包括加强轧辊轴承座刚性、使用液压衬板、增加橡胶阻尼块、改善 辊缝摩擦润滑状态等。 轧制速度变化时，若振动频率变化，振纹间距不变。此时有两种原因： 1）轧制前，轧辊表面上已经有了振纹，轧制过程中使用这样轧辊轧制会使钢带厚度 重庆大学硕士学位论文 2 冷连轧机振动及振纹机理分析 8 发生平滑性的波动，使用有振纹的轧辊轧制，好比将振纹印到带钢表面上，从而使带钢 表面产生振纹； 2）设备的磨损是主传动系统上产生振动冲击的原因，如轴承缺陷、齿轮磨损和联轴 节松动。齿轮表面存在磨损，会使工作辊和带钢的线速度之比产生周期性变化，引起振 动，在带钢表面产生振纹。主传动联轴节存在间隙会引起冲击，轧机在冲击作用下产生 多种模态振动，会引起振纹；轧辊轴承一般为滚动轴承，长时间运行后出现内外道和滚 动体缺陷，会引起轧辊振动。 带钢生产中的振纹现象因其形成原因复杂、形成机理不明、形成原因与轧机振动直 接相关，也称之为振纹，或振痕（如图2.2所示） ，振纹有以下特征： 明暗相间的条纹是由钢板表面的振纹波对光的不同反射角度而引起的一种视觉 现象，它与硬度和金相组织无关； 振纹是明暗交替的，有均匀与不均匀之分，均匀振纹明暗间距基本相同； 振纹可以出现在带钢上，也可出现在支承辊上和工作辊上，工作辊上出现振纹的 原因主要是轧辊在磨削过程中产生的； 当波峰大于3um的时候振纹肉眼可见，当波峰介于0.33um时，在打磨之后可 以看见，当波峰小于0.3um时，振纹消失； 明暗振纹可随观察角度和光照的变化而变化，明暗区厚度有时有明显变化，有时 无明显变化。若试图用轻微的腐蚀等方法擦去振纹，一般不会成功。 图 2.2 振纹图片 fig.2.2 picture of vibration stripe 根据对振纹形成原因的分析，人们提出了一些振纹控制措施12： 避免轧辊缺陷的激励，定期检查轴承工作状况； 重庆大学硕士学位论文 2 冷连轧机振动及振纹机理分析 9 磨床磨削轧辊时，避免因振动过大造成轧辊表面出现振纹； 避免外来激励，避免使用有缺陷的轧辊和联轴节，保证来料厚度均匀； 如果在支承辊上产生振纹，更换工作辊尽量与原来直径不同。 2.2 垂直振动基本理论 根据轧钢机的受力特点，可将轧机部件按两种不同的载荷传递系统进行振动分析。 一种受载系统是轧机机座系统垂直振动，外载荷主要是轧制力、弯辊力、张力等；第二 种受载系统是轧机的主传动系统的扭转振动， 外载荷是轧制力矩及电机的磁场作用在电 枢上的扭矩的变化。垂直振动又分为低频垂直振动和高频垂直振动，两种振动的频率都 不随轧机速度的变化而改变， 可以推想这两种振动的频率与轧机机座系统的固有动态特 性有关。冷轧带钢表面的振纹主要是由于轧机机座的高频垂直振动造成的，也就是我们 前面所说的第五倍频程颤振。 在轧制过程中的很多振动和冲击都有激发高频垂直振动的 潜在可能，特别是下述原因： 在支承辊周长恰好是由轧速决定的振动波长的整数倍时长时间轧制； 支承辊具有表面缺陷； 轧机零部件的固有频率与轧机的高频垂振频率之间成谐波关系； 轧制有振纹的带钢时， 当支承辊周长等于振纹间距的整数倍时更容易激起高频垂 直振动。 2.2.1 垂直振动方程的建立 为了便于理论分析， 可以将支承辊、 中间辊和工作辊简化为一体， 两组质量都为m， 上下对称，可以列出辊系的振动方程为1 55 64： pkllclm=+ （2.1） 其中 l辊系的位移； p轧制力的变化量。 重庆大学硕士学位论文 2 冷连轧机振动及振纹机理分析 10 图 2.3 轧机两自由度简化垂振模型 fig2.3 simple vertical vibration model of two degrees of freedom of rolling mill 由轧制理论知： ),( 2 = sfb thhbrrrlqqpp （2.2） 其中 l接触弧长；r相对压下量； r 压下率；h 入口厚度； 2 h出口厚度；f摩擦因数； t温度； r轧辊压扁半径； s 材料屈服极限； b q后张力； f q前张力；b轧件宽。 上式中b、h等在振动过程中可以认为保持不变，另一部分变量如 b q，l，f，r可以 认为是l的函数，部分实际相关的变量，如h和r在h起同样影响，为简化起见只考虑 一个。由全微分法则可以求得振动时压力变化， += + + + + + + = frlflbqfqb f f b b pppppp df f p dr r p dl l p dl l p dq q p dq q p dp 2 2 1 1 （2.3） 式中 1 dl， 2 dl分别是振动中考虑入口侧和出口侧时的接触弧长的变化量。 研究发现，轧机垂直振动的波形一般为简谐波，所以可以假设为余弦波。 tll a cos= （2.4） 则出口侧带钢厚度波动可以表示为： tlhh am cos2 22 += （2.5） 其中下标m和a分别代表平均值和最大值。 2.2.2 张力对振动影响 由轧制理论知，在轧制过程中机架金属单位时间的秒流量相等，可以得到： 重庆大学硕士学位论文 2 冷连轧机振动及振纹机理分析 11 mhvhvhvhvhv ii = 44332211 （2.6） 式中： i v第i机架轧件出口速度； i h第i机架带钢出口厚度； m单位时间内金属流量 实际测试中，轧机振动时前滑率基本保持不变，也就可以认为 2 v不变，来料厚度 1 h 假设为常量，由式2.6可知，如果轧机振动时 2 h发生变化，则 1 v将发生波动。 vv h tlv h hv h tlhv h hv v m am am +=+= + = 1 1 2 1 22 1 22 1 22 1 cos2 )cos2( （2.7） 对于冷连轧机来说，前一机架带钢的出口速度可以认为保持不变 m v1。而由于入口 速度变化造成后一机架与前一机架之间的带长的变化量为： = t a t a h tlv tdt h vl vdts 01 2 01 2 sin2 cos 2 （2.8） 带长的变化会产生后张力分量： 1 2 sin2 sh telv e s s q a b = = （2.9） 式中：s为两机架间距；e为带钢弹性模量。 根据轧制理论，轧制力可以表示为 hrbqqkp mm = )( （2.10） 式中： m q为平均张应力，一般取 fbm qqq3 . 07 . 0+=； p q为应力状态系数。 p q采用hill公式来计算 r h r rfqp02. 179. 108. 1 += （2.11） 由 b q造成轧制力的变化量为： a mp a mp mpbqb l sh hreqbv tl sh hreqbv hrbqqp = = = 2 1 2 1 2 4 . 1 sin 4 . 1 7 . 0 （2.12） 重庆大学硕士学位论文 2 冷连轧机振动及振纹机理分析 12 由式2.12可知，在轧机振动中后张力的变化会引起轧制力的变化， qb p超前振动 tlacos2的相位 90，把 qb p移到振动方程2.1左端就变为负值，这样就产生了一项负 阻尼。 2 1 2 4 . 1)( sh hreqbv dl pd c mpqb = = （2.13） 振动时前滑率基本保持不变，也就可以认为 2 v保持不变，则总前张力 f t也可以认 为不变，则前张力为： )cos21 ()cos21 ( )cos21 ( )cos2( 222 2 2 22 t h l qt h l bh t t h l bh t tlhb t bh t q m a fm m a m f m a m f am ff f = + = + = （2.14） 前张力的变化量 f q为： t h lq q m afm f cos 2 2 = （2.15） f q造成的轧制力的变化量为： l h hrbqq tl h hrbqq hrbqqp m mpfm a m mpfm mpfqf 2 2 6 . 0 cos 6 . 0 3 . 0 = = = （2.16） 将 qf p移到式2.1的左端，可以看出由于 qf p的影响使系统刚度降低。 m mpfm q h hrbqq dl pd k 2 2 6 . 0 )( = = （2.17） 在出口速度稳定的情况下， q k不会发生变化，它对系统固有频率降低有间接地影 响。如果出口速度发生了与垂振频率相等或相近的振动，则 q k将发生周期性波动，这 有可能造成参数共振的条件。 2.2.3 接触弧长变化对振动的影响 轧制过程中，当工作辊发生垂直振动时，必然会引起接触弧长的变化。对冷连轧机 而言，轧辊弹性压扁的改变只会影响轧制力及接触弧长等各项的量值，而不会改变各项 的相位和性质。为了便于计算，不妨先假设轧辊在振动中弹性压扁半径保持不变，如果 重庆大学硕士学位论文 2 冷连轧机振动及振纹机理分析 13 压扁变形变化较大，可用附加修正项解决。 图2.4所示， 1 c为轧辊的中心位置，x为轧辊在水平方向上的位移量，实线表示 轧辊轮廓在某时刻的位置， 接触弧从 1 i到 1 e， 之后轧辊由 1 c向上跳到 2 c， 向上运动z， 它的轮廓用虚线b表示，而此刻轧件向右运行x，轧件轮廓用虚线a表示，接触弧从 2 i 到 2 e，从图2.4可以看出，轧件和轧辊的接触弧从入口到出口两侧都被缩短了。 图 2.4 接触弧长变化引起的振动 fig.2.4 vibration caused by the change of contact arc 由入口端接触弧长的变化引起的轧制力变化量 lb p pmammlb qhrtlhrqkbp)cos2()( = （2.18） hl，按照级数展开并忽略小项得： l h r qqkb tl h r qqkbp m pmm a m pmmlb = = )( cos)( （2.19） 由式2.19看出，入口端接触弧长变化引起的轧制力变化量 lb p会增加系统刚度刚 度和稳定性，但是不起阻尼的作用。 由出口端接触弧长的变化引起的轧制力变化量 lf p 如图2.5所示，轧辊速度在角处的垂直分量为 dt h d vv rz ) 2 ( sin 2 = （2.20） 重庆大学硕士学位论文 2 冷连轧机振动及振纹机理分析 14 图 2.5 出口接触弧长变化对振动的影响 fig.2.5 vibration caused by the change of contact arc 在出口点e处0= z v dt dh dt h d vr 2 2 2 1 ) 2 ( sin= （2.21） 又因为 sin r l vv f rr = tl dt dh a sin2 2 = tl v r dt dh v r l a rr f sin 2 2 = 如果将前滑忽略，则可以认为 2 vvr tl v r l af sin 2 = = l v rbqqk v tlrbqqk qlbqkp pmm apmm pfmmlf 2 2 )( sin)( )( （2.22） 由于出口接触弧长的变化造成轧制力的变化 lf p将起到增加系统阻尼的作用。 2.2.4 压下率对振动的影响 压下率r变化引起的轧制压力变化量 r p，由hill公式： 重庆大学硕士学位论文 2 冷连轧机振动及振纹机理分析 15 )02. 179. 108. 1 ()( r h r frhrrbqkp mm += （2.23） += 53. 1685. 2 54. 0 )( h r f r hrrbqk r p mm （2.24） h tlhh r am cos2 2 = （2.25） t h l rdr a cos 2 = lktlk tl h r f rh rr bqkdr r p p rar ammr = += = cos cos06. 337. 5 08. 1 )( （2.26） 压下率r变化引起的 r p变化会增加系统刚度和稳定性， 提高系统的垂直振动频率。 2.2.5 摩擦润滑对振动的影响 轧制混合润滑理论61 在轧制过程中，如果不考虑辊缝间的润滑，根据轧制理论，辊缝间的摩擦可以由库 伦摩擦理论得出，认为摩擦系数在辊缝间是不变的，属于滑动摩擦。 p b = 式中： b 摩擦力；摩擦系数；p轧制力。 由于在轧制过程中加入了润滑液，这时摩擦状况要用流体动力润滑摩擦理论来分 析，摩擦力可以用下式表示： h uv f = （2.27） 式中：v轧辊的线速度；u轧件速度；润滑油粘度；h辊缝间的油膜厚 度。 由于辊缝间的油膜厚度不等，速度差也不一致，所以摩擦力是变化的。对于辊缝间 的润滑，一般采用液体动压润滑理论。辊缝润滑模型如图2.6所示，润滑油在辊缝形成 了一定的压力，满足了雷诺方程： )(6 0 3 hhvu dx dph += （2.28） 式中：h任一点的油膜厚度；润滑油的动压粘度；v轧辊的线速度； 重庆大学硕士学位论文 2 冷连轧机振动及振纹机理分析 16 u轧件的速度； 0 h入口点的油膜厚度；p润滑油的压力分布。 入口段入口点的外部，假设油膜厚度呈线性分布，即 r l lxhh)( 0 += （2.29） 式中：x接触弧长水平投影；r轧辊半径；l该点到工作辊中心线距离。 图 2.6 轧制润滑模型 fig.2.6 rolling lubrication model 方程2.28边界条件有两个：一是入口点的应力等于轧件产生塑性变形所需克服的 力；另一是离两中心辊无穷远处的应力为0，即 0 =kplx （2.30） 0=px 式中 k轧件入口端的变形抗力； 0 轧件入口张