（机械电子工程专业论文）1780mm+pc轧机振动故障的分析与研究.pdf

：海大学硕j ：学位论文 摘要 本论文主要是对宝钢集团1 7 8 0 m m p c 轧机进行了分析研究。随着产品的拓 展，该轧机在生产终轧厚度1 6 2 0 m m 的板材时，f 2 ，f 3 振动剧烈，尤其是f 3 最为严重。振动造成该轧机工作辊表面振纹，以及机架出口处覆盖整个带钢宽度 的振纹，同时伴随着振动强度变化而出现低频轰鸣声。轧机异常振动的出现，加 剧了轧辊的磨损，影响轧机的生产能力，不合格产品的比例也随之增加。因此迫 切需要研究振动的原因，掌握其规律，提出解决的方法【1 】。 本论文以p c 轧机系统的振动现象为研究对象，对其成因、危害、主要影响 因素等方面进行了研究与探讨。利用三维c a d 软件s o l i d w o r k s 、有限元分析软 件a n s y s 、机械动力学仿真软件a d a m s 三种软件的优势互补，建立了宝钢 1 7 8 0 m mp c 轧机的振动模型，进行了轧机系统的模态分析，轧机系统振动现象 的仿真，对影响轧机系统振动的各因素进行了定性分析，为有效防止轧机振动现 象的发生提供了理论依据。结果证明，为了在保证较好的板型情况下，使轧机生 产稳定高效地进行，各机架的轧辊交叉角与轧制力的合理配置是非常必要的。而 且进一步说明p c 轧机轧制工艺的合理分配，可实现轧制力和交叉角的最优匹配， 从而可达到避免各机架发生激振。 关键词：p c 轧机振动仿真有限元 上海大学硕。1 ：学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l ya n a l y z e st h e17 8 0 m mp cm i l lo fb a o s t e e lg r o u p w i t ht h e e x p a n s i o no fp r o d u c t s ，w h e ni tp r o d u c tt h ep l a t ew h o s ef i n i s h i n gt h i c k n e s s i s 1 6 2 0 m m ；f 2 ，f 3v i b r a t e di n t e n s e l y , e s p e c i a l l yt h ef 3 v i b r a t i o nc a u s e dv i b r a t i o n p a t t e r n so nt h em i l lw o r kr o l ls u r f a c e ，a sw e l la st h es t e e lw i d t ho fv i b r a t i o np a t t e r n s i nt h ee x i to ft h er a c k w h i l ea c c o m p a n i e db yc h a n g e si nv i b r a t i o ni n t e n s i t ya p p e a r e d l o w f r e q u e n c yr o a r t h ee m e r g e n c eo fa b n o r m a lv i b r a t i o nm i l l ，e x a c e r b a t e dr o l lw e a l a n dt e a r , i m p a c t e dm i l l sp r o d u c t i o nc a p a c i t y , i n c r e a s e dt h ep r o p o r t i o no fu n q u a l i f i e d p r o d u c t s t h e r ei sa l lu r g e n tn e e dt os t u d yt h ec a u s e so fv i b r a t i o n ，m a s t e ro fi t sl a w s ， p r o p o s e ds o l u t i o n s t h i sp a p e rs t u d i e dt h ep cm i l ls y s t e mv i b r a t i o np h e n o m e n o n ，a n di t sc a u s e s ， h a r m ，t h em a i ni m p a c to ff a c t o r s t h i sp a p e re x e r t st h ef u n c t i o na d v a n t a g e so f s o f t w a r ei nd i f f e r e n t a r e a s a p p l i c a t i o n o ft h r e e - d i m e n s i o n a lc a ds o f t w a r e s o l i d w o r k s ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，t h em e c h a n i c a ls y s t e m d y n a m i c ss i m u l a t i o na n a l y s i ss o f t w a r ea d a m s ，i te s t a b l i s h e db a o s t e e l17 8 0 m mp c m i l lu n i tf 3 s3 dm o d e l ，m a d eam o d ea n a l y s i s ，s i m u l a t e dt h er o l l i n gm i l ls y s t e m v i b r a t i o np h e n o m e n o n ，p u tu pq u a l i t a t i v ea n a l y s i so ff a c t o r so ft h em i l ls y s t e m v i b r a t i o n ，a n dp r o v i d e dat h e o r e t i c a lb a s i st oe f f e c t i v e l yp r e v e n tt h eo c c u r r e n c eo ft h e p h e n o m e n o no fr o l l i n gm i l lv i b r a t i o n t h ec o n c l u s i o ns h o w st h a t ，i no r d e rt oe n s u r e t h a tt h ep l a t eg e t sb e t t e rl e v e la n dt h em i l lc a l lw o r ku n d e ras t a b l ea n de f f i c i e n t s t a t i o n ，r e a s o n a b l ea r r a n g e m e n to ft h ec r o s s - r o l la n g l ea n dt h er a t i o n a lr o l l i n gf o r c ei s n e c e s s a r y i ta l s os h o w st h a tr a t i o n a ld i s t r i b u t i o no fp cm i l lr o l l i n gt e c h n i c sc a n a c h i e v et h eo p t i m a la n g l ea n dc r o s s - m a t c h i n g ，w h i c hc a l lb ea c h i e v e dt oa v o i dt h e o c c u l t e n c eo fe x c i t a t i o n k e y w o r d s ：p cm i l l ，v i b r a t i o n ，s i m u l a t i o n ，f i n i t eu n i t s i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：一鲰 导师签名： 日期：五斗业 ：海大学硕r 学位论文 第一章绪论 1 1 课题的来源与研究背景 本课题来源于宝山钢铁有限公司关于1 7 8 0 m m p c 热连轧机组振动故障的防 止措施项目。项目编号是：n o b y h m f m 1 7 6 。 宝山钢铁股份有限公司的1 7 8 0 m m p c 热轧机组于2 0 0 3 年底投产。热轧投产 后随着产品的拓展，在生产终轧厚度1 6 2 0 m m 的板材时，f 2 ，f 3 工作辊振动 剧烈，尤其是f 3 最为严重。为此宝钢向日方三菱公司提出测试轧机振动并采取 解决措施的要求。2 0 0 5 年2 月，公司与三菱合作，实施了轧制负荷再分配的方 案，期望提高轧机的防振动能力，但效果欠佳。剧烈的振动不仅使f 3 丰传动的 工作精度和可靠性降低，而且造成轧辊产牛附加力矩，使辊面异常损坏。振动也 使工作环境噪音很大，严重影响操作。2 0 0 5 年11 月，宝钢启动了轧机振动的改 善项目。为此，本课题要对轧机振动的原因进行探索和分析，并进一步提出改进 措施，期望得到较好的效果 2 】 3 。 1 2 轧机振动的国内外研究综述 轧机存在多种形式的振动，最普遍和最主要的振动有- 丰传动的扭振和主机架 的垂振，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 4 。 现代钢铁工业的发展对钢铁生产效率的要求越来越高，轧制设备也朝着大型 化、高速化、连续化和自动化方向发展，热连轧机轧制的钢坯重量不断增加，轧 制速度不断加快 5 】。由于液压a g c 、板型控制、可控硅控制以及晶闸管变频一 交流电机调速控制等新技术的出现，又有许多新的轧机振动问题需要解决。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动的研究十分重 视，众多学者针对轧钢机的振动问题进行了研究，积累了宝贵的经验，我国大约 在5 0 年代开始有了专门的研究。 最初对轧机振动研究主要从弹性振动理论、轧机系统模型的建立以及对影响 轧机振动的工艺参数分析等方面展开。下面就对国内外的研究概况进行下介绍。 1 卜海大学硕f ：学位论文 1 2 1 国外的研究概况 日本某钢厂的冷连轧机发生的颤振能使产品的厚度偏差达到1 5 ，而且严 重时会出现断带。在生产过程中，当轧机发出振动轰鸣时，操作工人会从振声中 判断出发生颤振，马上降速以避免断带和破坏事故。通过对事故的处理，他们发 现可以通过增加压下系统的阻尼或采用润滑的方法进行避振。 加拿大的s 克里奇利等对高速连续式轧钢机的振动进行了专门的研究，研究 的重点放在第四机架，振动的原因集中在轧制速度、轧制制度和润滑情况构成的 特定辊缝，由于辊缝的不稳定导致了轧机的振动。 日本千叶厂的冷连轧机在重载轧制的情况下会发生颤振，对产品造成不良的 影响，只能降低轧制速度来减少振动发生的可能性，这样极大地降低了轧机的生 产效率。通过对引起轧机振动的原因的研究，得出润滑不良是影响轧机振动的一 个重要原因。 在振动理论方面：固有模态理论由于它可通过正交线性变换把一个复杂的多 自由度线性系统转换成若干个单自由度来求解，因而在轧机振动中得到广泛的应 用；现代控制中的状态空间法、有限元计算机仿真分析法也得到了迅速发展。 机械故障诊断技术也引入到钢铁行业【1 0 】。日本新日铁公司从1 9 7 0 年开始 研究，1 9 7 7 年己对初轧牌坊，万向联接轴等重要部件的故障进行检测诊断。当 前，机器设备故障诊断预报技术的研究十分活跃，正在进一步研究准确有效的诊 断预报技术，建立专家系统，实现诊断预报系统的智能化。 1 2 2 国内研究概况 国内众多学者对轧机振动进行了深入研究。邹家祥等人针对宝钢2 0 3 0 m m 带 钢冷连轧机剧烈振动问题展开了深入的研究，研究了其振动机理，认为该轧机振 动的振源在辊缝，中心频率集中；轧机振动为发散型自激振动，诱发及扩散阶段 自激振动有不同的反馈机理，诱发阶段为辊缝摩擦负阻尼，扩散阶段为张力一轧 制力一轧辊垂直位移相位差构成负阻尼等，使轧机振动的起因及机理获得了新的 解释；通过对轧机摩擦特性的研究，进一步揭示了引起轧机振动的原因及有效的 控制措施，提出了现场实用的抑制轧机振动的润滑条件，并得到了生产验证，丰 2 ：海大学硕十：学位论文 富了轧机辊缝动力学研究的内容；通过轧机机座整体结构三维有限元频率及振型 特性分析，合理建立了轧机动态分析模型 1 1 。 在轧机传动系统振动建模及分析方面，将机座与轧件作为一个系统来研究， 建立了基于辊缝动力学的、以分析板带轧机机座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。此模型考虑了阻尼因 素及由辊缝动力学模型确定的非线性轧制力，使模型能更真实的模拟现场实际状 况。某文献对某厂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 拉格朗日方程建立了扭振数学模型，用m a t l a b 计算软件求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，对生产有一定指导作用。还有些文献研究了 1 4 2 0 冷连轧机的自激振动现象，建立了轧辊的振动数学模型，并运用多尺度摄 动法进行分析求解，提出了解决自激振动的方法。实验表明，该方法可有效地控 制轧辊的自激振动，提高系统的稳定性。 1 3 轧机振动未来的研究重点 到目前为止，各国专家学者以及企业的工作人员对轧机振动的研究取得了一 定的成果，也解决了实际存在的一些问题，但轧机振动的问题远未彻底解决，许 多深层次的问题尚待认知。由于现代钢铁工业对轧制要求的提高，在新问题情况 下轧机振动的研究越来越多地受到了相关学者及技术工作者的重视。随着计算机 技术的发展，人们逐渐习惯用计算机方法来分析问题和解决问题，而且在实际生 产当中，也确实收到了不错的效果，在轧机振动研究方面也不例外。综合考虑， 轧机振动的研究会从以下几个方面展开。 ( 1 ) 对轧机润滑问题的研究 研究表明，轧机润滑状态会对轧机振动造成不良的影响，对轧机润滑的研究 至关重要。润滑问题涉及到弹流润滑、边界润滑以及分子吸附等诸多学科，而且 对于轧机润滑问题的理论研究还比较少，因此这将是以后研究的一个方向。 ( 2 ) 对轧机工艺参数的研究 轧机的工艺参数对轧机振动的影响是很大的，一些关键参数的轻微变化，都 可能引起轧机系统振动的加剧。对工艺参数的研究，对减弱或避免轧机振动有很 上海大学硕仁学位论文 大的帮助。 ( 3 ) 利用计算机技术，对轧机振动问题进行研究 计算机技术的发展惠及各行各业，将计算机技术放到对轧机系统的振动研究 上是一个很大的进步。我们可以通过计算机仿真的方法，将在实际生产中不容易 实现的问题，通过软件进行解决。如果能够在计算机软件上实现更加精确的建模， 更具真实化的仿真研究，会对以后的轧机振动研究工作有很大的帮助。 1 4 p c 轧机振动研究的目的和意义 p c 轧机是当今世界先进控制技术高度集成的机、电、液一体化大型复杂设 备。而p c 轧机振动是高速轧制高强度薄规格板带材时普遍存在的一种物理现象。 轧制速度越高、压下率越大、板带越薄，越容易发生振动。轧机剧烈振动会导致 轧制力或s l $ j j 扭矩产牛强烈冲击并伴随强噪声。轧机振动问题的研究受到各国生 产工程界和科学技术界的高度重视和广泛关注【1 4 。长期以来，国内外的研究者 针对不同类型的轧机振动问题，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。 目前，国内外对轧机系统振动理论的研究较多采用有限元分析方法，同时为 了使计算结果收敛，缩短分析时间，常对模型进行简化处理。本文以多体动力学 理论基础为依据，利用s o l i d w o r k s 进行建模，同时利用a n s y s 和a d a m s 进行仿 真，结合了各种软件的优势，更好的实现了p c 轧机系统振动的仿真分析，是具 有创新意义的理论研究。通过仿真分析可以深入、全面地研究各种因素对轧机系 统振动的影响，提出更合理、有效的解决办法。并通过在仿真平台上进行试验， 将获得的结果应用于实际轧机系统，将有效提升现有轧机的工作效率；仿真平台 的成功建立可以加深对原系统的认识，从而对实际系统的改造提供指导性的技术 支持，并可最大限度降低系统改造的风险。 1 5 课题的研究目标与内容 轧机振动是影响钢板质量的重要因素，是本专业领域的一个研究热点与难 点。随着社会的发展及科学技术的进步，用户对钢板质量的要求越来越高，因此 研究和解决轧机振动问题越来越迫切。 4 上海大学硕_ ：学位论文 1 5 1 课题的研究目标 宝山钢铁有限公司是上海乃至全国重点知名企业，其热连轧机组出现的异常 振动，严重影响了产品质量及设备的安全，迫切需要研究振动的原因，提出解决 的办法。因此，本研究课题不仅能解决企业生产的技术难题，产生重大的经济效 益，而且具有较高的学术价值。 1 5 2 课题的研究内容 ( 1 ) 在查阅国内外文献资料，对p c 轧机结构及振动机理进行调研，获得 所需研究方法。 ( 2 ) 应用实体建模软件s o l i d w o r k s 建立了1 7 8 0 m m p c 轧机振动系统的几何 模型。 ( 3 ) 应用有限元分析软件a n s y s 对轧机系统的重要零部件进行了模态分析， 并以各主要零部件的变形量为研究对象进行综合分析。 ( 4 ) 应用机械系统动力学分析软件a d a m s 中的a d a m s n i b r a t i o n 振动分 析模块对轧机振动系统进行动力学仿真分析。 _ i ：海大学硕：1 j 学位论文 第二章p c 轧机的介绍及其振动机理的研究 2 1p c 轧机的简单介绍 为了获得良好的板形，轧机领域出现了一种新颖的板型凸度可控轧机 p c 轧机。p c 轧机比普通轧机具有很大的n 度控制范围 1 5 】【1 6 】。 p c 轧机基本上是一种四辊轧机。它与一般四辊轧机的主要不同之处，是将 平行布置的轧辊改变成交叉布置，以便于轧辊的凸度控制。轧辊轴线交叉布置可 以有如图2 1 所示三种形式：支承辊轴线交叉布置、工作辊轴线交叉布置、成对 轧辊轴线交叉布置。只要改变交叉角，就能改变轧辊n 度。当交叉角为0 。2 。时， 上述三种形式的轧辊n 度变化范围如图2 2 所示。工作辊轴线交叉布置时，轧辊 凸度变化范围最大，但是这种布置形式的轧机没有得到实际应用。实践表明，这 种布置形式的轧机，与支承辊轴线交叉布置的轧机一样，在工作辊和支承辊之间 产生较大的相对滑动，使用成对轧辊轴线交叉布置时，就消除了上述弊端。因此， 得到实际应用的p c 轧机是采用“成对交叉布置的。所谓“成对交叉”，指的 是轴线相互平行的上工作辊和上支承辊为“一对”，而下工作辊和下支承辊为“另 一对”，这两对轧辊的轴线交叉布置成一个角度。实际使用的最大交叉角为1 5 。， 当交叉角为1 。时，轧辊n 度可达1 0 0 0 1 t m 。 _务 洚之 图2 - 1 轧辊轴线交叉布置的形式 a 一支承辊轴线交叉b 一工作辊轴线交叉c 一成对轧辊轴线交叉 6 l ：海大学硕十学位论文 划 啦 0 交叉角 2 图2 - 2 轧辊凸度变化范围 卜工作辊轴线交叉2 一成对轧辊轴线交叉3 一支承辊轴线交叉 p c 轧机具有以下特点： ( 1 ) 有良好的板形控制能力，而随着板宽的增加，板形控制效果愈好，故这 种轧机用于宽板的板形控制，效果更好。 ( 2 ) 当交叉角为0 。1 0 时，其轧制力和轧制力矩与一般四辊轧机相差不多，可 以用常用的轧制理论进计算。 ( 3 ) 由于轧辊轴线交叉产牛的侧推力，一般为轧制力的5 ，最大亦不大于轧 制力的1 0 。 与一般四辊轧机相比，p c 轧机增加了轧辊角度调整和侧推力支承的两套机 构，因此，除了在新轧机设计时采用外，也可用于现有四辊轧机的技术改造。 2 1 11 7 8 0 m m p c 轧机的结构组成 p c 轧机的交叉装置用以实现上下轧辊的交叉功能，其结构如图2 3 所示， 该装置由交叉头、无间隙液压缸、交叉驱动系统组成。交叉头为l 形状，在轧 海大学硕 ：学位论文 机出口侧窗口内弯辊油缸的中间；操作侧交叉头在轧制线的下方，传动侧交叉头 设置在轧制线的上方，交叉头与工作辊、支承辊接合处装有弧面衬板，能满足交 叉时轴承座的转动。为了避免交叉头同机架直接接触，在机架内安装了衬套。每 个交叉头对应于上下两套螺杆和螺母，螺母安装在立柱上与螺杆连接，螺杆带有 花键的另一端与交叉驱动的蜗轮减速箱中的蜗轮连接，螺杆通过蜗轮和交叉头使 一对工作辊与支承辊作交叉运动。为了保证轧辊的稳定性以及减小轧机振动，在 机架的入口侧还设置了无间隙液压缸，可以根据不同的车l a j 状态设定对应的压 力。此外，为了将交叉头拉回及紧贴螺杆头部，在上下螺杆中间安装了一只回拉 平衡液压缸，液压缸活塞杆头部与交叉头铰接，缸体安装在立柱上 1 7 1 8 。 绝对值编码器 窒亟皇巡 3 5 k w x 3 0 0 r m i n 蜗轮蜗杆 图2 3p c 轧刺r l _ e 占构不意图 交叉头传动装置由立式a c 电动机、联轴器、轴承座、传动轴、蜗轮减速箱、 交叉位置检测的p l g 组成。a c 电动机安装在轧机出口侧的上部，蜗轮减速箱设 置在交叉头位置机架立柱的外侧，通过联轴器传动与电动机连接。 板坯进入精轧机以前，需要对p c 的角度进行调整，具体的设定角度由上位 机根据板坯的钢种和轧辊的当前状态计算，p c 角度控制到位后，板坯才允许进 入精轧机，轧制过程中是不允许对p c 角度进行调整的。交叉头动作示意图如图 2 - 4 所示。 r 一圃 9 9 螺溺b ：海大学硕。| ：学位论文 传送方向 l 、l 墟 ，、 ， 、 ，、 ；、厂聪 ， v ： 图2 _ 4 交叉头动作示意图 叶 增大交叉角；减小交叉角 2 1 2p c 轧机的工作原理 p c 轧机的工作原理是：通过上、下轧辊交叉( 同一边工作辊和支承辊为一 对，其两对辊在平面以o 5 。1 5 。交叉角交叉) ，使工作辊之间的辊缝形成抛物面， 从而改善轧机生产过程中的板凸度 1 8 】【1 9 】。 轧辊当量凸度c 由式2 1 表示： 6 2 留2 臼 6 2 口2 ， = 一= 一 2 见2 仇 ( 式2 1 ) 式中b 带钢宽度( m m ) p 交叉角( o ) 巩工作辊直径( m m ) 因此带钢凸度变化量a c 为： a c = 8 c r o 圆一 ：海大学硕。f ：学位论文 式中：6 影响系数 由此可见，调整轧辊交叉角角度即可对凸度进行控制。实际使用中，设计的 最大交叉角为1 4 。一1 5 。 显然，使用平辊的p c 轧机通过交叉角的调整而获得各种等效的轧辊凸度， 使辊缝形状与带钢断面形状进行良好的匹配，得到一个较宽的板宽和凸度控制范 围，从而获得好的带钢凸度和板型。 2 1 3p c 轧机的控制系统 图2 5 是p c 轧机带钢凸度和形状控制系统的结构框图【1 8 】。这个系统主要 包括管理计算机和动态质量控制两部分。管理计算机系统主要由调整计算、凸度 自适应计算和轧辊磨损和热凸度计算组成；动态质量控制主要是指n 度测量仪和 板型测量仪的反馈控制。 图2 - 5 凸度形状控制系统 这个系统可以在设定生产规格和轧制条件的前提下，通过管理计算机系统和 1 0 上海大学硕：j ：学位论文 动态质量控制系统的共同作用，对轧辊交叉角和弯辊力进行计算调整，以达到很 好的板型控制条件。 2 2p c 轧机振动机理的研究 2 2 1p c 轧机系统振动的类型 根据动力学的观点，任何机械振动按其产生的原因都可以分为以下3 种： 6 自由振动是指在机械系统受到干扰而破坏了其平衡状态后，由系统的弹性恢 复力来维持的振动。自由振动的频率就是系统的固有频率。 受迫振动是指在系统受到外界持续激振力时，会在系统本身产牛振动，其频 率等于激振频率。 自激振动是指在系统没有受到外部激振力作用时，由系统本身激发的一种周 期性振动，其频率接近于系统的固有频率。 根据p c 轧机的受力特点，可将p c 轧机部件按两种不同的载荷传递系统进 行振动分析。 ( 1 ) 负载系统是p c 轧机的丰传动系统，包括轧辊、连接轴、齿轮座、减 速机、主电机电枢等。这个系统的外载荷主要是轧制力矩以及主电机磁场作用在 电枢上的扭矩。 ( 2 ) 负载系统是p c 轧机工作机座系统，包括轧辊、轴承座、压下螺丝、 压下螺母( 或液压压下油缸系统) 、弯辊装置、机架牌坊等。这个系统的外载荷主 要是轧制力、弯辊力、平衡力等。 p c 轧机主传动系统的振动形式主要是扭转振动，而p c 轧机工作机座的振 动形式主要是垂直振动。 p c 轧机的扭转振动是从生产过程频繁出现的传动零、部件破坏事故逐步认 识的。这类破坏事故用机械静强度理论是无法解释的。原来，p c 轧机传动系统 在外载荷的作用下将发牛扭转振动，传动零件的扭矩波幅超过一定的值和一定 的作用时间将发生疲劳损伤，降低零件的使用寿命。剧烈的振动还会引起零件的 突然断裂或产生很大噪声。通常用“扭矩放大系数 评定机械传动系统对某一外 加载荷的响应。扭矩放大系数用式2 2 表示： 1 1 上海大学硕：j ：学位论文 t a f ：m 1 1 1 a x m m 式中m 。一力矩最大尖峰值 m 。一力矩稳定值 ( 式2 2 ) 在p c 轧机机座部分经常发牛垂直振动，发牛最频繁的有两种： 第一种垂直振动的频率分布一般在1 2 0 2 5 0 h z ，由于处于第三倍频程范围内 ( 1 2 8 2 5 6 h z ) ，有时也把它称作第三倍频程振动，或相对于频率较低的第五倍 频程振动而称为低频垂振。除了在带材表面造成垂直于轧向的交替明暗条纹以 外，往往还造成显著的带材厚度波动，严重时甚至超过目标厚度的3 0 。 第二种垂直振动的频率分布大都在5 0 0 7 0 0 h z ，有时也称其为第五倍频程振 动( 5 1 2 1 0 2 4 h z ) ，或高频垂振。振动使上下支承辊表面和带材表面都出现明暗 相间的条纹，但一般没有厚度可测的变化。 在这里建立的是p c 轧机机座部分的模型，所以仅仅对p c 轧机的垂直振动 做下分析。 以上两种振动的频率都不随轧机速度变化而改变，故可以推想这两种振动的 频率与轧机机座系统的固有动特性有关。对于大型轧机系统，第一种垂直振动的 频率可用以下表达式来近似估算： f = 2 0 8 0 0 0 岛 式中见一支承辊直径，单位为m m 。 ( 式2 3 ) 第二种垂直振动的频率可用以下表达式来近似估算： f = 3 6 0 0 0 0 d ( 式2 4 ) 式中巩一工作辊直径，单位为m m 。 2 2 2 p c 轧机垂振机理的研究1 6 j 如上所述，p c 轧机的垂直振动主要包括高频垂振和低频垂振两种。对于高 频垂振而言，它主要是由外部激励造成的，在轧制过程中很多振动和冲击都有激 1 2 l ：海大学硕- t ：学位论文 发第二种垂直振动的潜在可能。 轧机的低频垂振的产生原因要比高频垂振复杂的多，可能来自机、电、液和 轧制工艺等多种因素。 通过参考由邹家祥丰编的冷连轧机系统振动控制，我们可以进行下面对 轧机振动理论分析。他以宝钢2 0 3 0 r a m 带钢冷轧机组为对象进行研究，首先将各 组支撑辊和工作辊视为一整体考虑，两组质量都为m ，上下对称，如图2 - 6 所示。 前一机架 或 开卷机 图2 - 6 轧机垂振简化模型 根据上图可以建立如下的辊系振动方程： 埘+ c z + 昭= p( 式2 5 ) 式中z 一工作辊位移； p 一轧制压力变化量； 由此式可以看出，工作辊的位移与轧制压力的变化量有直接关系。根据轧制 理论可以知道，轧制力与多种参数有关，其关系式如下： p = p ( q 6 ，q f , ，尺，厂，b ，h ，h ，t ，0 s 9o )( 式2 6 ) 式中 q l 前张力； ：海大学硕。1 ：学位论文 吼后张力； ，接触弧长； r 轧辊压扁半径； ，相对压下量； ，压下速率； 艿轧件宽； 日_ 入口厚度： h 出口厚度； 丁温度； q 材料屈服极限。 上述参数中，每个参数对轧制力的影响是不同的，其中一般可以认为曰，日 等一般认为在振动中无变化或变化不显著。而其它参数如吼，等则可认为 是z 的函数，会对轧机振动产生影响。 由上式进行全微分法可以得到振动时轧制力的变化： d p = 薏电+ 署嘞+ 葺以+ 蓑必+ 等办+ 等矽+ 。式2 = 易+ 易+ 屹+ 弓+ e + 弓+ 式中，d l , ，必分别是振动中考虑入口侧或出口侧的接触弧长变化量。 根据现场测试可知，轧机的垂振的波形一般接近于简谐波，因此可以把它假 设成余弦波。 z = 乙c o s a j f ( 式2 8 ) 由此可推出出口侧厚度波动为： 吃= j | 1 2 。+ 2 z 月c o s o j t ( 式2 9 ) 式中下标m 代表平均值，下标a 代表最大值。 根据轧制时各机架金属单位时间秒流量必须相等原则，同一位置的速度与出 口厚度的乘积相等。即： 1 4 ：海大学硕1 ：学位论文 h 历= 眨岛= b 忽= = q 岛= 聊 m 单位时间金属流量； u 第i 架轧件出口速度； 红第f 架轧件出口厚度； 现在第f 机架为例，根据实测振动中的前滑率基本不变，可以认为q 在振动 中保持不变，轧件入口厚度h i 一，设为常量，则可以由上式得知，当振动中吃变化 时，v 一。将产生波动。 = 普= 选鲁型 ：盥+ 2 v _ z a c o s c o t 啊一。吩一。 2 + a v 我们可以认为前一机架带材的出口速度保持恒定_ h ) 。由带速变化造成的 前后机架间带长的变化为： 址= 卜= 警 7 - 1 于c o so c o t d t ：三兰幺尘竺 曩一i 缈 由于带长发生变化，会导致带材的后张力大小发生变化： a g 。：竺e ：兰避 一l l h , 国 式中l 一两机架间距 e 一材料弹性模量 根据轧制理论，轧制力可以表示为： p = ( k - q 。) b q 4 r a h 式中平均张应力，般取q ，= 0 7 吼+ o 3 q r ； q 应力状态系数。 t 海大学硕：j ：学位论文 q p = 1 0 8 + 1 7 9 r f 厝一，。2 ，c 劢口公式) 由吼造成轧制压力的变化量为 却q b = 一0 7 a q qp b 瓜瓦 ：- 1 4 b v i e q p4 r a h , z as i n 研 l 惕一i c o ：竺等掣竺毛 = ：- - - - - - - ：- - 二- - - - - - 厂 三岛一l c 0 2 4 可见，在振动中由于后张力的影响造成的轧制力变化，嵋。超前振动位移 2 z ac o s c a t 的相位9 0 。，这样就在振动方程中产生了一项负阻尼，因此嵋。移至 式( 2 5 ) 左端变为负值。 c ：! ! 丝! ! ：一1 4 b v ，e q p x r a h , a f z 上忽一1 2 假设振动过程中前滑率不变，则可以认为出口速度_ 不变，总前张力乃也 不变，由此可得出前张力为： t f t - y ， 1 f 缸5 峦2 瓦丽2 瓦鬲毒面 毫”2 卺c o s 咖舭2 卺， 由上式可以推出前张力的变化分量为： g ，= 一、2 q 砌：_ z , 4 c o s 耐 吼造成的轧制力的变化量为： 峨= 0 3 a qj q p b 瓜瓦 ：些蟹型些z 一s 耐 ：竺：堕堡堡垒竺z ( 式2 1 9 ) ( 式2 - 2 0 ) 一i - 海大学硕。i ：学位论文 将嵋移至( 式2 5 ) 左端，可以看出嵋的影响使系统刚度降低。 峨= 掣= 一竿 如果出口速度等条件稳定，战。不发生变化，则它对系统的稳定性只是对系 统的固有频率降低间接地有影响。而如果它因外界因素发生了与垂振频率相等或 相近的振动，则塍。也将发生周期性的波动，这将有可能造成参数共振的条件。 本章小结 本章主要针对课题所研究的对象p c 轧机，简单介绍了其结构组成、工 作原理、其控制系统及特征分析；通过分析得出：与普通四辊轧机相比，p c 轧 机具有良好的板形控制能力，通过交叉角的调整，可以得到一个较宽的板宽和凸 度控制范围。并且对p c 轧机的振动机理从丰传动系统振动和颤振机理等方面做 了介绍，通过介绍得出：对于p c 轧机而言，引起其振动的因素主要来源于传动 系统和轧机本身，传动系统主要表现为扭转振动，而轧机本身的振动通常表现为 垂直颤振。因为本文研究对象为p c 轧机的机座系统，所以以分析轧机本身的垂 直颤振为主。 1 7 * # l 学论女 第三章p c 轧机系统的建模与有限元分析 3 11 7 8 0 m m p c 轧机系统三维模型的建立 本节丰要是根据p c 轧机的结构组成以及各零部件的尺寸规格利用 s o l i d w o r k s 三维制图软件，建立p c 轧机的几何模型。 从结构上看，p c 轧机与普通轧机相比，增加了轧辊交叉装置，根据第二章 中关于p c 轧机结构的介绍，我们把p c 轧机的交叉头设计成l 形，分别装配在 轴承座两侧。 根据p c 轧机的规格，我们假设工作辊的尺寸为# 8 0 0 x 1 7 8 0 m m ，支承辊的 尺寸为# 1 2 0 0 x 1 7 8 0 m m ：机架、轴承座及交叉头则根据上一章的结构介绍设计而 成。根据p c 轧机结构设计而成的装配体模型如图3 - 1 所示。 膦 图3 - 1p c 轧机装配体的l 。程幽与三维蚓 3 2 有限元模型的建立及模态分析 a n s y s 软件包含多种有限元分析功能，一个典型的a n s y s 分析过程可分为4 个步骤： 1建立模型和划分网格 圃恻 型脚 海学i 学位论文 2 添加载荷和约束 3 求解 4 后处理过程 接下来我们就按照a n s y s 的分析过程对已经建立好的p c 轧机模型进行模态 分析。由于我们已经在s o l i d w o r k s 中建立了几何模型，所以我们只需将建立好的 模型按a n s y s 允许的格式导八就行了。 3 2 1 几何模鸯的导入 若要对轧机模型在娜环境下进行模态分析，必须将在s o l i d w o r k s 中建立 的三维模型导入到a n 哪中。导入后的各部分几何模型如图3 - 2 至图3 - 8 所示。 a n 幽3 - 3 机架模型 闰3 之p c 轧机系统装配图模型 n 豳3 4 交x 头模型 1 * 大学颈k 学位论文 图3 - 5 工作辊模型 移 幽3 - 6 支承辊模型 图3 - 7j 二作辊轴承座模型图3 支承辊轴承座模型 3 2 2 几何模型分析前的一些参数设定 将p c 轧机的几何模型成功导入后，接下来我们要做一些准备工作，包括： 指定工程名和分析标题、定义单位、选择分析的学科、定义单元类型、定义单元 常数等。 根据我们所研究的对象及研究内容，我们将分析的学科定义为结构分析： a n s y s 软件没有为系统指定单位，因此可以在工程分析中使用任意一种单位制， 只要保证使用的所有数据都使用同一单位制即可。在这里我们约定单位为：长度 ( m m ) ，质量( k g ) ，力( n ) ，时间( s ) ，角度( d e g r e e ) ，频率( h z ) 。 接下来我们要定义单元类型，根据我们所研究的对象，定义其单元类型。在 a n s y s 分析前定义单元类型是必须的，因为单元类型决定了单元的自由度数和单 元位于二维空间还是三维空间。我们将p c 轧机的各个零部件的单元类型定义为 2 0 上海大学硕l ：学位论文 如下形式： 机架部分分成三个体，包括机架立柱段，采用s o l i d 4 5 单元，单元通过8 个节点来定义，每个节点有3 个沿x y z 方向平移的自由度；机架的上横梁采用 s o l i d 9 5 单元，单元通过2 0 个节点来定义，每个节点有3 个沿x y z 方向平移的 自由度；机架的下横梁采用s o l i d 9 2 单元，单元通过1 0 个节点来定义，每个节 点有3 个沿x y z 方向的位移。 工作辊采用s o l i d 9 2 单元；支承辊采用s o l i d 9 2 单元；轴承座采用s o l i d 4 5 单元；交叉头采用s o l i d 4 5 单元。 实常数用于描述那些单元几何形状不能完全确定的几何参数。它是由单元类 型的特性决定的；并不是所有的单元类型都需要实常数，同类型的不同单元也可 以有不同的实常数。本文中采用的都是体单元，不需要另外设定实常数。 3 2 3p c 轧机各部件的材料特性 在定义单元类型之后需要定义结构的材料特性，根据应用范围的不同分为以 下三种：线形和非线性；各向同性、正交异性、各向异性；不随温度变化和随温 度变化。在本文的分析过程中，各部分材料特性定义为线形，各向同性，不随温 度变化。根据参考资料所提供的数据，材料特性主要包括弹性模量，泊松比和密 度。我们将各部分的材料特性以表格的形式说明如下： 表3 - 1 轧机各部分的材料特性 弹性模量 泊松比 密度 名称 g n m m 之 k g m m - 机架 2 0 1 0 40 37 8 1 0 击 轧辊 2 1 10 40 2 57 8 1 0 6 轴承座 2 1 1 0 4 0 2 57 8 1 0 6 交叉头 2 1 1 0 40 2 57 8 1 0 南 2 】 l 湃学研l 。学论文 3 2 4 p c 轧帆系统各部分的网格划分 定义完材料特性后，接下来我们要进行网格的划分。划分网格可以手动或自 动，也可以两者相结合。般对于规则的形体，自动网格划分效率高，也能达到 要求。在网格划分中可以控制程序生成单元的大小和形状。根据我们所研究的对 象，采取自动网格划分，简单叉实用。划分网格单元由前面所定义的单元类型而 定。备部分的有限元模型如图3 - 9 至3 1 4 所示。 圈3 - 9 p c 轧机机架的阿格由j 升凹3 1 0 上作辊网格划分 矽令 陶3 - i1 支承辊眄格划分 图3 一1 2 _ t 作辊轴承座的网格划分 ：拇大学硬1 学位* i 圉3 1 3 支承辊轴承座的网格划分圈3 - 1 4 交叉头的网格划分 3 2 s 约束和加载 创建完有限元模型之后要做的工作就是添加载荷和约束，并进行求解。根据 载荷条件和要计算的响应来选择分析类型，在a n s y s 程序中可e 上进行的分析有： 静态( 或稳态) 、瞬态、调谐、模态、频谱、饶度和子结构分析：我们选j 革模态 分析类型。选择好分析类型，要对模型进行加载，这里的载荷包括边界条件( 约 束、支承或边界场的参数) 和其他外部或内部作用载荷，我们根据模型的实际工 作条件，进行d o f ( 自由度) 约束：各部分的约束情况分别是：机架下表面施 加x y z 方向约束。轧辊的轴颈端面施加m 方向约束。轧辊轴承座与轧辊轴径端 面的平行面施加x y z 方向约束。在交叉头与轴承座接触的面上施加x y z 方向约束。 添加完约束，就可以对各部件进行模态分析了。 3 3p c 轧机结构的模态分析 模态分析可以确定设计中的结构或机器部件的振动特性，它是其他更详细的 动力学分析的起点。在a n s y s 中，求解模型的固有频率和振型的方法有7 种， 它们分别是：分块l 珊l c z o $ 法；子空间s u b s p a c e 法；p o w e rd y n a m i c s 法；缩减 ( r c d u c 。d m o l l s e h o l 缸) 法：非对称u n s y m r n e f f i c 法；阻尼d a m p 法；o r 阻尼 法。阻尼法和非对称法在a n s y s p r o f c s s i o n a l 中不可用。前四种方法是最常用的 模态提取方法。本文采用子空间法进行模态分析。 模态分析过程由四个丰要步骤组成：建模：加载及求解：扩展模态：观察结 果。 对轧机各零部件的建模与加载工作在前面已经有了介绍，我们直接按照于空 2 3 西 二海大学硕：i ：学位论文 间法进行分析。机架提取4 0 阶模态，工作辊、支承辊、轴承座及交叉头都提取 1 0 阶模态进行分析。以各零部件的纵向变形量为研究对象绘制应变云图：最终 各部分的模态分布及纵向变形量将一介绍。 3 3 1 机架模态分析 表3 2p c 轧机机架模态分布及其变形 2 4 上海大学硕。i - ：学位论文 我们选出其中变形量最大的五个频率点进行分析，这五个频率点分别是： 2 1 0 6 2 5 h z ，5 0 1 6 2 4 h z ，5 9 1 6 3 9 h z ，7 2 2 5 4 2 h z 以及7 3 0 8 7 7 h z 。其变形量云图 如图3 1 5 至图3 1 9 所示。通过分析可知，第一个频率点位于低频范围内，其余 四个频率点位于高频范围内，若整个系统的外激频率接近这五