带钢表面振动纹的产生及其抑制.doc

带钢表面振动纹的产生及其抑制冷轧板厂 佘定魁摘要：从振动纹的物理特征分析入手，阐述了振动纹和轧机振动之间的关系，通过轧辊与磨床的振动测试和模态分析研究了轧辊辊系、工作辊轴承、主传动接轴和轧辊磨床对振动的影响。结果表明，振动是由板面振波由于对光的不同反射角度而引起的一种视觉现象；带钢振纹的产生有两种途径，一是轧机发生了一种频率的振动，另一种是轧辊表面本身有了振纹，可通过轧辊匹配法；定期监测滚动轴承倍频峰值、对磨床安装阻尼减振器、改变轧制速度和磨削速度、加强设备维护等措施对振动纹进行抑制。在薄带轧制过程中,带钢表面会经常出现一种明暗相间、与带钢运动方向垂直的条纹,这种表面缺陷 称为振动纹。振动纹的产生对轧钢生产主要有两方面的不利影响。一是难以满足用户对带钢 表面质量的要求;二是增加了换辊次数,降低了生产效率。振动纹问题是世界范围内普遍存在的, 许多钢铁生产企业都曾经或正在被这一问题所困扰。为此,国内外许多专家学者对振动纹进行了大量的研究工作2。Roberts研究了轧机振动与振动纹之间的关系3;GeradL等给出了预防和消除第五倍频程振动的方法4;Hardwick研究了轧辊磨床振动对轧辊 表面以及带钢表面振纹的影响5。但是,由于问题的复杂性,至今对振动纹仍缺乏普遍可行的 抑制方法,振动纹仍然是影响带钢表面质量的重要问题,特别是对汽车外板而言更是如此。本文以 生产实践和试验为基础,深入研究了工作辊轴承、轧辊磨床、轧辊辊系、主传动接轴等4个环节对 振动纹的影响,并提出抑制措施。1、振动纹特征分析由于振动纹缺陷表现在人的视觉上,对机械性 能并没有影响,因此有必要对振动纹进行几何测量。激光测量表明,有振动纹的带钢表面上存在着 2种波,一种是厚波,另一种是形波。而实际的带钢就是由这2种波以不同的周期和不同的波峰复合而成(图1)。波峰间距在540mm之间,以2030mm间距为多;而波峰在0.33.0m之间,最大可达10m。对振纹的明和暗部分的硬度和金相进行了对比测试分析。结果表明,明与暗部分无统计规 律的硬度差异;在显微镜下明暗条纹的边界难以捕捉。根据以上现象,振纹有如下特征:(1)明暗相间的条纹是由板面振波由于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。(2)当波峰大于3m时振纹肉眼可见,当波峰介于30.3m时,只有打磨后才能 看见,而波峰小于0.3m时,振纹消失。(3)带钢振纹的产生有2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有了振纹,通过轧制把振纹传递到带钢表面 。2、振动纹的产生2.1振动纹与轧机颤振从本质上讲,振动纹是由轧机颤振引起的3。目前,已经确认有2种典型的轧机颤振与振动纹有关,它们是:(1)第三倍频程颤振。它发生在20250Hz范围内,可导致大的厚度波动,甚至带钢断带。这种颤振大部分发现于轧制薄带钢的冷连轧机组中。它的特点是突然发生(通常小于5 s),表现为自激振动而不是外部激振。(2)第五倍频程颤振。它发生在500800 Hz之间,此时尽管带钢厚差极小,但有显著的明暗条纹,并且轧辊往往也会出现相应的条纹。这种 颤振常见于平整机组,其机理尚未完全研究清楚。这两种颤振中,第三倍频程颤振模式最具破坏性 ,并且为了避免该现象而采取的降低轧制速度对轧机生产率的影响很大。而第五倍频程颤振模式最 为普遍,并且由于用户需求更好的表面质量,因而生产厂家增加了对该问题的关注程度。振动纹与 轧机颤振存在如下关系式:w=dn60f (1) 式中,w为纹距,mm;d为轧辊直径,mm ;n为轧辊转速,r/min;f为颤振频率,Hz。显然,影响振动纹的因素有很多,只要能引 起轧机颤振的因素都有可能。然而,在实际生产中观察到,轧辊磨床、工作辊轴承、轧辊辊系和主 传动接轴是对振动纹影响最大的4个环节。2.2轧辊辊系在轧制过程中,轧辊(包括支承辊和工作辊)受到多种外界激励,比如,偏心、来料缺陷、松动、传动冲击等。在激励作用下,作为弹性 系统的辊系要么随着激励一起振动,要么按固有频率发生振动。辊系的振动直接作用在带钢上,使 带钢表面产生振纹。为了掌握辊系的动力学特性,对辊系进行了频率响应测试(采用锤击法),如图2所示。由于轧辊直径大,它的一阶频率达到了672Hz,而且振形是弯曲振动。比如,如果轧制速度为1 020 m/min,辊系以672 Hz振动,那么由式(1)计算得到,纹距为25 mm,这与产生现场情况完全一致。值得指出的是,辊系振动不仅使带钢产生振纹,同时也会使辊系 本身,特别是支承辊,产生振纹如图3所示,此时如果不及时换辊,就会出现恶性循环,即:“轧 辊振动轧辊振纹轧辊振动”。2.3工作辊轴承工作辊轴承一般是滚动轴承。轴承缺陷,包括 在换辊和运行中出现的内外道缺陷,都会直接激励工作辊持续振动,从而产生带钢振纹。图4所示为轴承外滚道,可以发现外滚道有条纹。2.4主传动接轴随着主传动接轴使用时间的推移,接轴间隙会增大,当它高速旋转时对辊系造成冲击,从而激起辊系按其固有频率振动。通常,接轴间隙 引起的冲击每转有2次。值得注意的是,当轧机频繁升降速时会加速接轴间隙的增大。2.5轧辊磨床轧辊磨床这个因素越来越引起了重视2,改变了先前人们只注重轧机和平整机,而对磨床振动关注不够的局面。对比测试表明,如果磨床在磨辊过程中发生了振动 ,轧辊表面就会产生振纹(图5),而表面有纹的轧辊在轧制和(或)平整时又把振纹传递到了带钢,使带钢表面产生振动纹缺陷。轧辊振纹有如下特点:当轧辊振纹峰峰值0.5m时,不会 在带钢表面产生振纹;如果带钢振纹是轧辊振纹产生的,那么二者振纹纹距相同,并且不随轧制速 度变化而改变。3振动纹抑制措施抑制振动纹是世界性难题,但总的原则是:(1)如要得到表面 无振纹的带钢,首先要保证上机的轧辊无振纹。因此要有方便可靠的辊纹检测手段以及操作规程, 避免有纹轧辊上机轧制;(2)根据振纹纹距、轧制速度等关系确定敏感频带,寻找并抑制该频带 内的振源。不是任何频率的振动都会产生明显的振纹,生产实践表明,第五倍频程颤振引起的振纹最为常见。在实际生产中,振动纹的抑制重点是在辊系、轴承、磨床和接轴。轧辊与带钢直 接接触,激振源都是通过它进行传递;另一方面,特定的轧机配有特定的辊系,其固有频率基本不 变。因此,如要减少振动纹的发生,除了尽量消除外界激振源外,还有一个在实际生产中对振纹有 一定抑制作用的“轧辊直径匹配法”。由辊系振动测试和模态分析可知,在轧制过程中,工作辊与支承辊一边旋转,一边发生弹跳碰撞。当工作辊以某一频率(通常在第五倍频程颤振范围内)向支 承辊碰撞时,如果支承辊的速度和直径满足一定的条件,那么这种持续碰撞的结果就会使支承辊辊 面逐渐产生振纹。这个条件可表述为:支承辊的周长能被一个弹跳碰撞周期内支承辊转过的长度整 除,此时每次碰撞都发生在支承辊辊面同一部位。为了避免上述“轧辊振动轧辊振纹轧辊振动 ”的发生,可通过辊系直径与轧制速度匹配来克服,这就是“轧辊直径匹配法”。图6所示是支承 辊直径匹配,深色部分为避开区域。如果滚动轴承发生了故障,那么它在频谱上存在倍频峰值的关 系。根据该特征,可利用监测系统进行监测和判断,如图7所示的倍频峰值(标有v处)。磨床磨辊时,容易发生自激振动。图8所示为某磨床频率响应(采用锤击法),图9所示为对应的振动模态(44Hz)。那么变速磨削以及安装阻尼质量吸振器,是2种可行且有效的方法。对于主传动接轴,需要定期监测其冲击幅值,必要时对耐磨衬板进行更换。4 结论 (1)振动纹是由板面振波由于对光的不同反射角度而引起的一种视觉现象, 它与带钢硬度和金相组织无关。(2)带钢振纹的产生有2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有了振纹,通过轧制把振纹传递到带钢表面。(3)在实 际生产中观察到,轧辊磨床、工作辊轴承、轧辊辊系和主传动接轴是对振动纹影响最大的4个环节 ,特别是磨床振动需要特别引起重视。(4)可通过轧辊直径匹配法、定期监测滚动轴承倍频峰值 、对振动大的磨床加装阻尼减振器、改变轧制速度和磨削速度、加强