[科普中国]-连轧机

简介

近年来，中国从德国西马克公司、日本三菱公司和意大利达涅利公司等引进数十套全世界最先进的连轧机组，经过消化、改造和创新，中国也开始自主集成现代化连轧机组并投产数套。随着近二十多年来轧机主传动大功率变频装置的引用和液压压下系统多功能的完善，轧机装备水平不断提高、控制功能越来越复杂，轧机呈现出越来越多的“幽灵式”多态耦合振动现象，成为世界范围内轧制领域研究的热点和亟待解决的一个技术难题。

在世界范围内，连轧机振动一直是国内外困扰轧制薄带钢和高附加值产品的瓶颈，当严重振动发生时，产生一系列危害：

1）带钢表面出现振痕，影响产品表面质量；

2）轧辊表面出现振痕，降低在线使用寿命；

3）振动噪声十分强烈，恶化操作工作环境；

4）零件承受交变载荷，降低零件疲劳寿命；

5）振动造成堆钢爆辊，威胁轧机安全生产；

6）降低正常轧制载荷，影响高端产品开发；

7）降低轧机轧制速度，产品产量降低；

8）产品表面质量降低，导致索赔用户，影响效益。

综上所述，轧机振动导致产品质量下降、辊耗和备品备件费用增加，威胁轧机的安全生产，限制了轧机的产能释放，严重影响企业经济效益和高附加值产品的开发1。

轧机振动研究内容轧机振动研究已经经历了半个多世纪，许多学者和专家重点研究冷连轧机、平整机组、热连轧机和中板轧机等出现的振动现象。通过阅读大量参考文献和承担10条连轧机组振动问题的研究项目，对轧机振动问题的研究进行了概括和总结。概括起来，轧机振动研究的内容主要围绕着轧机怎样振动、轧机为何振动和如何抑制振动3个方面来展开研究，具体研究内容及进展分别叙述如下。

1 轧机固有力学特性

在研究轧机固有的动力学特性方面，由过去用“弹簧－质量”模型来研究轧机的振型和固有频率发展到用有限元来建立模型并求解模态，使研究方法上了一个新台阶。

2 轧机振动传递过程

在研究轧机振动传递方面，由过去认为轧机振动是传动系统减速机齿轮、齿轮座齿轮和弧形齿接手等的啮合频率造成轧机振动到引入非线性振动理论来求解振动的传递，使研究的问题变得更加复杂。

3 轧机振动现象捕捉

在现场轧机振动捕捉方面，由过去采用的以光线示波器和磁带机为代表的临时测试方法发展到用工控机来采集和分析的在线监测系统，使轧机振动现象测试信号更加可靠和精准，分析内容更加丰富，为轧机振动机理研究提供了第一手可靠资料。

4 轧机振动产生机制

在研究轧机振动机制方面，由过去研究轧机辊缝摩擦可能引发的自激振动发展到非线性动力学的周期分岔、混沌运动等理论上，使理论研究变得更加复杂，甚至难以求解。

5 抑制轧机振动措施

从抑制轧机振动的角度出发，当轧机振动发生时，只好被迫降速或更换轧辊以及改变工艺状态等来缓解振动，连轧机通常采用的措施是改变辊缝润滑状态和优化配辊原则，达到在较小的程度范围内降低轧机振动的目的。

综上所述，五十多年以来，尽管许多学者和专家做了不懈的艰辛努力，但轧机振动机制却未给出清晰、合理和公认的解释，也没有找到十分有效抑制轧机振动的通用措施。

轧机振动研究重要进展近几年，轧机振动的研究从过去主要由搞机械专业的学者和专家来研究轧机振动机制，扩大到由机械、电气、液压和工艺专业为一体的跨专业、跨学科的研究队伍。建立了轧机同时存在垂扭耦合振动、液机耦合振动、弯扭耦合振动和机电耦合振动的理论基础，证明了轧机振动的机制为轧机固有的动力学特性与轧制过程的动态特性相耦合的结论，其振动性质为机电液界多态耦合振动。

2012年，北京科技大学冶金机械研究所找到了抑制轧机振动的通用措施，发明了“轧机耦合振动解耦抑振器”。其基本原理为：将轧机牌坊振动信号、主传动扭振信号、主电机电流信号、轧制压力信号、轧辊辊，经过信号输入采集、信号解耦运算、相位识别运算、抑振信号重构和抑振信号输出送至液压压下系统和电气传动控制系统参与控制来抑制轧机的振动。其中，传动扭振信号由安装在传动轴上的扭振传感器、发射机、发射天线、接收天线和主控单元组成，主控单元将扭振信号送到信号输入采集中。

该系统已在某热连轧机上应用，使轧机振动得到了明显缓解。例如：在轧制集装箱板B480、成品尺寸为1 250mm×1．56mm时，其抑振措施投入前后工作辊典型振动加速度对比，经过对20块钢的统计，其抑振效果取得了良好效果，提高了带钢表面质量和轧辊在线使用寿命。

轧机振动问题研究展望北京科技大学历时8年承担了全国10条连轧机组的振动研究，通过大量的现场测试、理论研究和仿真分析，取得了一些进展和成果。同时，随着轧机耦合振动在线遥测技术进步和耦合振动理论仿真软件的功能完善，轧机振动现象的测试条件和仿真平台上了一个很大的台阶，为深入研究轧机振动及抑振措施提供了良好的基础保障。下面谈谈对未来轧机振动研究的粗浅认识。

1 试验模态分析

轧机振动固有动力学特性的研究方面，由于存在对轧机结构的熟悉程度和理解水平不同，导致模型的简化和加载存在偏差，以致计算结果与实际产生较大误差，不能真正反映轧机固有的动力学“脾气”。近年来，随着试验模态理论和实用技术的迅速发展，到了用试验的方法来求解轧机模态的时代，但尚有一些需要解决和克服的技术难题。

2 振动能量传递

轧机的振动能量传递是在非线性系统中进行传播的，过去主要关心振动频率的变化和振动发生后的常规的参数变化规律，但轧机振动是需要很大的能量才能被激发的，因此，轧机振动的能量及大小是如何传递的开始成为研究重点，即研究多大的振动能量才能激发起轧机振动和如何减少轧机振动能量。

3 振动解耦监测

轧机的振动捕捉一般是测量辊系轴承座和牌坊的振动，而轧辊真正的振动却未应用直接测量的办法，随着非接触测量技术的应用，轧辊的真实振动测量得到解决，获得辊系的空间振动及振动轨迹等，使轧机耦合振动现象“暴露”得越来越明显，为理论研究和仿真研究提供现场实测数据。

4 耦合振动研究

轧机振动的机制问题一直是轧制领域备受关注的难题，近年来提出了轧机振动存在耦合振动现象。因此，随着耦合振动仿真技术的发展，面临着将轧机的机械、电气、液压和界面（工艺）整体考虑建立一个符合实际的全局仿真模型来求解轧机耦合振动的特征及获得并行设计通用的方法和原则，使轧机在设计时就具有良好的综合动力学特性，即轧机具有更好的“抗振性”2。

总结轧机振动是世界范围内普遍存在和亟待解决的难题，从轧机振动研究历史上可以看出：随着轧机监测装备水平的提高和仿真软件的功能不断完善，轧机振动研究进入了一个新的历史阶段。通过现场测试、理论研究和仿真分析证明了轧机的确存在垂扭耦合振动、液机耦合振动、弯扭耦合振动和机电耦合振动现象，确定了轧机振动性质为机电液界多态耦合振动。找到了抑制轧机振动的通用技术，发明了轧机耦合振动解耦抑振器，在国内某热连轧机现场成功应用，消除了轧辊和带钢上的振痕，取得了良好的抑振效果3。