(武鋼股份設(shè)備維修總廠冷軋作業(yè)區(qū)，湖北 武漢 430083）

軋機振動分析與治理

徐秀勝 何彬 黃娟

(武鋼股份設(shè)備維修總廠冷軋作業(yè)區(qū)，湖北 武漢 430083）

五機架是某鋼廠酸軋機組的主體工藝設(shè)備，高速軋制中常出現(xiàn)種種原因不明、表現(xiàn)形態(tài)多樣的軋機振動現(xiàn)象。嚴(yán)重威脅生產(chǎn)安全并造成巨大的經(jīng)濟損失。針對軋機主傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動和垂直系統(tǒng)的縱振動進行分析，并采取了相應(yīng)改進措施，有效地降低設(shè)備故障率，提高冷軋產(chǎn)品質(zhì)量、成材率和作業(yè)率。

五機架；振動分析；扭轉(zhuǎn)振動；垂直振動；改進措施

一、概述

五機架是某鋼廠酸軋機組的主體工藝設(shè)備，高速軋制中常出現(xiàn)原因不明、表現(xiàn)形態(tài)多樣的軋機振動現(xiàn)象，如軋機顫振、軋件表面振紋、軋輥表面周期印痕等。這些現(xiàn)象一方面增加板帶厚度誤差、嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量；另一方面加速輥面磨損、縮短換輥周期、增加設(shè)備運行維護的工作量和費用。軋機劇烈振動甚至造成大量的廢品、斷帶、暴管漏油、軋機停產(chǎn),同時還對機械、液壓和電氣設(shè)備產(chǎn)生很大的破壞作用，使噸鋼成本居高不下，嚴(yán)重威脅生產(chǎn)安全并造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，分析和解決軋機振動問題非常必要。

二、軋機振動的技術(shù)分析

按載荷傳遞系統(tǒng)的不同，軋機上發(fā)生的振動現(xiàn)象可分為兩大類：一類是軋機主傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動，另一類是軋機垂直系統(tǒng)的縱振動。

1.扭轉(zhuǎn)振動分析

（1）主傳動軸動不平衡引起的扭轉(zhuǎn)振動

五機架主傳動軸的最大缺點就是在旋轉(zhuǎn)運行中主傳動軸和軋輥不在一個水平面上，在傳遞扭矩時有一個偏轉(zhuǎn)角，再加聯(lián)節(jié)軸內(nèi)的頂錐、弧形齒磨損間隙增大，傳動軸系統(tǒng)的中間軸、齒輪軸的聯(lián)軸節(jié)齒輪磨損使其間隙增大，造成主傳動軸和中間軸產(chǎn)生動不平衡，連接軸上的最大扭矩值比正常軋制時的靜態(tài)扭矩要大得多，嚴(yán)重時會超過連接軸材料的強度，引發(fā)軋機設(shè)備的破壞和軋機振動，影響生產(chǎn)的正常進行。

（2）軋輥間打滑引起的扭轉(zhuǎn)振動

扭轉(zhuǎn)振動和軋輥輥隙的摩擦系數(shù)有關(guān)，軋制速度升高，則摩擦系數(shù)減小，從而導(dǎo)致軋機扭轉(zhuǎn)振動，這種振動是一種自激振動行為。通過對各種類型軋機傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動研究發(fā)現(xiàn)，由于軋輥打滑，上下軋輥力矩分配不均，從而引起軋機扭轉(zhuǎn)振動。

（3）傳動軸主電機電流諧波引起的扭轉(zhuǎn)振動

技術(shù)人員在研究軋機帶材振紋現(xiàn)象時分析了主回路電流諧波分量對軋機動力學(xué)系統(tǒng)工作的影響，認(rèn)為主要有以下兩個方面。

①電流諧波分量形成諧波轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動工作機械運動，產(chǎn)生強迫振動。

②諧波電流經(jīng)反饋回路作為一種干擾信號，通過控制回路“放大”，再作用于工作機械主體運動，引起運動狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生振動。

由此可見，避免電流諧波分量的產(chǎn)生是改善機架扭轉(zhuǎn)振動的關(guān)鍵因素。

2.垂直振動分析

（1）張力波動引起的自激振動

由于張力波動對軋制力的變化有著直接影響，因而成為影響軋機振動的重要因素之一，因張力波動而導(dǎo)致軋機垂直振動的例子很多，如某冷軋廠五機架冷連軋機曾發(fā)生160～170Hz 的垂直振動，使產(chǎn)品產(chǎn)生±10%的厚度波動。研究表明，振動的原因在于軋輥垂直振動的位移與后張力的波動之間存在90°的相位差，當(dāng)軋制速度升高時，受帶鋼厚度波動影響的后張力波動變大，軋輥振動的振幅由于張力波動的相位延遲而增大，從而發(fā)生自激振動。

（2）軋輥摩擦和潤滑引起的自激振動

在冷軋帶鋼生產(chǎn)中，當(dāng)軋制乳化液穩(wěn)定性差、油膜不穩(wěn)定時，輥縫摩擦條件會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致軋制失穩(wěn)產(chǎn)生振動。軋制液影響軋機振動的實質(zhì)主要是軋制液影響軋制界面的摩擦狀態(tài)，由于軋制界面摩擦系數(shù)隨軋制速度的非線性變化導(dǎo)致自激振動的發(fā)生。

（3）軋輥缺陷等其他原因引起的垂直振動

在引起軋機垂直振動的原因中，軋輥缺陷和軋輥軸承座與機架窗口間隙過大是主要因素。結(jié)構(gòu)有缺陷或尺寸不合理的軋輥，不但影響產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備的壽命，而且會影響軋制過程的穩(wěn)定性。研究表明：振動的激勵可能源于在磨床振動狀態(tài)下加工過的軋輥，磨輥時在軋輥表面產(chǎn)生的振紋可能造成軋件上產(chǎn)生振紋，軋制過程中，當(dāng)軋輥表面振紋的波長接近振動波長時，可能激起軋機的振動。

（4）液壓壓下系統(tǒng)原因引起的垂直振動

冷軋廠五機架25/18MPa液壓系統(tǒng)泵站共用1個油箱，要控制1～5架的壓下、彎輥和平衡，其壓力和流量等參數(shù)都不能滿足大壓下量和高速軋制的要求，當(dāng)生產(chǎn)較高規(guī)格的帶鋼品種時，壓下能力不足以致偏斜，伺服閥頻繁動作造成軋機振動，甚至帶鋼斷帶停產(chǎn)。產(chǎn)生故障的原因包括液壓系統(tǒng)溫升過高、油液變質(zhì)變稀、內(nèi)泄加劇、效率降低、元件產(chǎn)生熱變形及液壓元件損壞等。

三、改進方法及實施措施

1.解決扭轉(zhuǎn)振動措施

（1）主傳動軸改造

某鋼廠的1700冷軋機組至投產(chǎn)運轉(zhuǎn)以來，因軋機主傳動系統(tǒng)的傳動軸弧形接軸發(fā)生強烈振動，先后4次進行主傳動軸改造。將五機架1、2、5的主傳動軸進行了改造，如圖1所示。

圖1 改型后五機架1、2、5的主傳動軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

此次1、2、5架的主傳動軸改進了錐度盤和頂錐彈簧，預(yù)頂力增大而且耐磨損，主軸上還增加了安全銷功能，到目前該傳動軸運行非常平穩(wěn)，有效地降低了傳動軸的扭轉(zhuǎn)振動。隨后又實施了3、4架主傳動軸改造，改進了錐度盤和頂錐彈簧，預(yù)頂力增大；并采用輥頸自導(dǎo)向和復(fù)合曲率齒形表面硬化工藝，使其經(jīng)久耐磨，傳動平穩(wěn)，延長了使用周期，降低了因動不平衡引起的振動。

針對傳動軸系統(tǒng)的中間軸、齒輪軸的聯(lián)軸節(jié)齒輪磨損，采取定期檢查更換措施，同時對弧形齒采用表面硬化工藝，提高材料的強度，增加弧形齒的抗磨性能。加強維護加油，延長弧形齒的使用周期，消除傳動系統(tǒng)的振動源，減少備件消耗，達到降本增效目標(biāo)。

（2）調(diào)整3、4架工作輥的粗糙度

為避免軋機3、4 架工作輥末期產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，消除3、4架3倍頻次的振動報警，修改操作規(guī)程，規(guī)定生產(chǎn)厚度0.6mm以下的鋼質(zhì)SPCC 冷硬卷、涂鍍基板，將3、4 架工作輥粗糙度由原來的0.4±0.1μm 修改為0.6±0.1μm，使3、4 架的振動得到改善。

（3）采用6RA70裝置減少電流諧波分量

針對主傳動大電機電流諧波分量引起傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動的問題，對五機架主傳動大電機直流主傳動控制系統(tǒng)進行改進，新增1臺TDC用于五機架直流傳動控制系統(tǒng)以及和其他系統(tǒng)的通信。新TDC主要對直流傳動的速度、張力、厚調(diào)等進行控制，完善卷徑計算、扁頭定位等功能，并和其他系統(tǒng)如壓下、厚調(diào)、速度給定、全線協(xié)調(diào)以及二級機進行通信。在控制器與傳動設(shè)備間采用PROFIBUS總線通信模式，保證了快速數(shù)據(jù)交換，避免了控制器與傳動設(shè)備間的大量硬連線，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。6RA70系列整流裝置能有效的消除一定程度的電流諧波分量，將諧波分量降到最低，再加上TDC能對這些電流諧波分量產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩進行有效控制，可以將諧波轉(zhuǎn)矩對電機的影響降到最低。TDC和6RA70系列整流裝置的配合使用，有效地降低了軋機振動程度。

2.解決軋機垂直振動的措施

（1）平穩(wěn)張力波動

在1～5架增加張力模塊和厚度模塊，將需要添加和刪除的模塊、線路都一一標(biāo)記出來，認(rèn)真細(xì)致接線，校正信號，在軟件程序中找到相應(yīng)的接收模塊，重新編輯地址、修改程序，平穩(wěn)了張力波動，消除了軋機垂振隱患。

（2）調(diào)整乳化液濃度乳化液穩(wěn)定性差，軋制油附著性差和油膜強度不足是引起的自激振動的主要原因。采用含有機鋅添加劑的乳化液，降低乳化液濃度，降低了軋機垂直振動系統(tǒng)發(fā)生自激振動的可能性。經(jīng)調(diào)整乳液濃度（乳化液濃度由2.75%調(diào)整至2.25%），降低軋輥表面粗糙度，以及對軋輥表面進行噴砂處理，增大軋制界面的摩擦系數(shù)及平整力，使軋制過程的振動明顯降低，振紋明顯減輕，合格率提高40%以上。

（3）改進軋輥及優(yōu)化輥系

① 對軋輥表面進行處理，增大軋制界面的摩擦力。

② 在工作輥軸承座出口側(cè)與機架牌坊之間增加銅墊，降低或消除軋輥軸承座與機架牌坊之間的間隙，墊的材料選用較大阻尼特性的減振材料，抑制滑動和沖擊，并適當(dāng)增加工作輥偏移距離，以增強輥系的穩(wěn)定性。

③ 將軋機張力輥、轉(zhuǎn)向輥和防皺輥重新找平、找正、修磨，降低其轉(zhuǎn)動偏心對前后張力大小的影響。

④ 將軋機上下工作輥重新找平、找正、修磨，降低其轉(zhuǎn)動偏心對前后張力大小的影響。

⑤通過重新修磨，提高了張力輥、轉(zhuǎn)向輥和防皺輥的形位精度，降低了因形位誤差產(chǎn)生的不穩(wěn)定張力對振動的影響。

（4）改造25MPa液壓壓下系統(tǒng)

①重新設(shè)計制造了1套新的壓下泵站，并增加1臺液壓泵加大系統(tǒng)流量。新系統(tǒng)采用恒壓軸向變量柱塞泵（9臺、7用2備，并配備相應(yīng)4×32 L蓄能器站，總?cè)莘e128 L），泵直接與電機連接，減少中間環(huán)節(jié)，泵分布在一個油箱的周圍（面對面），而且泵的進油管直接與油箱連接，節(jié)約空間。改型后的螺桿泵3G55X3-40具有非常好的吸入能力，工作壓力25MPa，流量約90 L/min，功率45kW，1 500r/min，均比原泵的性能提高很多，其設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的壽命也長，故障率小，維護和控制（啟動）更加便捷，尤其突出在間斷性操作上。

②泵站閥臺集中在一起，采用板式，與泵站分開，減少振動對閥的影響；壓下缸的活塞桿側(cè)在正常工作時用0.5MPa的低壓油，以防止乳化液和灰塵進入油缸；在零位和換輥時用6MPa的壓力油使油缸快速收回。此壓力轉(zhuǎn)換是通過減壓站提供，為了得到穩(wěn)定的壓力，重新設(shè)計制造新的泵站減壓閥臺，關(guān)鍵的減壓閥，溢流閥使用進口件，以確保系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。

③25MPa壓下系統(tǒng)伺服閥移位改造，解決了伺服閥因乳化液蒸汽腐蝕而故障頻繁的問題，伺服閥的使用壽命大大增加，從以前的每年平均更換10余臺減少到現(xiàn)在的1～2臺，大大降低了伺服閥的備件消耗，僅備件費用一項每年可節(jié)約100多萬元。其壓力和流量等參數(shù)都能滿足大壓下量和高速軋制的要求。

四、結(jié)語

通過對五機架振動的技術(shù)攻關(guān)，有效地降低了冷軋的生產(chǎn)成本和設(shè)備故障率，提高了產(chǎn)品的市場競爭力，同時大幅度降低了備品配件的消耗，減少了操作、維護人員的工作量，各類生產(chǎn)及設(shè)備保產(chǎn)指標(biāo)均完成，滿足了軋鋼機連續(xù)生產(chǎn)的需要，提高設(shè)備三率和生產(chǎn)作業(yè)率，為軋鋼廠生產(chǎn)經(jīng)營創(chuàng)造了有利條件。

參考資料：

[1]冷軋帶鋼表面振動紋的產(chǎn)生與控制[C].第八屆中國鋼鐵年會論文.

[2]王文斌.機械設(shè)計手冊（新版）[M].機械工業(yè)出版社.

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1671-0711（2014）11-0035-03

2014-09-01）