摘要：基于軋制理論、流體力學理論、機械振動理論等基本理論知識，對板材跳動引起高速軋機振動原理進行了分析，提出了板材跳動是導致軋機振動的原因之一;采用三維建模方法進行抑制高速軋機振動裝置的結構設計，實現(xiàn)非接觸減小板材跳動目的，同時避免板材接觸劃傷;然后通過抑制高速軋機振動裝置的振動測試實驗獲取高速軋機振動相關數(shù)據(jù)，在同一坐標系內分別繪制出安裝抑制高速軋機振動裝置前后的上工作輥垂振位移曲線和上支承輥垂振位移曲線，并通過曲線進行軋機振動數(shù)據(jù)對比分析，實驗結果表明，該抑制高速軋機振動裝置能夠減小板材跳動，抑制高速軋機振動，從而提高板材質量。

關鍵詞：非接觸;板材跳動;抑制;軋機振動

中圖分類號：TG375文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0133-04

Research on Non Contact Device for Reducing Plate Runout and Suppressing Vibration of High Speed Rolling Mill

Gao Ruijin

（Institute of Intelligent Manufacturing， Qingdao Huanghai University College， Qingdao， Shandong 266427， China）

Abstract： Based on the rolling theory， fluid mechanics theory， mechanical vibration theory and other basic theoretical knowledge， the vibrationprinciple of high-speed rolling mill caused by plate runout was analyzed， and it was pointed out that plate runout was one of the causes ofrollingmillvibration; thethree-dimensionalmodelingmethod wasusedtodesignthestructureof thevibrationsuppressiondeviceofhigh-speed rolling mill， so as to achieve the purpose of non-contact reduction of plate runout and avoid plate contact. Through the vibrationtest experiment of the vibration suppression device of high-speed rolling mill， the vibration related data of high-speed rolling mill wereobtained， and the vertical vibration displacement curves of upper working roll and upper backup roll before and after the installation of thevibration suppression device of high-speed rolling mill were drawn in the same coordinate system， and the vibration data of rolling mill werecompared and analyzed through the curves. The vibration device of high-speed rolling mill can reduce the plate runout and suppress thevibration of high-speed rolling mill， so as to improve the quality of plate.

Key words： non contact; plate runout; suppression; rolling mill vibration

0 引言

隨著國內汽車、船舶等機械制造行業(yè)的飛速發(fā)展，我國對軋制板材的需求量越來越大且對軋制板材的質量提出了更高的要求。軋制過程中，由于軋機的振動引起的軋制板材產品表面質量的缺陷，如軋制產品振動紋，是軋制板材生產中普遍存在的問題，振動紋的產生不但影響軋制產品的質量，而且軋機劇烈的振動還會造成斷帶或設備損壞事故，威脅生產安全并造成巨大的經濟損失[1-2]。軋機振動是制約軋制板材產量和質量的重大因素，軋機振動對軋制過程的影響已成為鋼鐵企業(yè)亟待解決的重大技術難題。因此亟需對軋機振動問題及其形成機制進行分析，并制定抑制軋機振動的措施，為提高軋制速度及產品質量奠定基礎[3]。

理論研究表明，諸如軋制板材的振動紋等表面質量缺陷的產生，從本質上講，是由高速軋機的振動引起的。目前，國內外不少學者和專家對振動紋產生的機理，振動紋的振動特征，振動紋的抑制方法，軋機的振動監(jiān)測和分析，軋制帶材振動的抑制裝置等進行了研究[3-4]，但總體來說，還處于實驗階段的研究較多，真正在實際生產中投入運用的方法和裝置較少;用于監(jiān)測和分析軋機振動的系統(tǒng)較多，直接用于高速軋機振動抑制的裝置鮮有應用。經過實驗驗證，軋制過程中，軋制板材的跳動引起軋制板材入口速度的波動，進而引起軋機軋制力的波動，造成高速軋機的振動，嚴重影響軋制板材的產品的質量。因此，要提高軋制鋼材產品的表面質量，抑制振動紋等外觀缺陷，從根本上講，是通過各種裝置和方法抑制高速軋機的振動。但是，目前采用減小軋制板材跳動來抑制軋機振動的技方案均采用機械接觸式支撐軋制板材的裝置或者接觸式張緊軋制板材的裝置來減小軋制板材的跳動，進而達到抑制高速軋機振動的目的，其機械結構與軋制板材直接接觸，往往會造成軋制板材表面的劃傷或者軋制板材表面振動紋的進一步擴大，其大大降低了軋制板材的表面質量。

本文基于軋制理論、流體力學理論、機械振動理論等基本理論知識，對板材跳動引起高速軋機振動原理進行了分析，提出了板材跳動是導致軋機振動的原因之一;采用三維建模方法進行抑制高速軋機振動裝置的結構設計，實現(xiàn)非接觸減小板材跳動目的，同時避免板材接觸劃傷;然后通過抑制高速軋機振動裝置的振動測試實驗獲取高速軋機振動相關數(shù)據(jù)，在同一坐標系內分別繪制出安裝抑制高速軋機振動裝置前后的上工作輥垂振位移曲線和上支承輥垂振位移曲線，并通過曲線進行軋機振動數(shù)據(jù)對比分析。實驗結果表明，本文的抑制高速軋機振動裝置對抑制高速軋機振動具有良好的效果。

1 板材跳動引起高速軋機振動原理

軋制板材的高速軋制中，如圖1所示，軋制板材的跳動引起軋制板材的軋制入口速度的波動，導致軋機入口側軋制板材的長度發(fā)生變化，即入口側軋制板材長度變化量：

式中：Δμ1為軋制入口速度的波動量。

入口側軋制板材長度變化量ΔL 引起軋制板材入口張力的波動，即軋制板材入口張力的變化量：

式中：E1為彈性模量[3]。

根據(jù)經典軋制力計算模型，軋制板材入口張力的波動直接導致軋制力的波動，即軋制板材入口張力變化量ΔL 造成的軋制力的波動量[3]：

式中： QP 為應力狀態(tài)系數(shù)，由 Hill公式計算得出;B 為軋制板材寬度;Δh 為絕對壓下量; R′為軋輥壓扁半徑，由 Hitchcock公式確定，即：

式中： R 為工作輥半徑; P 為軋制力; C0為 Hitchcock常數(shù)， C0=16（1-γ2）γ為工作輥泊松比。

如圖1所示，軋制力的波動直接引起軋機的振動和軋制板材出口厚度的波動;軋制力波動導致的高速軋機的振動，一方面直接導致軋制入口速度的波動;另一方面，高速軋機的振動會通過影響軋機工作輥振動位移間接地造成軋制板材出口厚度的波動，而軋制板材出口厚度的波動又直接導致軋制板材入口速度的波動。

其關系如下：高速軋機的振動使軋機的兩個工作輥產生振動位移 Y，工作輥振動位移：

工作輥振動位移的變化造成軋制板材出口厚度 y2的變化，即軋制板材出口厚度：

式中： y2m 為平均值。

由軋制輥縫中任一瞬間金屬秒流量相等，則有：

式中：Φ為輥縫中瞬間的金屬流量;前滑率不變，即μ2保持不變。

由式（7） 可知，軋制板材出口厚度 y2的變化又造成了軋制板材入口速度μ1的波動，即軋制板材入口速度：

其中，放卷機的放卷速度保持恒定μ1m 保持不變。

式（8） 表明，軋制板材的入口速度增加了Δμ1。

由此，軋制板材的跳動導致軋制入口速度的波動，從而引起軋制力的波動，軋制力導致軋機振動，同時，軋機的振動又激勵軋制板材跳動和軋制入口速度的波動，導致軋機振動愈加激烈。

2 抑制高速軋機振動裝置結構方案

如圖2～3所示，抑制高速軋機振動裝置的結構包括：機架1、左上安裝筒2、右上安裝筒3、左上調節(jié)柱4、右上調節(jié)柱5、上氣流支撐管6、左下安裝筒7、右下安裝筒8、左下調節(jié)柱9、右下調節(jié)柱10、下氣流支撐管11、氣流噴頭12、氣流罩17、下高壓供氣管18、下高壓氣源19、下氣流控制閥20、下壓力表21、上高壓供氣管22、上高壓氣源23、上氣流控制閥24、上壓力表25、調節(jié)螺栓26[5]。

在軋機14的右側，軋制板材13軋制入口處設置機架1，軋制板材13在軋機14內的上工作輥16和下工作輥15之間進行軋制，左上安裝筒2焊接在機架1內頂部的左側，右上安裝筒3焊接在機架1內頂部的右側，左下安裝筒7焊接在機架1內底部的左側，右下安裝筒8焊接在機架1內底部的右側，左上安裝筒2、右上安裝筒3、左下安裝筒7和右下安裝筒8是鋼管加工而成，左上調節(jié)柱4、右上調節(jié)柱5、左下調節(jié)柱9和右下調節(jié)柱10是圓柱狀鋼材加工而成，左上調節(jié)柱4插入到左上安裝筒2內，右上調節(jié)柱5插入到右上安裝筒3內，左下調節(jié)柱9插入到左下安裝筒7內，右下調節(jié)柱10插入到右下安裝筒8內，上氣流支撐管6焊接在左上調節(jié)柱4和右上調節(jié)柱5的底端，下氣流支撐管11焊接在左下調節(jié)柱9和右下調節(jié)柱10的頂端，軋制板材13設置在上氣流支撐管6和下氣流支撐管11之間，上氣流支撐管6通過上高壓供氣管22與上高壓氣源23連接，下氣流支撐管11通過下高壓供氣管18與下高壓氣源19連接，氣流噴頭12焊接在上氣流支撐管6和下氣流支撐管11上，氣流罩17安裝在氣流噴頭12上[6]。

調節(jié)螺栓26安裝在左上安裝筒2、右上安裝筒3、左下安裝筒7和右下安裝筒8上，調節(jié)螺栓26能夠調節(jié)左上調節(jié)柱4插入到左上安裝筒2內的深度，右上調節(jié)柱5插入到右上安裝筒3內的深度，左下調節(jié)柱9插入到左下安裝筒7內的深度，右下調節(jié)柱10插入到右下安裝筒8內的深度，進而調節(jié)上氣流支撐管6和下氣流支撐管11與軋制板材13的距離，經實驗驗證，上氣流支撐管和下氣流支撐管的氣流噴頭上安裝的氣流罩之間的距離 H 是軋制板材厚度 h 的2～5倍，即 H=（2～5） h ，上氣流控制閥24和上壓力表25安裝在上高壓供氣管22上，下氣流控制閥20和下壓力表21安裝在下高壓供氣管18上[7]。

3 抑制高速軋機振動裝置分析

如圖4所示，氣流噴頭12的內徑是 D ，軋制板材的厚度是 B ，軋制板材的密度是ρ，軋制板材入口側的寬度是 L ，則單個氣流噴頭正對的軋制板材面積：

單個氣流噴頭正對的面積為S的軋制板材質量：

m =ρ×B ×S （10）

上、下氣流支撐管氣流正對的板材質量：

M =ρ×（L ×D ×B）（11）

下氣流支撐管上的一個氣流噴頭對軋制板材的作用力為F2，上氣流支撐管上的一個氣流噴頭對軋制板材的作用力為F1。

取一個氣流噴頭正對的面積為S的軋制板材進行受力分析，軋制過程中，當軋制板材處于受力平衡狀態(tài)時F1=F2+mg，先調節(jié)上氣流控制閥24，使上壓力表25示數(shù)為P2，則F2=P1× S，根據(jù)軋制板材處于受力平衡狀態(tài)的受力 F1=F2+mg，調節(jié)下氣流控制閥 20，使下壓力表 21示數(shù)為P1=（F2+mg）/S，則上壓力表25和下壓力表21示數(shù)理論上需滿足：n × P1× S=n × P1×S+Mg。其中n是上氣流支撐管和下氣流支撐管上安裝的氣流噴頭個數(shù)，上氣流控制閥和下氣流控制閥是穩(wěn)壓可調節(jié)的閥門[8]。

4 抑制高速軋機振動裝置的振動測試實驗驗證

在某企業(yè) ?650/?1 400 ×2 800 四輥可逆式冷軋機上，通過測量安裝抑制高速軋機振動裝置后的振動數(shù)據(jù)與軋機正常軋制過程中的振動數(shù)據(jù)進行對比，驗證抑制高速軋機振動裝置的抑振效果。

4.1 實驗設備測試參數(shù)

振動測試實驗的軋機相關的參數(shù)如表 1 所示，振動測試實際軋制過程中，四輥軋機根據(jù)軋制板材的生產狀況，軋機會在不同的工況下進行，綜合考慮到四輥軋機參數(shù)、板材生產工況和振動測試實驗的原理等方面因素，軋機的振動主要體現(xiàn)在輥系的振動位移，因此，振動測試的實驗數(shù)據(jù)主要是輥系垂直振動的振動位移。

4.2 振動測試實驗的數(shù)據(jù)對比

利用加速度傳感器采集獲輥系振動測試的測試信號，振動測試的對象是輥系振動位移，由此，采集到振動測試的數(shù)據(jù)，利用振動測試數(shù)據(jù)，為驗證抑制高速軋機振動裝置的抑振效果提供現(xiàn)實依據(jù)。在進行實驗驗證時，利用振動測試實驗數(shù)據(jù)中的上工作輥和上支承輥的振動位移為依據(jù)，采用安裝抑制高速軋機振動裝置前的上工作輥和上支承輥間的振動測試數(shù)據(jù)與安裝抑制高速軋機振動裝置后的上工作輥和上支承輥間的振動測試數(shù)據(jù)進行對比，通過振動測試數(shù)據(jù)對比結果，證明抑制高速軋機振動裝置的抑振效果。

具體地，提取振動測試實驗中某一時間段，安裝抑制高速軋機振動裝置前后上工作輥和上支承輥的振動測試位移，然后通過繪制出振動位移曲線，從曲線的趨勢、曲線振動位移振幅等方面直觀的體現(xiàn)出制高速軋機振動裝置的抑振效果，由此得出結論。

4.3 軋機輥系上工作輥振動測試驗證

輥系上工作輥振動測試驗證中，圖 5所示曲線2是安裝抑制高速軋機振動裝置前的振動位移曲線，曲線1是安裝抑制高速軋機振動裝置后的振動位移曲線，曲線1和曲線2均是在0～700 ms時間段內的上工作輥振動位移作為繪圖縱坐標。

通過圖5對比分析，在0～700 ms時間段內，上工作輥垂直振動位移范圍是0.00011～0.00013 m ，且曲線1和曲線2趨勢大致相同。圖5所示，在每個時間點，曲線1的振動位移均小于曲線2的振動位移，說明安裝抑制高速軋機振動裝置后，軋機的振動位移有所減小，在一定程度上證明抑制高速軋機振動裝置具有抑振效果。

4.4 軋機輥系上支撐輥振動測試驗證

輥系上支撐輥振動測試實驗中，圖 6所示的曲線4是安裝抑制高速軋機振動裝置前的振動位移曲線，曲線3是安裝抑制高速軋機振動裝置后的振動位移曲線。圖中，曲線3和曲線4均是在0～700 ms時間段內的上工作輥振動位移作為繪圖縱坐標。

通過圖6的上支承輥垂振位移曲線，垂直振動的位移均在0.2805～0.3005 mm范圍內，曲線3和曲線4振動測試數(shù)據(jù)走勢大致相同，除了在 t=450 ms時間點，曲線3的振動位移均小于曲線4的振動位移，說明安裝抑制高速軋機振動裝置后，軋機的振動振幅有所減小，在一定程度上證明抑制高速軋機振動裝置具有抑振效果，分析在 t=450 ms時間點，曲線3的振動位移小于曲線4的振動位移的原因可能是氣流出現(xiàn)波動引起。

5 結束語

本文對板材跳動引起高速軋機振動原理進行了分析，提出了板材跳動是導致軋機振動的原因之一;采用三維建模方法進行抑制高速軋機振動裝置的結構設計，實現(xiàn)非接觸減小板材跳動目的，同時避免板材接觸劃傷;然后通過抑制高速軋機振動裝置的振動測試實驗獲取高速軋機振動相關數(shù)據(jù)，在同一坐標系內分別繪制出安裝抑制高速軋機振動裝置前后的上工作輥垂振位移曲線和上支承輥垂振位移曲線，并通過曲線進行軋機振動數(shù)據(jù)對比分析，實驗結果表明，本文的抑制高速軋機振動裝置對抑制高速軋機振動具有良好的效果。

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作者簡介：高瑞進（1988-），男，山東濰坊人，講師，工程師，研究領域為機械系統(tǒng)動力學及機械振動控制技術、摩擦潤滑等。（編輯：刁少華）