尤天星 瞿培磊 陳孝明

（寶山鋼鐵股份有限公司 上海 201900）

1 前言

軋機(jī)振動(dòng)問(wèn)題一直是困擾板帶生產(chǎn)企業(yè)的難題［1］。目前，大多數(shù)板帶生產(chǎn)企業(yè)在遇到軋機(jī)振動(dòng)問(wèn)題時(shí)，首先考慮生產(chǎn)的連續(xù)性要求，會(huì)采用降速措施來(lái)保證軋制穩(wěn)定進(jìn)行［2］。因?yàn)檐垯C(jī)實(shí)施降速來(lái)消除軋機(jī)振動(dòng)會(huì)大大降低帶鋼的生產(chǎn)效率，為此在保證生產(chǎn)效率的前提下，通過(guò)振動(dòng)檢測(cè)設(shè)備對(duì)軋機(jī)振動(dòng)信號(hào)的收集與分析，可以準(zhǔn)確找出軋機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)的來(lái)源，進(jìn)而在出現(xiàn)振源的設(shè)備處添加襯板，能夠有效增強(qiáng)軋機(jī)系統(tǒng)抵抗振動(dòng)的能力［3］。實(shí)際軋制過(guò)程中不可避免的出現(xiàn)機(jī)構(gòu)之間的沖擊與碰撞，所以添加的襯板在使用一段時(shí)間后容易出現(xiàn)磨損，進(jìn)而導(dǎo)致軋機(jī)再次振動(dòng)。因此，如何在不降低軋制生產(chǎn)效率與增加成本費(fèi)用的前提下，通過(guò)對(duì)軋制工藝參數(shù)的優(yōu)化調(diào)節(jié)，來(lái)有效治理軋機(jī)振動(dòng)問(wèn)題，就成為實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)亟待解決的難題。本文從板帶生產(chǎn)軋制工藝角度出發(fā)，通過(guò)建立壓下規(guī)程對(duì)振動(dòng)的影響模型，提出了一套以振動(dòng)防治為目標(biāo)的壓下規(guī)程優(yōu)化技術(shù)，并將其運(yùn)用到1730冷連軋機(jī)組，取得了很好效果。

2 振動(dòng)機(jī)理及振動(dòng)因子

軋機(jī)振動(dòng)與軋制過(guò)程輥縫間的潤(rùn)滑狀態(tài)密切相關(guān)［4］。若板帶處于高速軋制狀態(tài)，工作輥轉(zhuǎn)動(dòng)速度大，被工作輥卷入的乳化液流量多，使得輥縫處于過(guò)潤(rùn)滑狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)較小，就會(huì)引起軋制過(guò)程打滑而造成軋機(jī)的自激振動(dòng)；若板帶軋制過(guò)程乳化液噴射流量不合理，造成輥縫處于欠潤(rùn)滑狀態(tài)，軋制過(guò)程乳化液油膜的平均厚度小于穩(wěn)定軋制所需的最小厚度，容易致使軋制過(guò)程潤(rùn)滑油膜發(fā)生破裂而引起摩擦系數(shù)急劇增大，進(jìn)一步引起軋制壓力的改變，也會(huì)導(dǎo)致軋機(jī)出現(xiàn)自激振動(dòng)。

為了解決現(xiàn)場(chǎng)對(duì)軋機(jī)是否出現(xiàn)振動(dòng)進(jìn)行有效評(píng)判問(wèn)題，針對(duì)不同鋼種、不同規(guī)格的來(lái)料，在不同工況下建立一個(gè)統(tǒng)一的評(píng)判尺度標(biāo)準(zhǔn)，在大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與理論分析后，特提出振動(dòng)因子ψi（i表示為軋機(jī)機(jī)架個(gè)數(shù)），來(lái)表征軋機(jī)是否處于振動(dòng)狀態(tài)，需要說(shuō)明的是，對(duì)于冷連軋機(jī)組而言，只要有一個(gè)機(jī)架發(fā)生振動(dòng)，軋機(jī)就處于振動(dòng)狀態(tài)。

式中：γi—軋制過(guò)程各機(jī)架中性角；

αi—軋制過(guò)程各機(jī)架咬入角。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)中性角與咬入角重合相等，此時(shí)摩擦系數(shù)小，工作輥與帶材之間極易發(fā)生打滑，進(jìn)而引起軋機(jī)振動(dòng)，所以定義該數(shù)值為軋制過(guò)潤(rùn)滑臨界點(diǎn)ψ+i；當(dāng)中性角為咬入角的一半，此時(shí)輥縫處的油膜易發(fā)生破裂，引起摩擦系數(shù)變大，導(dǎo)致軋制力發(fā)生波動(dòng)，進(jìn)一步引起軋機(jī)振動(dòng)。因此，定義該數(shù)值為軋制欠潤(rùn)滑臨界點(diǎn)時(shí)，軋制過(guò)程處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生軋機(jī)自激振動(dòng)。反之，振動(dòng)因子超過(guò)這個(gè)數(shù)值區(qū)間，使得輥縫潤(rùn)滑狀態(tài)處于過(guò)潤(rùn)滑狀態(tài)，或者欠潤(rùn)滑狀態(tài)，都會(huì)引起軋機(jī)發(fā)生振動(dòng)。

3 規(guī)程對(duì)振動(dòng)影響模型

為了便于分析，選取冷連軋機(jī)組第5機(jī)架的軋機(jī)振動(dòng)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將上工作輥、上中間輥、上支承輥、上機(jī)架和下工作輥、下中間輥、下支承輥、下機(jī)架分別視為一個(gè)整體給予考慮，兩組的質(zhì)量都M，剛度都為K，阻尼都為C，且上下對(duì)稱(chēng)。這樣，軋機(jī)兩自由度振動(dòng)模型如圖1所示。

根據(jù)圖1列出輥系振動(dòng)方程

圖1 軋機(jī)兩自由度振動(dòng)模型

式中：Z—工作輥系位移；

ΔP—軋制壓力變化量。

由軋制原理可知，軋制壓力P與前張力T1、后張力T0、接觸弧長(zhǎng)l、摩擦系數(shù)μ、壓下率r、工作輥壓扁半徑R′、軋件寬度B、帶材入口厚度h、變形抗力K、應(yīng)變速率e有關(guān)，因此，軋制壓力可以寫(xiě)成如式（3）隱函數(shù)的形式。

根據(jù)泰勒公式可將軋制壓力的隱函數(shù)表達(dá)式展開(kāi)如式（4）：

考慮帶材實(shí)際軋制出現(xiàn)振動(dòng)的過(guò)程中，帶材入口厚度h由熱軋來(lái)料決定不會(huì)發(fā)生變化。在軋件忽略寬展的前提下，軋件寬度B也不發(fā)生變化，而前張力T1、后張力T0，接觸弧長(zhǎng)l、摩擦系數(shù)μ、變形抗力K、應(yīng)變速率e都是Z的函數(shù)，只有壓下率r與軋機(jī)振動(dòng)實(shí)際相關(guān)。因此，上式可以簡(jiǎn)化成（5）：

又根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析，可設(shè)軋機(jī)振動(dòng)的波形為余弦波如式（7）所示：

則帶鋼出口厚度波動(dòng)為：

通過(guò)對(duì)式（11）分析可知，壓下量變化會(huì)致使軋機(jī)振動(dòng)方程中系統(tǒng)的剛度變大。對(duì)于確定的軋機(jī)系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的剛度越大，軋機(jī)系統(tǒng)就越穩(wěn)定，也就是說(shuō)軋機(jī)振動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生的概率就越??；反之，系統(tǒng)的剛度越小，軋機(jī)系統(tǒng)越不穩(wěn)定，發(fā)生軋機(jī)振動(dòng)的概率也就越大。因此，對(duì)于冷連軋機(jī)組一個(gè)特定的軋制過(guò)程而言，在出入口厚度、軋制速度、張力制度以及工藝潤(rùn)滑制度已知的情況下，可以通過(guò)改變?cè)摴r下的壓下規(guī)程來(lái)改善各個(gè)機(jī)架自激振動(dòng)發(fā)生的概率。

4 技術(shù)開(kāi)發(fā)

在一個(gè)特定的軋制過(guò)程中軋制力、前后張力、軋輥壓扁半徑與摩擦系數(shù)均為已知的前提下，中性角γi只與壓下量ri有關(guān)，因此，中性角可以寫(xiě)成壓下量的函數(shù)，即γi=ρ（ri）。由咬入角αi公式可知，在軋輥壓扁半徑確定，來(lái)料厚度一定的前提下，咬入角可以寫(xiě)成壓下量的函數(shù)，即αi=ρ（ri）。

根據(jù)振動(dòng)因子定義，可以將振動(dòng)因子寫(xiě)成以咬入角與中性角為變量的函數(shù)，又因?yàn)橐虢桥c中性角都是壓下量的函數(shù)，所以振動(dòng)因子可以進(jìn)一步化簡(jiǎn)為式（12）：

根據(jù)上一節(jié)分析可知，要想保證板帶軋制過(guò)程軋機(jī)穩(wěn)定不發(fā)生振動(dòng)，就要將實(shí)際振動(dòng)因子控制在過(guò)潤(rùn)滑臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)因子與欠潤(rùn)滑臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)因子中間，并且向最優(yōu)振動(dòng)因子靠近，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)最優(yōu)振動(dòng)因子值為過(guò)潤(rùn)滑臨界點(diǎn)振動(dòng)因子與欠潤(rùn)滑臨界點(diǎn)振動(dòng)因子之和的一半，即

因此，以振動(dòng)防治為目標(biāo)的壓下規(guī)程優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可以定義為：

這樣，整個(gè)優(yōu)化過(guò)程可以描述為：尋找一組合適的各道次壓下量，使得F（X）最小。通過(guò)鮑威爾尋優(yōu)可以快速得到優(yōu)化結(jié)果。需要說(shuō)明的是，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中包含兩部分，第一部分考慮了各機(jī)架振動(dòng)因子的平均值接近最優(yōu)振動(dòng)因子，第二部分保證了單個(gè)機(jī)架的振動(dòng)因子也要滿(mǎn)足盡可能接近最優(yōu)振動(dòng)因子。二者都不可或缺，才能保證優(yōu)化出來(lái)的結(jié)果滿(mǎn)足條件。

5 1730冷連軋機(jī)應(yīng)用

為了分析壓下規(guī)程優(yōu)化技術(shù)對(duì)振動(dòng)防治的效果，本文選取1730冷連軋機(jī)組生產(chǎn)過(guò)程中典型規(guī)格的易出現(xiàn)軋機(jī)振動(dòng)的帶鋼產(chǎn)品運(yùn)用本文開(kāi)發(fā)的技術(shù)對(duì)其壓下規(guī)程進(jìn)行優(yōu)化。壓下規(guī)程優(yōu)化前后的結(jié)果如表1所示，從表1中可以看出壓下規(guī)程優(yōu)化前，第四、五機(jī)架發(fā)生振動(dòng)概率較大分別為8.2%和22.8%，而經(jīng)過(guò)壓下規(guī)程優(yōu)化重新設(shè)定之后，第四、五機(jī)架發(fā)生振動(dòng)的概率為0.5%和1.2%，其中第四機(jī)架振動(dòng)概率下降了93.9%，第五機(jī)架振動(dòng)概率下降了94.7%。因此，采用壓下規(guī)程優(yōu)化技術(shù)可以有效治理1730冷連軋機(jī)組的振動(dòng)問(wèn)題，大大減少振動(dòng)發(fā)生概率。

表1 壓下規(guī)程優(yōu)化前后對(duì)比

6 結(jié)論

從輥縫潤(rùn)滑狀態(tài)角度對(duì)軋機(jī)振動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析，在提出振動(dòng)因子的基礎(chǔ)上，建立了冷連軋機(jī)組壓下規(guī)程對(duì)振動(dòng)的影響模型，同時(shí)開(kāi)發(fā)了一套以振動(dòng)抑制為防治目標(biāo)的壓下規(guī)程優(yōu)化技術(shù)，并將其運(yùn)用到冷連軋機(jī)組的薄寬料的實(shí)際生產(chǎn)中，大大就減少了冷連軋機(jī)組第4、5機(jī)架發(fā)生振動(dòng)的概率，提高了生產(chǎn)的穩(wěn)定性，為現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)利益，具有進(jìn)一步推廣應(yīng)用價(jià)值。