周 晟,汪紅兵

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司冷軋總廠，安徽馬鞍山 243000）

引言

在薄帶鋼軋制過程中，帶鋼表面會經(jīng)常出現(xiàn)一種明暗相間與帶鋼運動方向垂直的條紋，這種表面缺陷稱為振痕[1]。振痕的產(chǎn)生對軋鋼生產(chǎn)主要有兩方面的不利影響。一是難以滿足用戶對帶鋼表面質(zhì)量的要求；二是增加了換輥次數(shù)，降低了生產(chǎn)效率。振痕問題是世界范圍內(nèi)軋制領域普遍存在的，許多鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)都曾經(jīng)或正在被這一問題所困擾。為此，國內(nèi)外許多專家學者對振痕進行了大量的研究工作[2]。但至今對振痕仍缺乏普遍可行的抑制方法，振痕仍然是影響帶鋼表面質(zhì)量的重要問題，特別是對汽車外板而言更是如此[3]。

某2130光整機為四輥式軋機，可在兩種輥徑下工作，440 mm 小輥徑用于強度高的產(chǎn)品，650mm 大輥徑用于軟的產(chǎn)品。液壓壓下由伺服閥控制。正負彎輥由專門的伺服閥控制，帶有帶鋼張力測量系統(tǒng)。換輥系統(tǒng)可在生產(chǎn)線運行時進行換輥。緊靠在工作輥前的防皺輥用于防止帶鋼起皺褶，尤其是在薄規(guī)格和小張力情況下。在機架出口的防橫彎輥用于防止某種帶鋼品種產(chǎn)生魚骨型表面缺陷。

在汽車面板生產(chǎn)中，光整機區(qū)域遇到了明暗相間、間距相等與帶鋼運動方向垂直的振痕缺陷，此缺陷無征兆、無實時表現(xiàn)，只有在板帶打磨檢查時才能發(fā)現(xiàn)，如圖1所示，嚴重影響了鍍鋅汽車板的正常生產(chǎn)。

圖1 帶鋼打磨后條紋

1 光整機振動測試及數(shù)據(jù)分析研究

引起冷連軋機振動的原因很復雜，這是因為軋機系統(tǒng)具有大系統(tǒng)、時變性、多變量、復雜性、非線性和耦合性等特征[4]。軋機振動的研究涉及到軋制理論、機械振動理論、摩擦潤滑理論、非線性理論、信號分析處理、仿真模擬以及設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等幾大領域[5]。

通過大量的停機排查打磨和光整機前后帶鋼的打磨對比，確認振痕來自光整機。并對光整機進行了相關測試及振動數(shù)據(jù)測量記錄。測點位置主要布置在上下支承輥減速機輸出軸軸承座、光整機上下支承輥軸承座、上下工作輥軸承座、前后張力輥軸承座以及前后導向輥軸承座以及牌坊等。主要的測量方向為垂直方向，如表1 。

表1 光整機振動值測量

通過振動性質(zhì)進行振源研究,認為振痕與設備、磨輥以及工藝狀況等多種因素相關，見表2。

表2 振痕形貌與振源關系

根據(jù)光整機振動數(shù)據(jù)收集，對比相關數(shù)據(jù)，得到如下初步結論：

（1）各種帶速下振痕間隔接近，大約10 mm。振痕間距取決于輥子轉頻與振動頻率。由于輥子轉頻不斷變化，而且光整機系統(tǒng)振動頻率很多，所以可能形成某種對應關系。

（2）更換光整機輥系后，振痕變輕。消除因輥系修磨加工中的振痕“復印”帶來的光整機振痕缺陷。

（3）振痕的出現(xiàn)以及嚴重程度與帶鋼厚度有關。帶鋼越薄，振痕越嚴重。

（4）帶速增加，輥系振動值呈增加趨勢；帶速降低，輥系振動值呈減小趨勢。但通過第一次和第二次測量對比可看出,通過更換零部件，帶速增加，反而振動值變小。光整機零部件的故障及傳動缺陷會導致振痕嚴重化。因此，減少振痕現(xiàn)象的一個方向是更高精度的安裝和調(diào)整設備，減小輥系振動。

（5）上下支承輥、上下工作輥停轉或轉動，光整機系統(tǒng)都存在62、124 Hz 等頻率，判斷這些頻率為光整機系統(tǒng)共振頻率,根據(jù)試驗測試可以判斷，124 Hz為易于激發(fā)的共振頻率，詳見表3。

表3 振動信號頻率特征

2 光整機機座有限元建模及垂直振動模態(tài)及諧響應分析

用三維軟件solidworks建立該光整機系統(tǒng)模型，由光整機架（牌坊）、支承輥和工作輥及其軸承座等部件組成，零部件尺寸根據(jù)圖紙確定。定義X 軸為軋制方向，Y 軸表示光整機高度方向，Z 軸表示光整機寬度方向。光整機系統(tǒng)建?？紤]如下。

（1）關于壓下油缸，其中考慮到剛度，液壓缸選用小徑。ANSYS workbench施加上支承輥軸承座與牌坊上橫梁的剛度K1=8.8×106N/mm。

（2）根據(jù)圖紙，按實際尺寸建立光整機系統(tǒng)模型。

（3）支承輥和工作輥軸承座有導向凸緣，嵌入牌坊的凹形導向槽中，軸承座可以上下滑動，不可軸向移動。ANSYS workbench 設定它們接觸面不分離。

（4）為限制軋輥在軸向的移動，在軋輥留有小凸臺，如圖2所示，ANSYS設定軸肩與軸承座接觸面不分離，使輥在軸向與軸承座同時移動。

（5）軋輥之間的接觸類型設置為Frictional（摩擦），并設置摩擦系數(shù)為0.1。

（6）工作輥軸承座與支承輥軸承座之間施加剛度K2=1.078×106N/mm。工作輥軸承座與工作輥軸承座之間施加剛度K3=1.706×106N/mm。

（7）對光整機架的四個角地腳螺栓平面施加全約束。輥系軸承處施加轉動約束，使其只能繞Z 軸轉動。

（8）對光整機各部件分別進行材料參數(shù)的設定，取其材料為鋼。其彈性模量為2×105MPa、密度為7.8×10-9t/mm3和泊松比0.3。

考慮到模型的復雜性同時兼顧到有限元分析結果的可靠性。選用自由劃分的方法，對模型進行網(wǎng)格劃分，共有274 444 節(jié)點、90 295 單元。劃分結果，如圖2所示。

圖2 光整機工作機座有限元模型

有很多參考文獻求模態(tài)時，沒有考慮預應力，這與光整機實際工作不符。為更加逼真地模擬軋制過程，在兩工作輥之間施加軋制力：

式中F0——穩(wěn)定軋制時的軋制力；

ΔFsin2πf——由于各種原因使軋制力產(chǎn)生波動載荷。

光整機最大軋制力為1 200 t，正常工作時，取F0=1 000 t，ΔF=100 t。先進行靜力學分析，即有預應力的模態(tài)分析，在上工作輥上施加Y 正向1 000 t的力，下工作輥上施加Y負向1 000 t的力，加在軋輥垂直面上，如圖3所示。

圖3 力與約束

利用上述模型仿真計算出的軋機垂振模態(tài)主要如表4。

表4 對光整機垂直振動影響最大的固有頻率

垂直振動的固有頻率很多，進行諧響應分析。所加載荷為,F=ΔFsin2πf,ΔF=100 t，位置在工作輥輥縫。諧響應掃描間隔為1 Hz，分別以上下工作輥輥縫表面在垂直方向的位移的諧響應頻域見圖4，上下工作輥輥縫表面在垂直方向的位移差（即輥縫）見圖5。

圖4 上下工作輥在垂直方向位移的諧響應頻域圖

圖5 輥縫諧響應頻域

3 光整機抑制振痕措施

經(jīng)過不斷的研究分析和試驗，對光整機相關設備、參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，并及時監(jiān)控，盡可能地減少振痕的產(chǎn)生。

3.1 光整機設備制造技術參數(shù)優(yōu)化

光整機輥系設備制造技術參數(shù)進行調(diào)整優(yōu)化，特別是軋輥修磨技術和鍍鉻技術。需減少硬度差，輥面不能有凹坑、氣孔、裂紋或車削紋等缺陷。

3.2 光整機設備精度提高

根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，制定光整區(qū)域機組輥系精度檢測方案，進行現(xiàn)場設備安裝位置測量，并根據(jù)測量結果及設備精度要求進行調(diào)整。調(diào)整后，再次測量確認。光整機傳動系統(tǒng)中，支承輥萬向節(jié)帶來的轉頻沖擊，在前述測試中也是產(chǎn)生振痕主要因素，特別是扁頭處的設備配合精度下降帶來的沖擊，因此必須要提高此處設備精度，及時消除設備缺陷，見圖6。

圖6 光整機輥系傳動位置精度

光整機傳動支承輥接手配合精度，通過銅滑塊厚度調(diào)整來控制，在光整機輥系上線前，嚴格按照圖紙的尺寸配合精度進行測量校核，防止精度下降帶來的沖擊及振痕缺陷，見圖7。

圖7 光整機輥系接手配合精度

3.3 光整機設備及輥面清理

光整機現(xiàn)場設備及輥面的清潔程度，嚴重影響帶鋼表面質(zhì)量。只有保證設備及輥面清潔，才能減少因異物、雜質(zhì)帶入造成的紋路缺陷。如增加投用高壓水系統(tǒng)，增加輥面清理刮刀或擦拭器等。

3.4 光整機工藝速度參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)前面的測試分析數(shù)據(jù)，若以10 mm 振痕間距計算，相應振動頻率對應的帶速，見表5。

表5 振動頻率對應的帶速

結合測量數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況，推測光整機最不適宜的速度為74.4 m/min、105 m/min 和112.5 m/min。因此，在生產(chǎn)中應盡量避免出現(xiàn)類似光整機工藝速度。

3.5 光整機振動監(jiān)控

定期對2130光整機振動進行檢測，并根據(jù)檢測數(shù)據(jù)制定相應對策，及時發(fā)現(xiàn)和處理缺陷，避免出現(xiàn)嚴重振痕現(xiàn)象。

4 結論

2130 光整機經(jīng)過現(xiàn)場振動測試和理論研究，得到如下結論。

（1）經(jīng)過現(xiàn)場綜合測試，光整機帶鋼出現(xiàn)振痕缺陷是設備劣化、精度下降由主傳動萬向節(jié)軸轉頻沖擊誘發(fā)的。

（2）通過對光整機的仿真研究，確定了光整機的固有動力學特性，為光整機軋鋼過程中避開固有頻率提供了理論和依據(jù)。

（3）在軋制工藝上，避免易于激發(fā)的共振頻率后，光整機的振痕缺陷得到有效抑制。

（4）在監(jiān)測系統(tǒng)指導下，及時更換劣化零部件和提高安裝調(diào)整精度，降低激增能量。

（5）由于振痕得到有效抑制，使得汽車板的生產(chǎn)得以順利進行，獲得了明顯的經(jīng)濟效益。