CSP軋機(jī)振動問題研究

蔣鳳群

【摘 要】CSP軋機(jī)具有4種振動形式，它們分別是軋制界面自激振動引起的固有頻率振動、驅(qū)動端引起的強(qiáng)迫振動、齒輪座嚙合引起的強(qiáng)迫振動、輥面振紋引起的振紋振動。CSP軋機(jī)存在振動問題，不僅影響了軋件質(zhì)量，阻礙新產(chǎn)品的開發(fā)，而且給設(shè)備的安全生產(chǎn)造成隱患。解決CSP軋機(jī)振動問題的意義重大。

【關(guān)鍵詞】CSP軋機(jī)；振動管理；振源分析

1.軋機(jī)現(xiàn)場測試

某CSP熱連軋生產(chǎn)線由7架精軋機(jī)組成，將70mm左右厚度的連鑄板坯軋制成12.7～0.8mm的板材，其中F1、F2為高鉻鋼工作輥，直徑為950～820mm，F(xiàn)3、F4為高鉻鑄鐵工作輥，直徑為750～660mm。采用厚規(guī)格燙輥制度，輥役周期內(nèi)先軋制較厚的3.5mm鋼板，然后軋制厚度為3.0，2.7和2.5mm的過渡鋼板，最后軋制厚度為2mm、1.6mm、1.5mm、1.3mm、1.2mm的薄規(guī)格鋼板。長期的跟蹤監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，軋機(jī)振動與軋件厚度有關(guān)，軋制厚度小于2mm的集裝箱板時，軋機(jī)開始振動。軋機(jī)振動還與軋制歷程有關(guān)，隨著軋制薄規(guī)格鋼板噸位的增加，軋機(jī)振動加劇。其中，F(xiàn)2和F3振動最為劇烈，且軋機(jī)出口的軋件表面有振紋，軋輥表面也經(jīng)常有振紋出現(xiàn)。為了掌握軋機(jī)的振動規(guī)律，進(jìn)行了現(xiàn)場測試。

1.1測試方法

現(xiàn)場應(yīng)用16通道CRAS分別采集F2和F3的多點(diǎn)振動信號。預(yù)測試的結(jié)果表明軋機(jī)為低頻振動，振動頻率主要集中在200Hz以下，故采樣頻率定為512Hz。為了降低軋制歷程對測試結(jié)果的影響，測試的輥役周期內(nèi)加入了2次厚度回調(diào)過程，即有3次3.5mm～1.2mm的軋制過程。連軋過程中，前架軋機(jī)振動在軋件表面留下的振紋會因后架軋機(jī)的軋制而碾沒，所以，采取急停軋制的方法令軋制過程強(qiáng)行中斷，從而能夠采集機(jī)架出口側(cè)軋件表面的振紋。

1.2軋機(jī)振動測試

測試發(fā)現(xiàn)，主傳動系統(tǒng)的扭振信號包含了軋制力波動以及其他測點(diǎn)的加速度信號的優(yōu)勢頻率成分，故以扭振信號作重點(diǎn)分析。為了減小軋制噸位的影響，僅統(tǒng)計(jì)前兩次厚度回調(diào)的軋制過程，以扭振信號標(biāo)準(zhǔn)差表征其振動強(qiáng)度。F3與F2振動情況非常相似，總結(jié)它們的振動特征如下：（1）振動信號點(diǎn)集具有較強(qiáng)的線性關(guān)系，與轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)關(guān)系穩(wěn)定。（2）振動形式對軋件厚度最為敏感，軋制薄規(guī)格軋件時的軋機(jī)振動強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。（3）工作輥軸承座可表現(xiàn)出與扭振相同的振動頻率成分。（4）支撐輥軸承座、機(jī)架、齒輪座、減速機(jī)的振動頻率，以及軋制力波動頻率也有上面描述的特點(diǎn)，但振幅相對于工作輥軸承座的振動要小很多，且出現(xiàn)多種振動形式的耦合振動。

1.3軋件表面的振紋測試

軋制薄規(guī)格集裝箱板時，軋件上下表面會出現(xiàn)與軋輥軸平行、間距相等、鋼板通寬的明暗相間橫向振紋，工作輥上亦偶見有振紋出現(xiàn)。在現(xiàn)場測試中，急停軋制采集到了F2和F3機(jī)架出口側(cè)軋件表面振紋，F(xiàn)2出口側(cè)軋件表面振紋間距為104.7mm，F(xiàn)3出口側(cè)振紋間距為52.5mm。

2.軋機(jī)振動振源分析

軋機(jī)振動被分成4類振動形式，結(jié)合軋機(jī)固有特性及潛在致振頻率分析這4類振動形式。

第1類振動形式P2n和P3n中的振動頻率與軋輥轉(zhuǎn)頻無關(guān)，F(xiàn)2的頻率為18.97Hz，F(xiàn)3的頻率為19.52Hz。該頻率與軋機(jī)的一階扭振固有頻率21Hz十分接近，可確定此類形式是固有頻率振動，動力學(xué)模型中剛度偏大造成了理論計(jì)算值與實(shí)際測試值存在一定的差異。系統(tǒng)中并無此頻率成分的激勵源存在，且在軋制薄規(guī)格時，此頻率成分表現(xiàn)出較強(qiáng)的扭振和軸承座振動耦合振動。由于軋制薄規(guī)格軋件時，軋制速度、軋制力等軋制參數(shù)和條件的變化而致使軋制界面上的負(fù)阻尼效應(yīng)的作用加強(qiáng)，在軋制界面上發(fā)生自激振動。自激振動結(jié)果就是軋機(jī)主傳動系統(tǒng)以一階扭振固有頻率振動，且軋輥水平振動在軋制界面上與扭振耦合。負(fù)阻尼引起的自激振動可通過改進(jìn)軋制界面上的軋制潤滑狀態(tài)，以及軋輥材質(zhì)、軋輥表面摩擦特性等手段予以改善或避免。

第2類振動形式中，F(xiàn)2和F3分別出現(xiàn)39.48f2n和24.94f3n基頻成分，以及此基頻的×2，×3，…倍頻成分振動。軋制厚度的變化對此振動形式的振動強(qiáng)度影響不大，不是軋機(jī)振動嚴(yán)重的原因。由此可基本肯定，F(xiàn)2和F3的第2類振動形式具有形同的振源，位于軋機(jī)的驅(qū)動端，此類振動對軋機(jī)的影響不大。

第3類振動形式的基頻與軋機(jī)齒輪座輪齒嚙合頻率（簡稱齒輪座嚙合頻率）23倍轉(zhuǎn)頻幾乎相等，且2倍頻也是46左右，所以，該振動類型為齒輪座嚙合引起的軋機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)迫振動。以F3為例分析此類振動的幅值和響應(yīng)特性。齒輪座嚙合頻率基頻成分集中于22～25Hz之間，由其振動幅值譜峰值與振動頻率的關(guān)系可以看出，幅值譜峰值隨振動頻率的增加而減小。由此可知，在齒輪座嚙合基頻頻率激勵下，軋機(jī)系統(tǒng)的響應(yīng)隨著激勵頻率遠(yuǎn)離固有頻率21Hz而減小。此類振動為典型的強(qiáng)迫振動。因客觀條件限制，通過改變軋機(jī)結(jié)構(gòu)來改變其固有頻率以避開嚙合頻率是十分困難的，而降低齒輪座的嚙合沖擊水平相對容易，這就應(yīng)保證零件的加工精度，以及軸對安裝時的精度，并且定期檢查齒側(cè)間隙，從而減小齒輪誤差激勵和嚙合沖擊激勵的作用。

在第4類振動形式P2M和P3M中，F(xiàn)2和F3振動頻率分別為各自軋輥轉(zhuǎn)頻的25.3倍和42.4倍?，F(xiàn)場測試得到的F2和F3出口側(cè)軋件表面振紋間距分別為104.7mm和52.5mm?？梢钥隙ǖ?類振動形式P2M和P3M與振紋有關(guān)。分析發(fā)現(xiàn)，振紋振動頻率成分的幅值大小隨著軋輥的轉(zhuǎn)動而周期性變化，且隨著軋制噸位的增加而增強(qiáng)，這兩個規(guī)律在F2機(jī)架表現(xiàn)的尤為明顯。隨著軋制噸位的增加，轉(zhuǎn)動周期內(nèi)振紋振動所占比例有增加的趨勢，振紋振動幅值譜峰值亦增加明顯，這是由于軋制過程中工作輥輥面振紋不斷擴(kuò)展和加深造成的。因?yàn)檐堓佪伱嬲窦y隨軋制噸位增加而加深，惡化了軋制界面；惡化的軋制界面又引起更加劇烈的振動，進(jìn)而進(jìn)一步使輥面振紋加深，形成“振紋-振動”互相影響并彼此加強(qiáng)的正反饋過程，這也是振紋振動成分對軋機(jī)振動強(qiáng)度影響最為嚴(yán)重的原因。抑制振紋振動的措施主要是通過改變軋制界面的接觸和潤滑條件來加以解決。

通過以上分析和研究，找出了CSP軋機(jī)振動的原因：軋制界面自激振動和輥面振紋引起的振紋振動是軋機(jī)振動的振源，尤其是后者，使軋機(jī)振動隨軋制噸位的增加而加劇。通過對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用高速鋼軋輥來代替高鉻鑄鐵軋輥可以起到很好的抑制效果，消除了軋件和輥面振紋，且使振動水平大大降低，在軋制2mm集裝箱板時振動幅值降低了80%，文獻(xiàn)給出了具體的對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.結(jié)論

CSP軋機(jī)振動最為嚴(yán)重的F2和F3機(jī)架具有類似的振動規(guī)律，相同的致振原因。CSP軋機(jī)有4種振動類型，分別是驅(qū)動端引起的振動、齒輪座嚙合頻率振動、扭振固有頻率振動和振紋振動。后兩種振動類型在軋機(jī)振動嚴(yán)重時表現(xiàn)的最為明顯。軋制界面自激振動和輥面惡化是軋機(jī)振動的主要原因，由此引起了軋機(jī)扭振、水平振動、垂振等多種振動形式的耦合振動，致使軋機(jī)在軋制薄規(guī)格鋼板時出現(xiàn)劇烈的振動，且振動強(qiáng)度隨軋制噸位增加而增強(qiáng)。高速鋼軋輥可起到很好的抑制CSP軋機(jī)振動的效果。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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