第八章冶金设备的自激振动

冶金装备及其控制教育部重点实验室冶金设备的自激振动危害机理对策SELF-EXCITEDOSCILLATIONSINMETALLURGICALEQUIPMENTHARMMECHANISMCOUNTERMEASURES李友荣武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室Email：[e-mail]冶金装备及其控制教育部重点实验室8.1热轧机主传动自激振动的危害剧烈的自激振动使设备受到强烈的高频冲击动载荷，导致设备损坏。冶金装备及其控制教育部重点实验室8.1.1、太钢１０００初轧机主传动系统的自激振动THESELF-EXCITEDOSCILLATIONSIN1000MILL1990年全年共断9根万向接轴冶金装备及其控制教育部重点实验室8.1.2武钢1700热轧厂地下卷取机卷筒主传动系统扭振记录曲线动荷系数高达8.54冶金装备及其控制教育部重点实验室8.1.3、武钢二热轧R1轧机主传动系统的自激振动在轧制过程中发生多次自激振动，时间间隔几乎相等。1700R1轧机也发生过类似的自激振动，导致万向接轴叉头断裂。M上M下M上M下M高自激振动占整个轧制过程40～50%8.1.3、武钢二热轧R1轧机主传动系统的自激振动M上M下自激振动使主减速机高速轴的轴向力显著增大8.1.3、武钢二热轧R1轧机主传动系统的自激振动冶金装备及其控制教育部重点实验室2007年12月，R1轧机主减速机高速轴工作侧双列圆锥辊子轴承外侧一列的保持架再次发生断裂。工作端外侧保持架断裂冶金装备及其控制教育部重点实验室8.2自激振动的机理THEMECHANISMOFSELF-EXCITEDOSCILLATIONS自激振动——由其自身运动决定的振动，“打滑”是诱发自激振动的主要因素。自激振动是一种非线性振动。自然界广泛存在自激振动:弦乐发出的美妙旋律，就是由琴弦的自激振动产生的；但机械设备的自激振动会产生巨大的破坏力。冶金装备及其控制教育部重点实验室热轧开坯机主传动系统扭转振动力学模型主减速机人字齿轮座R1轧机主传动系统简图8.2.1、轧辊与钢坯之间打滑引起主传动系统自激振动理论模型冶金装备及其控制教育部重点实验室轧机主传动系统扭振建模原则（抽象简化）1）即将转动惯量大而形变小的元件简化为集中转动惯量；2）将变形大而转动惯量较小的元件简化为扭转弹簧；3）在能量保持不变的前提下将系统转化为速比为1:1的系统。五自由度系统四自由度系统冶金装备及其控制教育部重点实验室轧机主传动系统两自由度及单自由度模型由于主电动机转子的转动惯量比系统其它元件大得多，而万向接轴的扭转刚度又比系统其它元件小得多，因此可以将轧机主传动系统进一步简化为两自由度扭振模型。两自由度系统模型和振型图切分为两个单自由度扭振系统的力学模型Na)Je1JKeNb)Je1JKe1K冶金装备及其控制教育部重点实验室KφNMVωNRVRV1R主传动系统扭振模型＊打滑时，钢坯的速度小于轧辊的线速度。＊不计轧辊以角速度ω进行的刚体转动，只研究轧辊主传动系统的扭转振动。＊将轧辊简化为装在一扭转刚度为K的扭簧上的圆盘，将钢坯视为以速度向左匀速运动（与轧辊刚体转动的相对运动）。轧机主传动系统自激振动理论vωωRω＞V冶金装备及其控制教育部重点实验室摩擦系数与相对速度之间的关系摩擦系数相对速度0+8.2.1、轧辊与钢坯之间打滑引起主传动系统自激振动理论模型摩擦系数随相对速度的增大而减小.轧件与轧辊之间“打滑”vωωRRω＞V冶金装备及其控制教育部重点实验室KφNMVωNRVRV1R图2.1轧辊扭振模型打滑时，钢坯的速度小于轧辊的线速度。不计轧辊以角速度ω进行的刚体转动，只研究轧辊主传动系统的扭转振动，则可将轧辊简化为装在一扭转刚度为K的扭簧上的圆盘，将钢坯视为以速度向左匀速运动（与轧辊刚体转动的相对运动）(图2.1)。8.2.1、轧辊与钢坯之间打滑引起主传动系统自激振动理论模型vωωRRω＞V冶金装备及其控制教育部重点实验室KNMVωNRVRV1R0φ图2.1轧辊扭振模型轧辊受到扭簧K产生的弹性扭矩和正压力N(轧制力)产生的摩擦力矩。当轧辊处于平衡状态时，则有：Kφ0=μsNR（2.1）式中μs——钢坯与轧辊之间的静摩擦系数8.2.1、轧辊与钢坯之间打滑引起主传动系统自激振动理论模型冶金装备及其控制教育部重点实验室KφNMVωNRVRV1R图2.2轧辊扭振模型当弹性扭矩大于摩擦力矩时，轧辊将向顺时针方向发生扭转振动（图2.2），摩擦力矩是逆时针方向，与轧辊运动方向相反，说明摩擦力矩对主传动系统做负功。扭簧产生的弹性扭矩K(φ0-φ)（顺时针方向）将与钢坯与轧辊之间的滑动摩擦产生的摩擦力矩平衡，即：K(φ0-φ)=μkrNR（2.2）式中μkr——轧辊顺时针方向转动时与钢坯之间的滑动摩擦系数。轧机主传动系统扭转自激振动模型冶金装备及其控制教育部重点实验室图2.2轧辊扭振模型轧机主传动系统扭转自激振动模型由式(2.1)和式(2.2)可知，轧辊扭转振动角度为：φ=φ0-μkrNR/K=NR(μs-μkr)/K（1.3）KφNMVωNRVRV1R冶金装备及其控制教育部重点实验室KφNMVωNRVRV1R图2.3轧辊扭振模型当轧辊逆时针发生扭转振动时(图2.3)，扭簧的弹性扭矩为K(φ0-φ)，钢坯与轧辊之间的滑动摩擦产生的摩擦力矩为μklNR（逆时针方向），由于摩擦力矩方向与运动方向相同，故此阶段摩擦力矩对主传动系统做正功。轧机主传动系统扭转自激振动模型冶金装备及其控制教育部重点实验室图2.3轧辊扭振模型逆时针转动时，轧辊与钢坯之间的相对速度要小于轧辊顺时针转动时的相对速度，故其之间的摩擦系数μklμkr（μkl表示卷筒逆时针方向发生扭转振动）。摩擦力矩随相对速度的变化趋势如图2.4所示。相对速度越大，则摩擦力矩越小。轧机主传动系统扭转自激振动模型摩擦力矩相对速度0+图2.4摩擦力矩与相对速度之间的关系图KφNMVωNRVRV1R冶金装备及其控制教育部重点实验室图2.3轧辊扭振模型因此，当轧辊逆时针转动时的摩擦力矩要大于轧辊顺时针转动时产生的摩擦力矩，在一个振动周期内，摩擦力矩对轧辊主传动系统做的正功大于做的负功，使主传动系统扭转振动的能量越来越大，即产生扭转自激振动。轧机主传动系统扭转自激振动模型摩擦力矩相对速度0+图2.4摩擦力矩与相对速度之间的关系图KφNMVωNRVRV1R冶金装备及其控制教育部重点实验室图2.5是轧机主传动系统自激振动的振幅变化示意图，扭簧从点2到点3的变形阶段，其做的功为：Wn=-0.5K〔(φ0+Δφ)+(φ0-2φ)〕(2φ+Δφ)（2.4）此阶段，摩擦力矩做的功为：Wf=μkrNR(2φ0+Δφ)（2.5）轧辊与钢坯之间打滑引起主传动系统自激振动轧机主传动系统扭转自激振动模型123φ0φφ△φ扭簧产生的力矩△φ图2.5自激振动振幅变化示意图冶金装备及其控制教育部重点实验室由于在此阶段系统的动能没有任何变化，即动能的改变量仍为零，因此有Wn+Wf＝0（2.6）即-0.5K(2φ0+Δφ-2φ)+μkrNR=0（2.7）将式（2.3）（2.4）代入式（2.7）则得到一个振动周期振幅的增加量：Δφ=2NR(μkr-μkl)/K（2.8）因系统的固有频率较高，因此自激振动的幅值迅速增大。轧机主传动系统扭转自激振动模型123φ0φφ△φ扭簧产生的力矩△φ图2.5自激振动振幅变化示意图冶金装备及其控制教育部重点实验室1）轧件与轧辊间的摩擦力太小（主要发生在开坯机上）8.2.2产生打滑的原因（以轧机为例）THERESONOFTRACKSLIP2）轧件头部受到撞击（轧件“叩头”使轧件头部与输送辊道相撞）辊道图2-7轧件扣头冶金装备及其控制教育部重点实验室轧件“叩头”轧制过程中的不对称变形条件使轧件产生弯曲。从理论上讲，轧件的弯曲会贯穿轧件全长，但在轧件下弯时，由于轧件出口处机架辊或溜板的上扳作用，弯曲仅会在头部一定长度（轧件出口与机架辊之间的距离）内出现，称为叩头。冶金装备及其控制教育部重点实验室轧件产生“扣头”的主要原因1）板坯上下表层温度不相等时的变形Δh2低温侧高温侧Δh1轧件温度较高的上表面高温侧的金属压下量较温度较低的下表面相对大一些，从而使两侧金属的延伸率、前滑及出口流动速度不一致，最终造成轧件向下（低温）侧弯曲。冶金装备及其控制教育部重点实验室轧件产生“扣头”的主要原因2）轧辊直径差大辊小辊轧件上下侧的接触弧长度一样，但大辊会对应较大的水平投影长度，从而造成轧制力分布的不同，轧制力作用点和方向线的变化，最终使轧件向小辊弯曲并导至大辊的力矩较大。冶金装备及其控制教育部重点实验室轧件产生“扣头”的主要原因2）轧辊直径差大辊小辊大辊（速度较高）面侧的中性面向出口方向移动，前滑和前滑区减小，后滑和后滑区增大，如此使辊面两区上的摩擦力形成的水平分量不再平衡，即轧制力连线不再垂直，而是在高速侧向入口方向倾斜，使高速辊的轧制力矩增大；小辊侧则相反。轧件二侧表面速度上的差异使轧件出口向低速侧（小辊侧）偏转。冶金装备及其控制教育部重点实验室轧件产生“扣头”的主要原因3）轧制线高度对扣头和轧制力矩分配的影响轧制线高度降低时(δ0)轧件咬入示意图轧制线高度降低时(δ0)，咬入过程中轧件先接触上辊面，上辊作用力使轧件头部向下倾斜，形成强制倾斜咬入），这时轧件在入口辊道（机架辊）上也承受到一个向上的托力。此力的存在，使轧件上表面的接触区压力合力向入口方向移动，而下表面上压力的合力向出口方向移动。冶金装备及其控制教育部重点实验室轧件产生“扣头”的主要原因3）轧制线高度对扣头和轧制力矩分配的影响轧制线高度降低时(δ0)制示意图入口处辊道（或机架辊）和二个轧辊与轧件的相对位置及它们对轧件的作用相当于一个三点弯曲矫直机。这些力对变形区内轧件形成一个向上的弯矩，使之向上弯曲；同时，上下辊对轧件作用力合力作用点的移动也将使上轧辊驱动力矩相对增大，下轧辊驱动力矩相对减小。冶金装备及其控制教育部重点实验室轧件产生“扣头”的主要原因3）轧制线高度对扣头和轧制力矩分配的影响a=17mm，D’=8mm时轧件头部平直a=37.5mm，D’=2.7mm时轧件扣头冶金装备及其控制教育部重点实验室8.3防止冶金设备自激振动的对策THECOUNTERMEASURESOFSELF-EXCITEDOSCILLATIONSINMETALLURGICALEQUIPMENT1）增大“打滑”件之间的摩擦力2）避免轧件头部碰撞3）消除轧件“叩头”现象冶金装备及其控制教育部重点实验室8.3.1、太钢１０００初轧机主传动系统消除自激振动的对策1）减小传动间隙并使间隙闭合；2）避免轧件因头部受碰撞等原因打滑引起自激振动；3）输入辊道与轧辊速度匹配。效果：自1992年以来再未发生万向接轴断裂事故。冶金装备及其控制教育部重点实验室8.3.2、武钢１7００地下卷取机主传动系统消除自激振动的对策1）适当降低卷入速度，减小卷取机与F7轧机的速度差；2）增大夹送辊的能力，使带钢头部在卷入之前达到一定的弯曲程度；3）适当升高带钢头部温度。效果：使TAF从原6.80~8.54降至4.00~4.80。冶金装备及其控制教育部重点实验室卷取机发生自激振动与未发生自激振动两种状况对比卷筒主传动扭矩纪录曲线（对比）卷筒转速纪录曲线（对比）发生自激振动未发生自激振动冶金装备及其控制教育部重点实验室8.3.3、武钢二热轧R1轧机主传动系统消除自激振动的对策1）将R1轧机的轧辊辊身外表面加工方式由原来的磨削改为车削，适当增大辊身表面的粗糙度以增大钢坯与轧辊之间的摩擦系数。2）合理配置轧制线高度及上、下辊径差，改善钢坯加热制度，使上下钢坯温度一致，可避免轧件发生“叩头”。冶金装备及其控制教育部重点实验室8.3.3、武钢二热轧R1轧机主传动系统消除自激振动的对策效果：消除了主传动系统的自激振动，改善了设备受力状况。3）调整轧机机前辊道输送速度，使其与轧辊咬入点线速度的水平分量相匹配，从而减轻主传动系统的咬入冲击扭振。冶金装备及其