轧机振动分析与治理

(武钢股份设备维修总厂冷轧作业区，湖北 武汉 430083）

轧机振动分析与治理

徐秀胜 何彬 黄娟

(武钢股份设备维修总厂冷轧作业区，湖北 武汉 430083）

五机架是某钢厂酸轧机组的主体工艺设备，高速轧制中常出现种种原因不明、表现形态多样的轧机振动现象。严重威胁生产安全并造成巨大的经济损失。针对轧机主传动系统的扭转振动和垂直系统的纵振动进行分析，并采取了相应改进措施，有效地降低设备故障率，提高冷轧产品质量、成材率和作业率。

五机架；振动分析；扭转振动；垂直振动；改进措施

一、概述

五机架是某钢厂酸轧机组的主体工艺设备，高速轧制中常出现原因不明、表现形态多样的轧机振动现象，如轧机颤振、轧件表面振纹、轧辊表面周期印痕等。这些现象一方面增加板带厚度误差、严重影响产品质量；另一方面加速辊面磨损、缩短换辊周期、增加设备运行维护的工作量和费用。轧机剧烈振动甚至造成大量的废品、断带、暴管漏油、轧机停产,同时还对机械、液压和电气设备产生很大的破坏作用，使吨钢成本居高不下，严重威胁生产安全并造成巨大的经济损失。因此，分析和解决轧机振动问题非常必要。

二、轧机振动的技术分析

按载荷传递系统的不同，轧机上发生的振动现象可分为两大类：一类是轧机主传动系统的扭转振动，另一类是轧机垂直系统的纵振动。

1.扭转振动分析

（1）主传动轴动不平衡引起的扭转振动

五机架主传动轴的最大缺点就是在旋转运行中主传动轴和轧辊不在一个水平面上，在传递扭矩时有一个偏转角，再加联节轴内的顶锥、弧形齿磨损间隙增大，传动轴系统的中间轴、齿轮轴的联轴节齿轮磨损使其间隙增大，造成主传动轴和中间轴产生动不平衡，连接轴上的最大扭矩值比正常轧制时的静态扭矩要大得多，严重时会超过连接轴材料的强度，引发轧机设备的破坏和轧机振动，影响生产的正常进行。

（2）轧辊间打滑引起的扭转振动

扭转振动和轧辊辊隙的摩擦系数有关，轧制速度升高，则摩擦系数减小，从而导致轧机扭转振动，这种振动是一种自激振动行为。通过对各种类型轧机传动系统的扭转振动研究发现，由于轧辊打滑，上下轧辊力矩分配不均，从而引起轧机扭转振动。

（3）传动轴主电机电流谐波引起的扭转振动

技术人员在研究轧机带材振纹现象时分析了主回路电流谐波分量对轧机动力学系统工作的影响，认为主要有以下两个方面。

①电流谐波分量形成谐波转矩直接驱动工作机械运动，产生强迫振动。

②谐波电流经反馈回路作为一种干扰信号，通过控制回路“放大”，再作用于工作机械主体运动，引起运动状态发生变化，产生振动。

由此可见，避免电流谐波分量的产生是改善机架扭转振动的关键因素。

2.垂直振动分析

（1）张力波动引起的自激振动

由于张力波动对轧制力的变化有着直接影响，因而成为影响轧机振动的重要因素之一，因张力波动而导致轧机垂直振动的例子很多，如某冷轧厂五机架冷连轧机曾发生160～170Hz 的垂直振动，使产品产生±10%的厚度波动。研究表明，振动的原因在于轧辊垂直振动的位移与后张力的波动之间存在90°的相位差，当轧制速度升高时，受带钢厚度波动影响的后张力波动变大，轧辊振动的振幅由于张力波动的相位延迟而增大，从而发生自激振动。

（2）轧辊摩擦和润滑引起的自激振动

在冷轧带钢生产中，当轧制乳化液稳定性差、油膜不稳定时，辊缝摩擦条件会发生变化，从而导致轧制失稳产生振动。轧制液影响轧机振动的实质主要是轧制液影响轧制界面的摩擦状态，由于轧制界面摩擦系数随轧制速度的非线性变化导致自激振动的发生。

（3）轧辊缺陷等其他原因引起的垂直振动

在引起轧机垂直振动的原因中，轧辊缺陷和轧辊轴承座与机架窗口间隙过大是主要因素。结构有缺陷或尺寸不合理的轧辊，不但影响产品质量和设备的寿命，而且会影响轧制过程的稳定性。研究表明：振动的激励可能源于在磨床振动状态下加工过的轧辊，磨辊时在轧辊表面产生的振纹可能造成轧件上产生振纹，轧制过程中，当轧辊表面振纹的波长接近振动波长时，可能激起轧机的振动。

（4）液压压下系统原因引起的垂直振动

冷轧厂五机架25/18MPa液压系统泵站共用1个油箱，要控制1～5架的压下、弯辊和平衡，其压力和流量等参数都不能满足大压下量和高速轧制的要求，当生产较高规格的带钢品种时，压下能力不足以致偏斜，伺服阀频繁动作造成轧机振动，甚至带钢断带停产。产生故障的原因包括液压系统温升过高、油液变质变稀、内泄加剧、效率降低、元件产生热变形及液压元件损坏等。

三、改进方法及实施措施

1.解决扭转振动措施

（1）主传动轴改造

某钢厂的1700冷轧机组至投产运转以来，因轧机主传动系统的传动轴弧形接轴发生强烈振动，先后4次进行主传动轴改造。将五机架1、2、5的主传动轴进行了改造，如图1所示。

图1 改型后五机架1、2、5的主传动轴内部结构示意图

此次1、2、5架的主传动轴改进了锥度盘和顶锥弹簧，预顶力增大而且耐磨损，主轴上还增加了安全销功能，到目前该传动轴运行非常平稳，有效地降低了传动轴的扭转振动。随后又实施了3、4架主传动轴改造，改进了锥度盘和顶锥弹簧，预顶力增大；并采用辊颈自导向和复合曲率齿形表面硬化工艺，使其经久耐磨，传动平稳，延长了使用周期，降低了因动不平衡引起的振动。

针对传动轴系统的中间轴、齿轮轴的联轴节齿轮磨损，采取定期检查更换措施，同时对弧形齿采用表面硬化工艺，提高材料的强度，增加弧形齿的抗磨性能。加强维护加油，延长弧形齿的使用周期，消除传动系统的振动源，减少备件消耗，达到降本增效目标。

（2）调整3、4架工作辊的粗糙度

为避免轧机3、4 架工作辊末期产生打滑现象，消除3、4架3倍频次的振动报警，修改操作规程，规定生产厚度0.6mm以下的钢质SPCC 冷硬卷、涂镀基板，将3、4 架工作辊粗糙度由原来的0.4±0.1μm 修改为0.6±0.1μm，使3、4 架的振动得到改善。

（3）采用6RA70装置减少电流谐波分量

针对主传动大电机电流谐波分量引起传动系统扭转振动的问题，对五机架主传动大电机直流主传动控制系统进行改进，新增1台TDC用于五机架直流传动控制系统以及和其他系统的通信。新TDC主要对直流传动的速度、张力、厚调等进行控制，完善卷径计算、扁头定位等功能，并和其他系统如压下、厚调、速度给定、全线协调以及二级机进行通信。在控制器与传动设备间采用PROFIBUS总线通信模式，保证了快速数据交换，避免了控制器与传动设备间的大量硬连线，提高了控制系统的稳定性和控制精度。6RA70系列整流装置能有效的消除一定程度的电流谐波分量，将谐波分量降到最低，再加上TDC能对这些电流谐波分量产生的谐波转矩进行有效控制，可以将谐波转矩对电机的影响降到最低。TDC和6RA70系列整流装置的配合使用，有效地降低了轧机振动程度。

2.解决轧机垂直振动的措施

（1）平稳张力波动

在1～5架增加张力模块和厚度模块，将需要添加和删除的模块、线路都一一标记出来，认真细致接线，校正信号，在软件程序中找到相应的接收模块，重新编辑地址、修改程序，平稳了张力波动，消除了轧机垂振隐患。

（2）调整乳化液浓度乳化液稳定性差，轧制油附着性差和油膜强度不足是引起的自激振动的主要原因。采用含有机锌添加剂的乳化液，降低乳化液浓度，降低了轧机垂直振动系统发生自激振动的可能性。经调整乳液浓度（乳化液浓度由2.75%调整至2.25%），降低轧辊表面粗糙度，以及对轧辊表面进行喷砂处理，增大轧制界面的摩擦系数及平整力，使轧制过程的振动明显降低，振纹明显减轻，合格率提高40%以上。

（3）改进轧辊及优化辊系

① 对轧辊表面进行处理，增大轧制界面的摩擦力。

② 在工作辊轴承座出口侧与机架牌坊之间增加铜垫，降低或消除轧辊轴承座与机架牌坊之间的间隙，垫的材料选用较大阻尼特性的减振材料，抑制滑动和冲击，并适当增加工作辊偏移距离，以增强辊系的稳定性。

③ 将轧机张力辊、转向辊和防皱辊重新找平、找正、修磨，降低其转动偏心对前后张力大小的影响。

④ 将轧机上下工作辊重新找平、找正、修磨，降低其转动偏心对前后张力大小的影响。

⑤通过重新修磨，提高了张力辊、转向辊和防皱辊的形位精度，降低了因形位误差产生的不稳定张力对振动的影响。

（4）改造25MPa液压压下系统

①重新设计制造了1套新的压下泵站，并增加1台液压泵加大系统流量。新系统采用恒压轴向变量柱塞泵（9台、7用2备，并配备相应4×32 L蓄能器站，总容积128 L），泵直接与电机连接，减少中间环节，泵分布在一个油箱的周围（面对面），而且泵的进油管直接与油箱连接，节约空间。改型后的螺杆泵3G55X3-40具有非常好的吸入能力，工作压力25MPa，流量约90 L/min，功率45kW，1 500r/min，均比原泵的性能提高很多，其设备正常运转的寿命也长，故障率小，维护和控制（启动）更加便捷，尤其突出在间断性操作上。

②泵站阀台集中在一起，采用板式，与泵站分开，减少振动对阀的影响；压下缸的活塞杆侧在正常工作时用0.5MPa的低压油，以防止乳化液和灰尘进入油缸；在零位和换辊时用6MPa的压力油使油缸快速收回。此压力转换是通过减压站提供，为了得到稳定的压力，重新设计制造新的泵站减压阀台，关键的减压阀，溢流阀使用进口件，以确保系统压力稳定。

③25MPa压下系统伺服阀移位改造，解决了伺服阀因乳化液蒸汽腐蚀而故障频繁的问题，伺服阀的使用寿命大大增加，从以前的每年平均更换10余台减少到现在的1～2台，大大降低了伺服阀的备件消耗，仅备件费用一项每年可节约100多万元。其压力和流量等参数都能满足大压下量和高速轧制的要求。

四、结语

通过对五机架振动的技术攻关，有效地降低了冷轧的生产成本和设备故障率，提高了产品的市场竞争力，同时大幅度降低了备品配件的消耗，减少了操作、维护人员的工作量，各类生产及设备保产指标均完成，满足了轧钢机连续生产的需要，提高设备三率和生产作业率，为轧钢厂生产经营创造了有利条件。

参考资料：

[1]冷轧带钢表面振动纹的产生与控制[C].第八届中国钢铁年会论文.

[2]王文斌.机械设计手册（新版）[M].机械工业出版社.

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1671-0711（2014）11-0035-03

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