非接触减小板材跳动抑制高速轧机振动装置的研究

摘要：基于轧制理论、流体力学理论、机械振动理论等基本理论知识，对板材跳动引起高速轧机振动原理进行了分析，提出了板材跳动是导致轧机振动的原因之一;采用三维建模方法进行抑制高速轧机振动装置的结构设计，实现非接触减小板材跳动目的，同时避免板材接触划伤;然后通过抑制高速轧机振动装置的振动测试实验获取高速轧机振动相关数据，在同一坐标系内分别绘制出安装抑制高速轧机振动装置前后的上工作辊垂振位移曲线和上支承辊垂振位移曲线，并通过曲线进行轧机振动数据对比分析，实验结果表明，该抑制高速轧机振动装置能够减小板材跳动，抑制高速轧机振动，从而提高板材质量。

关键词：非接触;板材跳动;抑制;轧机振动

中图分类号：TG375文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0133-04

Research on Non Contact Device for Reducing Plate Runout and Suppressing Vibration of High Speed Rolling Mill

Gao Ruijin

（Institute of Intelligent Manufacturing， Qingdao Huanghai University College， Qingdao， Shandong 266427， China）

Abstract： Based on the rolling theory， fluid mechanics theory， mechanical vibration theory and other basic theoretical knowledge， the vibrationprinciple of high-speed rolling mill caused by plate runout was analyzed， and it was pointed out that plate runout was one of the causes ofrollingmillvibration; thethree-dimensionalmodelingmethod wasusedtodesignthestructureof thevibrationsuppressiondeviceofhigh-speed rolling mill， so as to achieve the purpose of non-contact reduction of plate runout and avoid plate contact. Through the vibrationtest experiment of the vibration suppression device of high-speed rolling mill， the vibration related data of high-speed rolling mill wereobtained， and the vertical vibration displacement curves of upper working roll and upper backup roll before and after the installation of thevibration suppression device of high-speed rolling mill were drawn in the same coordinate system， and the vibration data of rolling mill werecompared and analyzed through the curves. The vibration device of high-speed rolling mill can reduce the plate runout and suppress thevibration of high-speed rolling mill， so as to improve the quality of plate.

Key words： non contact; plate runout; suppression; rolling mill vibration

0 引言

隨着国内汽车、船舶等机械制造行业的飞速发展，我国对轧制板材的需求量越来越大且对轧制板材的质量提出了更高的要求。轧制过程中，由于轧机的振动引起的轧制板材产品表面质量的缺陷，如轧制产品振动纹，是轧制板材生产中普遍存在的问题，振动纹的产生不但影响轧制产品的质量，而且轧机剧烈的振动还会造成断带或设备损坏事故，威胁生产安全并造成巨大的经济损失[1-2]。轧机振动是制约轧制板材产量和质量的重大因素，轧机振动对轧制过程的影响已成为钢铁企业亟待解决的重大技术难题。因此亟需对轧机振动问题及其形成机制进行分析，并制定抑制轧机振动的措施，为提高轧制速度及产品质量奠定基础[3]。

理论研究表明，诸如轧制板材的振动纹等表面质量缺陷的产生，从本质上讲，是由高速轧机的振动引起的。目前，国内外不少学者和专家对振动纹产生的机理，振动纹的振动特征，振动纹的抑制方法，轧机的振动监测和分析，轧制带材振动的抑制装置等进行了研究[3-4]，但总体来说，还处于实验阶段的研究较多，真正在实际生产中投入运用的方法和装置较少;用于监测和分析轧机振动的系统较多，直接用于高速轧机振动抑制的装置鲜有应用。经过实验验证，轧制过程中，轧制板材的跳动引起轧制板材入口速度的波动，进而引起轧机轧制力的波动，造成高速轧机的振动，严重影响轧制板材的产品的质量。因此，要提高轧制钢材产品的表面质量，抑制振动纹等外观缺陷，从根本上讲，是通过各种装置和方法抑制高速轧机的振动。但是，目前采用减小轧制板材跳动来抑制轧机振动的技方案均采用机械接触式支撑轧制板材的装置或者接触式张紧轧制板材的装置来减小轧制板材的跳动，进而达到抑制高速轧机振动的目的，其机械结构与轧制板材直接接触，往往会造成轧制板材表面的划伤或者轧制板材表面振动纹的进一步扩大，其大大降低了轧制板材的表面质量。

本文基于轧制理论、流体力学理论、机械振动理论等基本理论知识，对板材跳动引起高速轧机振动原理进行了分析，提出了板材跳动是导致轧机振动的原因之一;采用三维建模方法进行抑制高速轧机振动装置的结构设计，实现非接触减小板材跳动目的，同时避免板材接触划伤;然后通过抑制高速轧机振动装置的振动测试实验获取高速轧机振动相关数据，在同一坐标系内分别绘制出安装抑制高速轧机振动装置前后的上工作辊垂振位移曲线和上支承辊垂振位移曲线，并通过曲线进行轧机振动数据对比分析。实验结果表明，本文的抑制高速轧机振动装置对抑制高速轧机振动具有良好的效果。

1 板材跳动引起高速轧机振动原理

轧制板材的高速轧制中，如图1所示，轧制板材的跳动引起轧制板材的轧制入口速度的波动，导致轧机入口侧轧制板材的长度发生变化，即入口侧轧制板材长度变化量：

式中：Δμ1为轧制入口速度的波动量。

入口侧轧制板材长度变化量ΔL 引起轧制板材入口张力的波动，即轧制板材入口张力的变化量：

式中：E1为弹性模量[3]。

根据经典轧制力计算模型，轧制板材入口张力的波动直接导致轧制力的波动，即轧制板材入口张力变化量ΔL 造成的轧制力的波动量[3]：

式中： QP 为应力状态系数，由 Hill公式计算得出;B 为轧制板材宽度;Δh 为绝对压下量; R′为轧辊压扁半径，由 Hitchcock公式确定，即：

式中： R 为工作辊半径; P 为轧制力; C0为 Hitchcock常数， C0=16（1-γ2）γ为工作辊泊松比。

如图1所示，轧制力的波动直接引起轧机的振动和轧制板材出口厚度的波动;轧制力波动导致的高速轧机的振动，一方面直接导致轧制入口速度的波动;另一方面，高速轧机的振动会通过影响轧机工作辊振动位移间接地造成轧制板材出口厚度的波动，而轧制板材出口厚度的波动又直接导致轧制板材入口速度的波动。

其关系如下：高速轧机的振动使轧机的两个工作辊产生振动位移 Y，工作辊振动位移：

工作辊振动位移的变化造成轧制板材出口厚度 y2的变化，即轧制板材出口厚度：

式中： y2m 为平均值。

由轧制辊缝中任一瞬间金属秒流量相等，则有：

式中：Φ为辊缝中瞬间的金属流量;前滑率不变，即μ2保持不变。

由式（7） 可知，轧制板材出口厚度 y2的变化又造成了轧制板材入口速度μ1的波动，即轧制板材入口速度：

其中，放卷机的放卷速度保持恒定μ1m 保持不变。

式（8） 表明，轧制板材的入口速度增加了Δμ1。

由此，轧制板材的跳动导致轧制入口速度的波动，从而引起轧制力的波动，轧制力导致轧机振动，同时，轧机的振动又激励轧制板材跳动和轧制入口速度的波动，导致轧机振动愈加激烈。

2 抑制高速轧机振动装置结构方案

如图2～3所示，抑制高速轧机振动装置的结构包括：机架1、左上安装筒2、右上安装筒3、左上调节柱4、右上调节柱5、上气流支撑管6、左下安装筒7、右下安装筒8、左下调节柱9、右下调节柱10、下气流支撑管11、气流喷头12、气流罩17、下高压供气管18、下高压气源19、下气流控制阀20、下压力表21、上高压供气管22、上高压气源23、上气流控制阀24、上压力表25、调节螺栓26[5]。

在轧机14的右侧，轧制板材13轧制入口处设置机架1，轧制板材13在轧机14内的上工作辊16和下工作辊15之间进行轧制，左上安装筒2焊接在机架1内顶部的左侧，右上安装筒3焊接在机架1内顶部的右侧，左下安装筒7焊接在机架1内底部的左侧，右下安装筒8焊接在机架1内底部的右侧，左上安装筒2、右上安装筒3、左下安装筒7和右下安装筒8是钢管加工而成，左上调节柱4、右上调节柱5、左下调节柱9和右下调节柱10是圆柱状钢材加工而成，左上调节柱4插入到左上安装筒2内，右上调节柱5插入到右上安装筒3内，左下调节柱9插入到左下安装筒7内，右下调节柱10插入到右下安装筒8内，上气流支撑管6焊接在左上调节柱4和右上调节柱5的底端，下气流支撑管11焊接在左下调节柱9和右下调节柱10的顶端，轧制板材13设置在上气流支撑管6和下气流支撑管11之间，上气流支撑管6通过上高压供气管22与上高压气源23连接，下气流支撑管11通过下高压供气管18与下高压气源19连接，气流喷头12焊接在上气流支撑管6和下气流支撑管11上，气流罩17安装在气流喷头12上[6]。

调节螺栓26安装在左上安装筒2、右上安装筒3、左下安装筒7和右下安装筒8上，调节螺栓26能够调节左上调节柱4插入到左上安装筒2内的深度，右上调节柱5插入到右上安装筒3内的深度，左下调节柱9插入到左下安装筒7内的深度，右下调节柱10插入到右下安装筒8內的深度，进而调节上气流支撑管6和下气流支撑管11与轧制板材13的距离，经实验验证，上气流支撑管和下气流支撑管的气流喷头上安装的气流罩之间的距离 H 是轧制板材厚度 h 的2～5倍，即 H=（2～5） h ，上气流控制阀24和上压力表25安装在上高压供气管22上，下气流控制阀20和下压力表21安装在下高压供气管18上[7]。

3 抑制高速轧机振动装置分析

如图4所示，气流喷头12的内径是 D ，轧制板材的厚度是 B ，轧制板材的密度是ρ，轧制板材入口侧的宽度是 L ，则单个气流喷头正对的轧制板材面积：

单个气流喷头正对的面积为S的轧制板材质量：

m =ρ×B ×S （10）

上、下气流支撑管气流正对的板材质量：

M =ρ×（L ×D ×B）（11）

下气流支撑管上的一个气流喷头对轧制板材的作用力为F2，上气流支撑管上的一个气流喷头对轧制板材的作用力为F1。

取一个气流喷头正对的面积为S的轧制板材进行受力分析，轧制过程中，当轧制板材处于受力平衡状態时F1=F2+mg，先调节上气流控制阀24，使上压力表25示数为P2，则F2=P1× S，根据轧制板材处于受力平衡状态的受力 F1=F2+mg，调节下气流控制阀 20，使下压力表 21示数为P1=（F2+mg）/S，则上压力表25和下压力表21示数理论上需满足：n × P1× S=n × P1×S+Mg。其中n是上气流支撑管和下气流支撑管上安装的气流喷头个数，上气流控制阀和下气流控制阀是稳压可调节的阀门[8]。

4 抑制高速轧机振动装置的振动测试实验验证

在某企业 ?650/?1 400 ×2 800 四辊可逆式冷轧机上，通过测量安装抑制高速轧机振动装置后的振动数据与轧机正常轧制过程中的振动数据进行对比，验证抑制高速轧机振动装置的抑振效果。

4.1 实验设备测试参数

振动测试实验的轧机相关的参数如表 1 所示，振动测试实际轧制过程中，四辊轧机根据轧制板材的生产状况，轧机会在不同的工况下进行，综合考虑到四辊轧机参数、板材生产工况和振动测试实验的原理等方面因素，轧机的振动主要体现在辊系的振动位移，因此，振动测试的实验数据主要是辊系垂直振动的振动位移。

4.2 振动测试实验的数据对比

利用加速度传感器采集获辊系振动测试的测试信号，振动测试的对象是辊系振动位移，由此，采集到振动测试的数据，利用振动测试数据，为验证抑制高速轧机振动装置的抑振效果提供现实依据。在进行实验验证时，利用振动测试实验数据中的上工作辊和上支承辊的振动位移为依据，采用安装抑制高速轧机振动装置前的上工作辊和上支承辊间的振动测试数据与安装抑制高速轧机振动装置后的上工作辊和上支承辊间的振动测试数据进行对比，通过振动测试数据对比结果，证明抑制高速轧机振动装置的抑振效果。

具体地，提取振动测试实验中某一时间段，安装抑制高速轧机振动装置前后上工作辊和上支承辊的振动测试位移，然后通过绘制出振动位移曲线，从曲线的趋势、曲线振动位移振幅等方面直观的体现出制高速轧机振动装置的抑振效果，由此得出结论。

4.3 轧机辊系上工作辊振动测试验证

辊系上工作辊振动测试验证中，图 5所示曲线2是安装抑制高速轧机振动装置前的振动位移曲线，曲线1是安装抑制高速轧机振动装置后的振动位移曲线，曲线1和曲线2均是在0～700 ms时间段内的上工作辊振动位移作为绘图纵坐标。

通过图5对比分析，在0～700 ms时间段内，上工作辊垂直振动位移范围是0.00011～0.00013 m ，且曲线1和曲线2趋势大致相同。图5所示，在每个时间点，曲线1的振动位移均小于曲线2的振动位移，说明安装抑制高速轧机振动装置后，轧机的振动位移有所减小，在一定程度上证明抑制高速轧机振动装置具有抑振效果。

4.4 轧机辊系上支撑辊振动测试验证

辊系上支撑辊振动测试实验中，图 6所示的曲线4是安装抑制高速轧机振动装置前的振动位移曲线，曲线3是安装抑制高速轧机振动装置后的振动位移曲线。图中，曲线3和曲线4均是在0～700 ms时间段内的上工作辊振动位移作为绘图纵坐标。

通过图6的上支承辊垂振位移曲线，垂直振动的位移均在0.2805～0.3005 mm范围内，曲线3和曲线4振动测试数据走势大致相同，除了在 t=450 ms时间点，曲线3的振动位移均小于曲线4的振动位移，说明安装抑制高速轧机振动装置后，轧机的振动振幅有所减小，在一定程度上证明抑制高速轧机振动装置具有抑振效果，分析在 t=450 ms时间点，曲线3的振动位移小于曲线4的振动位移的原因可能是气流出现波动引起。

5 结束语

本文对板材跳动引起高速轧机振动原理进行了分析，提出了板材跳动是导致轧机振动的原因之一;采用三维建模方法进行抑制高速轧机振动装置的结构设计，实现非接触减小板材跳动目的，同时避免板材接触划伤;然后通过抑制高速轧机振动装置的振动测试实验获取高速轧机振动相关数据，在同一坐标系内分别绘制出安装抑制高速轧机振动装置前后的上工作辊垂振位移曲线和上支承辊垂振位移曲线，并通过曲线进行轧机振动数据对比分析，实验结果表明，本文的抑制高速轧机振动装置对抑制高速轧机振动具有良好的效果。

参考文献：

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作者简介：高瑞进（1988-），男，山东潍坊人，讲师，工程师，研究领域为机械系统动力学及机械振动控制技术、摩擦润滑等。（编辑：刁少华）