轧机自激振动诊断与结构动力学修改

摘要

现代连轧机是计算机控制的大型复杂机、电、液一体化设备。连轧机精轧机组的每个单元轧机主要由机架、轧辊、驱动系统、液压压下系统和控制计算机等组成。轧机系统以及轧制过程中存在各种非线性和复杂的偶合关系，也可能存在局部环节的设计缺陷、结构损伤或系统故障等问题。因而，在某种轧制条件或轧制过程参数扰动下，很容易诱发不同程度的非线性振动，甚至使整个系统产生强烈持续的自激振动。 轧机振动是高速轧制高强度薄规格板带材时普遍存在的一种物理现象。轧制速度越高、压下率越大、板带越薄，越容易发生振动。轧机振动的主要形式为工作机座系统的纵向振动、轧辊的水平振动以及驱动系统的扭转振动。轧机的振动问题严重限制板带产品的质量和轧制生产效率。轧机振动一方面在带钢产品表面形成明暗相间的条纹、增加板带厚度误差、影响产品质量；另一方面在轧辊表面产生印痕、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。轧机剧烈振动甚至有可能造成断带或设备损坏事故，严重威胁生产安全并造成巨大的经济损失。 过去，由于冷连轧机的轧制条件苛刻(板带厚度薄，轧制速度高，轧制温度低，轧制力大)，其振动问题多于热连轧机，因而轧机振动问题的研究多集中于冷连轧机。近年来，以汽车用板带材为主的薄规格高强度带钢的市场需求量不断增加，加之热连轧工艺具有节能高效的特点，高强度薄带钢热轧工艺取代冷轧工艺的趋势日渐明显，因此热连轧机的振动问题也变得非常突出。 轧机振动问题是世界范围内困扰钢铁企业的重大技术难题。长期以来，轧机振动问题的研究受到各国生产工程界和科学技术界的高度重视和广泛关注，国内外的研究者们针对不同类型的轧机振动问题，从不同的角度，进行了广泛和深入的研究，推动了轧机振动理论的发展和轧制工艺技术的进步。 然而，由于轧机自激振动的原因非常复杂，振动的机理至今仍未彻底解明，随着轧制速度、轧材强度和板材品质要求的提高以及板厚规格的减小和压下率的增加，许多过去曾经有效的振动抑制策略变得效果有限甚至无效。比如，液压衬板技术、动力吸振器技术以及辊缝润滑状态优化技术等等。因此，对高速连轧机的振动现象、振动机理、轧制过程稳定性以及振动控制的理论与方法进行更加深入的研究具有非常重要的现实意义。 本文以某热连轧精轧机组一个单元轧机为研究对象，采用试验研究与理论分析相结合、多学科知识相互融合的研究手段，深入研究了热连轧机压下系统的自激振动现象、振动机理、振源诊断、轧制过程稳定化、结构动力学修改以及振动控制等问题。 通过轧机现场多点振动测试和分析，研究了轧机主要结构的运动规律以及轧机振动测试信号的幅值、相位关系和频带能量分布等，获得了轧机工作机座的基本振动形态和振动特征。 应用系统辨识的理论和方法，获得了从伺服阀给定电流至辊缝输出值之间的轧机运行状态下传递函数的数学模型。通过对辨识模型的分析研究，获取了影响系统稳定性、诱发和维持系统自激振动的重要信息。 现有的轧机振动研究文献在建立轧机振动模型时，往往过分简化，仅考虑机架和轧辊两个环节，使得理论模型和真实物理系统之间存在较大差别，从而影响轧机振动机理和振动诊断的准确、定量分析。本文利用有限元模型修正技术，采用理论建模和试验建模相结合的混合建模方法，构建了轧机垂直振动系统的闭环模型。该模型包括轧机工作机座的振动模型和液压压下系统的数学模型，并在反馈通道加入了位移传感器定尺和动尺结构的传递特性，从而保证了理论模型的完整性和准确性。 通过现场振动测试、工作振型分析、压下系统动态特性辨识、轧机垂直振动闭环系统动力学仿真分析以及灵敏度分析等理论和试验研究，准确地诊断了轧机振动系统的振源位置，合理地分析了轧机自激振动的机理，制定了通过敏感结构动力学修改消除轧机自激振动的方案。 在研究的工程实例中，发现辊缝位移传感器安装结构存在先天性设计缺陷，其固有频率接近轧机机架的垂直振动模态频率，动力学特性不良，造成辊缝位移反馈信号的响应延迟，导致动态反馈信号严重失真，引发液压压下控制系统的非线性自激振动，从而产生整机持续的剧烈强迫振动。通过反馈通道相关结构参数的动力学修改，最大限度地减小了位移反馈信号的响应延迟，大幅度地提高了系统的稳定性，有效消除了正常工作条件(或正常扰动)下的自激振动，从而保证了现场热轧机高效、稳定地工作。 实施结构动力学修改后进行的现场测试分析结果表明：轧机液压压下控制系统的幅值稳定裕度从修改前的6.724dB提高到修改后的105dB；位移传感器外壳结构振动对机架振动的放大系数从257倍降低为4.47倍；位移传感器外壳振动信号的有效值降低了80％；机架顶部振动信号的有效值降低了60％。修改后的机架振动信号能量在频域相当分散，近似于白噪声，轧机自激振动现象消失。通过传感器外壳结构动力学参数的优化和修改彻底消除了诱发轧机工作机座系统垂直自激振动的内部根源，从本质上提高了液压压下闭环控制系统的稳定性，实现了轧制过程的稳定化。 本文采用的基于轧机控制信号相关环节动态特性分析的研究方法具有普遍性，所提出的振动系统建模、仿真、优化与敏感环节动力学修改的振动控制策略在轧机自激振动诊断与控制的理论与实践方面具有创新性，对于解决轧机自激振动这一工程技术难题，提高轧制过程稳定性、轧制生产效率和产品质量以及降低运行维护费用具有重要的理论意义和工程实用价值。研究成果成功地应用于生产实际，圆满地解决了生产企业热连轧机的自激振动问题，为生产企业创造了巨大的经济效益和社会效益。

目录

文摘

英文文摘

第一章概述

第二章轧机自激振动机理与振源诊断的试验研究

第三章轧机压下系统辨识与稳定性分析

第四章轧机垂直振动闭环系统的理论模型

第五章轧机工作机座结构的动力学分析

第六章轧机压下系统动力学仿真与灵敏度分析

第七章轧机结构动力学修改及其振动控制效果

第八章结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研项目

独创性说明