連軋機

近年來，中國從德國西馬克公司、日本三菱公司和意大利達涅利公司等引進數十套全世界最先進的連軋機組，經過消化、改造和創新，中國也開始自主集成現代化連軋機組並投產數套。隨着近二十多年來軋機主傳動大功率變頻裝置的引用和液壓壓下系統多功能的完善，軋機裝備水平不斷提高、控制功能越來越複雜，軋機呈現出越來越多的“幽靈式”多態耦合振動現象，成為世界範圍內軋製領域研究的熱點和亟待解決的一個技術難題。

在世界範圍內，連軋機振動一直是國內外困擾軋製薄帶鋼和高附加值產品的瓶頸，當嚴重振動發生時，產生一系列危害：

1）帶鋼表面出現振痕，影響產品表面質量；

2）軋輥表面出現振痕，降低在線使用壽命；

3）振動噪聲十分強烈，惡化操作工作環境；

4）零件承受交變載荷，降低零件疲勞壽命；

5）振動造成堆鋼爆輥，威脅軋機安全生產；

6）降低正常軋製載荷，影響高端產品開發；

7）降低軋機軋製速度，產品產量降低；

8）產品表面質量降低，導致索賠用户，影響效益。

綜上所述，軋機振動導致產品質量下降、輥耗和備品備件費用增加，威脅軋機的安全生產，限制了軋機的產能釋放，嚴重影響企業經濟效益和高附加值產品的開發 ^[1]  。

軋機振動研究已經經歷了半個多世紀，許多學者和專家重點研究冷連軋機、平整機組、熱連軋機和中板軋機等出現的振動現象。通過閲讀大量參考文獻和承擔10條連軋機組振動問題的研究項目，對軋機振動問題的研究進行了概括和總結。概括起來，軋機振動研究的內容主要圍繞着軋機怎樣振動、軋機為何振動和如何抑制振動3個方面來展開研究，具體研究內容及進展分別敍述如下。

1　軋機固有力學特性

在研究軋機固有的動力學特性方面，由過去用“彈簧－質量”模型來研究軋機的振型和固有頻率發展到用有限元來建立模型並求解模態，使研究方法上了一個新台階。

2　軋機振動傳遞過程

在研究軋機振動傳遞方面，由過去認為軋機振動是傳動系統減速機齒輪、齒輪座齒輪和弧形齒接手等的齧合頻率造成軋機振動到引入非線性振動理論來求解振動的傳遞，使研究的問題變得更加複雜。

3　軋機振動現象捕捉

在現場軋機振動捕捉方面，由過去採用的以光線示波器和磁帶機為代表的臨時測試方法發展到用工控機來採集和分析的在線監測系統，使軋機振動現象測試信號更加可靠和精準，分析內容更加豐富，為軋機振動機理研究提供了第一手可靠資料。

4　軋機振動產生機制

在研究軋機振動機制方面，由過去研究軋機輥縫摩擦可能引發的自激振動發展到非線性動力學的週期分岔、混沌運動等理論上，使理論研究變得更加複雜，甚至難以求解。

5　抑制軋機振動措施

從抑制軋機振動的角度出發，當軋機振動發生時，只好被迫降速或更換軋輥以及改變工藝狀態等來緩解振動，連軋機通常採用的措施是改變輥縫潤滑狀態和優化配輥原則，達到在較小的程度範圍內降低軋機振動的目的。

綜上所述，五十多年以來，儘管許多學者和專家做了不懈的艱辛努力，但軋機振動機制卻未給出清晰、合理和公認的解釋，也沒有找到十分有效抑制軋機振動的通用措施。

近幾年，軋機振動的研究從過去主要由搞機械專業的學者和專家來研究軋機振動機制，擴大到由機械、電氣、液壓和工藝專業為一體的跨專業、跨學科的研究隊伍。建立了軋機同時存在垂扭耦合振動、液機耦合振動、彎扭耦合振動和機電耦合振動的理論基礎，證明了軋機振動的機制為軋機固有的動力學特性與軋製過程的動態特性相耦合的結論，其振動性質為機電液界多態耦合振動。

2012年，北京科技大學冶金機械研究所找到了抑制軋機振動的通用措施，發明了“軋機耦合振動解耦抑振器”。其基本原理為：將軋機牌坊振動信號、主傳動扭振信號、主電機電流信號、軋製壓力信號、軋輥輥，經過信號輸入採集、信號解耦運算、相位識別運算、抑振信號重構和抑振信號輸出送至液壓壓下系統和電氣傳動控制系統參與控制來抑制軋機的振動。其中，傳動扭振信號由安裝在傳動軸上的扭振傳感器、發射機、發射天線、接收天線和主控單元組成，主控單元將扭振信號送到信號輸入採集中。

該系統已在某熱連軋機上應用，使軋機振動得到了明顯緩解。例如：在軋製集裝箱板B480、成品尺寸為1　250mm×1．56mm時，其抑振措施投入前後工作輥典型振動加速度對比，經過對20塊鋼的統計，其抑振效果取得了良好效果，提高了帶鋼表面質量和軋輥在線使用壽命。

北京科技大學歷時8年承擔了全國10條連軋機組的振動研究，通過大量的現場測試、理論研究和仿真分析，取得了一些進展和成果。同時，隨着軋機耦合振動在線遙測技術進步和耦合振動理論仿真軟件的功能完善，軋機振動現象的測試條件和仿真平台上了一個很大的台階，為深入研究軋機振動及抑振措施提供了良好的基礎保障。下面談談對未來軋機振動研究的粗淺認識。

1　試驗模態分析

軋機振動固有動力學特性的研究方面，由於存在對軋機結構的熟悉程度和理解水平不同，導致模型的簡化和加載存在偏差，以致計算結果與實際產生較大誤差，不能真正反映軋機固有的動力學“脾氣”。近年來，隨着試驗模態理論和實用技術的迅速發展，到了用試驗的方法來求解軋機模態的時代，但尚有一些需要解決和克服的技術難題。

2　振動能量傳遞

軋機的振動能量傳遞是在非線性系統中進行傳播的，過去主要關心振動頻率的變化和振動發生後的常規的參數變化規律，但軋機振動是需要很大的能量才能被激發的，因此，軋機振動的能量及大小是如何傳遞的開始成為研究重點，即研究多大的振動能量才能激發起軋機振動和如何減少軋機振動能量。

3　振動解耦監測

軋機的振動捕捉一般是測量輥系軸承座和牌坊的振動，而軋輥真正的振動卻未應用直接測量的辦法，隨着非接觸測量技術的應用，軋輥的真實振動測量得到解決，獲得輥系的空間振動及振動軌跡等，使軋機耦合振動現象“暴露”得越來越明顯，為理論研究和仿真研究提供現場實測數據。

4　耦合振動研究

軋機振動的機制問題一直是軋製領域備受關注的難題，近年來提出了軋機振動存在耦合振動現象。因此，隨着耦合振動仿真技術的發展，面臨着將軋機的機械、電氣、液壓和界面（工藝）整體考慮建立一個符合實際的全局仿真模型來求解軋機耦合振動的特徵及獲得並行設計通用的方法和原則，使軋機在設計時就具有良好的綜合動力學特性，即軋機具有更好的“抗振性” ^[2]  。

軋機振動是世界範圍內普遍存在和亟待解決的難題，從軋機振動研究歷史上可以看出：隨着軋機監測裝備水平的提高和仿真軟件的功能不斷完善，軋機振動研究進入了一個新的歷史階段。通過現場測試、理論研究和仿真分析證明了軋機的確存在垂扭耦合振動、液機耦合振動、彎扭耦合振動和機電耦合振動現象，確定了軋機振動性質為機電液界多態耦合振動。找到了抑制軋機振動的通用技術，發明了軋機耦合振動解耦抑振器，在國內某熱連軋機現場成功應用，消除了軋輥和帶鋼上的振痕，取得了良好的抑振效果 ^[3]  。