多源激励的冷连轧机耦合振动研究

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轧机振动是困扰钢铁行业数十年的技术难题,一旦轧机出现剧烈振动将会产生恶劣后果,不仅严重影响产品质量和精度、增加环境噪声、降低轧辊在线使用寿命,而且也威胁轧机的安全生产,造成不必要的经济损失和生产率下降。本文针对某冷连轧机组典型高强薄板在高速轧制时的振动问题,采用现场跟踪测试、数值仿真和理论研究相结合的方法开展振动机理及抑振策略的研究。本文的研究工作对于多源激励下冷连轧机轧制高强薄板的振动问题具有重要的理论意义和工程价值。主要研究工作如下:(1)轧机振动现场试验、综合测试及信号分析为全面掌控该冷连轧机振动状态,对振动最为剧烈的S5机架进行了状态监测,重点监测机架顶部垂直振动速度信号、力马达阀阀芯位移信号、液压缸输出压力信号以及轧机辊系垂直振动信号等,发现该机架在轧制小于0.496mm的S30Y、S40等钢种,轧制速度范围在17.5-20m/s时就会出现剧烈振动现象,振动优势频率随着工艺参数的变化而变化,其范围为75-85Hz,同时发现液压缸输出压力波动、阀芯位移中均包含与轧机振动频率相同的成分。(2)建立多激励和多参数耦合下的轧机振动模型进行仿真研究基于机械振动理论和轧制理论,结合现场测试数据,建立考虑多源激励下S5机架的9自由度垂振动力学模型、轧制过程动态轧制力模型、垂直系统机电液耦合振动模型、轧机-带钢耦合振动模型,以确定诱发轧机振动主要因素。重点研究了带钢激励、辊缝控制系统中轧机动刚度控制参数和压上系统控制器参数对带钢激励轧机振动影响。结果表明,降低带钢激励幅值、动刚度控制增益和压上系统控制器增益能够抑制带钢激励造成的轧机振动。(3)力马达阀动态特性及非线性特性对轧机振动影响研究现场实验过程中发现阀芯位移、阀后压力中存在与轧机振动相关的频率成分,阀前压力中该成分并不明显,针对这一现象,推测力马达阀及其控制系统对轧机振动有较大影响。依据现场图纸及资料,细化了包含力马达阀特性的轧机垂振模型,基于多尺度法和增量谐波平衡法分析了不同参数下力马达阀的动态特性,探究了力马达阀的参数导致阀芯位移呈现谐波共振、参数共振和低频波动调制等一系列非线性现象,解释了力马达阀在内源反馈、外源扰动和负载波动下诱发或放大轧机振动的机理。(4)无故障支撑辊轴承径向游隙放大轧机振动及非线性特性研究针对新轴承仍能产生周期激励这一现象,建立了四列圆柱滚子轴承以及包含该轴承的轧机垂直系统动力学模型。从理论上解释了存在装配间隙的新轴承仍能产生周期激励的机理。分析了轧制速度、滚动体数量和轴承径向游隙对轴承以及轧机振动的影响规律,分析了阻尼变化导致的轴承及轧机系统运动状态的分岔现象,发现了轧机刚度变化产生的非线性导致多激励频率接近时能量在不同频率间发生转移从而放大振动的现象。(5)提出相应的抑振措施,获得了良好的抑振效果针对冷连轧机发生的75-85Hz的振动现象,通过现场试验、理论研究和仿真求解,探讨了多源激励下振动的诱发机制,并提出了相应的抑振策略。针对液压系统压力波动激励,可以改变力马达阀动态特性降低其截止频率、增强力马达阀阀芯系统线性;针对带钢来料激励,可以降低动刚度控制参数、压上系统控制器增益、调整带钢激励频率;针对支撑辊轴承激励,可以采取减小轴承径向游隙、增加垂直系统阻尼、避免多源激励频率接近、增加轴承滚动体个数等措施。以上措施有效地降低了轧机振动能量,取得了良好的抑振效果。
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