高精高速軋制中振動問題

1、無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院高精高速軋制中的振動問題高精高速軋制中的振動問題北京科技大學自動化學院童朝南無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院1.高精高速板帶箔軋制的振動現(xiàn)象高精高速板帶箔軋制的振動現(xiàn)象l板帶冷軋機以軋制產(chǎn)品厚度分為板材、薄材、箔材軋機。l h0.5mm （板材）l 0.5 h0.1mm （薄材）l 0.1 h0.0055mm （箔材）l板帶是指寬度，軋機的寬度是以工作輥面寬度定義。寬板軋機的B=1200-2200mm。 無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院1.高精高速板帶箔軋制的振動現(xiàn)象高精高速板帶箔軋制的振動現(xiàn)象l高速度是指軋制時軋機出口帶材的最高速度：l

2、 V900 （m/min）（高速軋制）l900V300 （m/min）（中高速軋制） l V300 （m/min）（ 低速軋制）無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院1.高精高速板帶箔軋制的振動現(xiàn)象高精高速板帶箔軋制的振動現(xiàn)象l高精度是指產(chǎn)品的厚度、板形、表面、卷形質(zhì)量的精度。l0.1 mm厚度0.2mm： 精度1.5%l96%帶長板形控制精度：10I l表面無任何振痕l卷取錯層小于1.5mm無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院1.高精高速板帶箔軋制的振動現(xiàn)象高精高速板帶箔軋制的振動現(xiàn)象l軋機是多轉動體的機械運動系統(tǒng)，由于機、電、液的耦合，振動現(xiàn)象必然存在，高速度使得本現(xiàn)象加劇。如何抑制

3、振動對于產(chǎn)品表面質(zhì)量、厚度、板形質(zhì)量的影響，是個具有難度很高的技術問題，同時也是個具有深度科學問題。無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院1.高精高速板帶箔軋制的振動現(xiàn)象高精高速板帶箔軋制的振動現(xiàn)象l軋機振動分為扭振、三倍頻振動和五倍頻振動扭振、三倍頻振動和五倍頻振動(垂振垂振)。l軋機主傳動系統(tǒng)扭轉振動扭轉振動的頻率一般在520Hz之間，且不隨軋制速度的變化而變化，它會在帶材表面造成垂直于軋向的交替明暗條紋，振動較強時有與這些條紋相對應的明顯厚度波動與板形缺陷。無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院l軋機垂直振動垂直振動包括三倍頻程振動，頻率一般在125240Hz之間，它會在軋件上產(chǎn)生明

4、顯的厚差和板形缺陷，有時達30%以上，從而影響生產(chǎn)的正常進行，甚至會造成軋制設備的損壞等；l軋機的機電液耦合振動機電液耦合振動包括五倍頻程振動，頻率范圍通常為500800Hz，它會在軋件上產(chǎn)生垂直于軋制線方向的明暗相間的條紋，但帶材表面沒有可測的厚度變化。 無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院2.高精高速軋機振動的因素高精高速軋機振動的因素2.1 軋機扭振：主要圍繞傳動軸扭矩發(fā)生的變化而引起的。傳動軸扭矩變化的影響因素可從機械、電氣、潤滑及軋制工藝等不同的角度綜合考慮。1）機械設備缺陷引起的扭轉振動。由于機械設備的缺陷或電氣系統(tǒng)明顯的設計不當或故障等原因造成的。 2）軋機的機械傳動環(huán)節(jié)存在

5、間隙。在軋機加速運轉時，這些間隙是閉合的，但是軋機受到?jīng)_擊時，由于旋轉軸的不平衡和重力與慣性力的相互作用，間隙間斷打開，對傳動系統(tǒng)的扭轉放大系數(shù)影響十分強烈。無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院2.高精高速軋機振動的因素高精高速軋機振動的因素3）電氣系統(tǒng)引起的振動。通過理論研究和實測結果，我們發(fā)現(xiàn)在軋制過程中電機力矩的波動在高頻機械系統(tǒng)中反映是很微弱的，而在低頻機械系統(tǒng)中反映比較明顯。在后者的情況下，機械傳動系統(tǒng)的扭振波形幾乎與電磁力矩的波形一致，只是稍許滯后。4）傳動系統(tǒng)潤滑狀態(tài)變化引起的振動。在軋制過程中，軋制工藝的潤滑不僅可以降低和控制軋制過程中的摩擦磨損，也可能引起或影響振動生成。

6、在一方面,軋輥表面不夠潤滑，會引起軋輥和軋件之間的粘滑條件發(fā)生變化，從而改變摩擦系數(shù),形成負阻尼反饋，引起軋機的自激扭轉振動。另一方面,如果軋輥表面過于潤滑，會引起軋輥間的打滑，軋制速度升高，則摩擦因數(shù)減小，也能導致軋機扭轉振動。通過對各種類型軋機傳動系統(tǒng)的扭轉振動研究發(fā)現(xiàn),由于軋輥打滑，上下軋輥力矩分配不均，從而引起軋機扭轉振動。 無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院2.高精高速軋機振動的因素高精高速軋機振動的因素2.2三倍頻振動頻率為系統(tǒng)的第二階固有頻率， 該階主振型的兩工作輥振動方向相反，但與支撐輥振動方向相同，它的形成主要有以下三方面原因：1）軋機系統(tǒng)結構引起的振動。一套軋機垂直系

7、統(tǒng)由上下工作輥、上下支撐輥、液壓系統(tǒng)、機座等等組成，在軋制過程中它是一個多運動體系統(tǒng),由于工作輥和支撐輥在實際系統(tǒng)會出現(xiàn)偏心現(xiàn)象,從垂直系統(tǒng)的角度來看，它可能會造成軋機垂直系統(tǒng)的振動。同樣液壓系統(tǒng)壓下控制系統(tǒng)的穩(wěn)定與否也決定了整個軋機系統(tǒng)的穩(wěn)定。 無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院2.高精高速軋機振動的因素高精高速軋機振動的因素2）軋制張力波動引起的振動。軋制張力是連軋或單機架生產(chǎn)過程中必須嚴格控制的重要工藝參數(shù)，它在生產(chǎn)中的變化會引起金屬流量平衡的失調(diào)，造成帶鋼張力的波動。3）摩擦和潤滑引起的振動。軋機系統(tǒng)中，上下工作輥的實際直徑必然存在細微差別，而兩輥通常由同一電機驅(qū)動，轉速相同，在

8、軋制一段時間后可能出現(xiàn)異步軋制現(xiàn)象。如果軋輥和軋件間潤滑情況良好，可以消除這種現(xiàn)象，如果軋制潤滑不良,便會引起軋機垂直系統(tǒng)的振動 。 無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院2.高精高速軋機振動的因素高精高速軋機振動的因素2.3五倍頻垂直振動頻率為系統(tǒng)的第四階固有頻率(該階主振型的兩工作輥振動方向相反，并與支撐輥的振動方向相反)， 它會引起上下支撐輥和帶材表面明暗相間的條紋，進而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。第五倍頻振動屬于軋輥的振動，其振動原因往往與支撐輥有關。引起五倍頻振動主要有軋輥結構或尺寸不合理、輥縫狀態(tài)不良等因素。1）軋輥結構或尺寸不合理引起的振動。軋輥作為軋機中的重要構件，一方面承受著巨大的軋制

9、力，另一方面由于自身的旋轉，其應力做周期性變化,還要承受交變的熱負荷。因此,結構有缺陷或尺寸不合理的軋輥不但影響產(chǎn)品質(zhì)量和設備壽命，還會影響軋制過程中的穩(wěn)定性。 無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院2.高精高速軋機振動的因素高精高速軋機振動的因素2）變形區(qū)潤滑不良引起的振動。當輥縫潤滑不良時會惡化軋輥和軋件的接觸狀態(tài)，出現(xiàn)570610 Hz顫振，帶鋼表面有明顯振紋。這種振動源于部分流體潤滑與粘滑兼存的輥縫界面,工作輥與軋件在軋制界面處于粘著與相對滑動并存的運動狀態(tài)，即粘滑運動。無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院3.軋機振動模型的研究軋機振動模型的研究3.1 主傳動系統(tǒng)簡化模型主傳動系

10、統(tǒng)簡化模型圖1所示的扭轉振動方程為：JCKM圖圖1 軋機主傳動系統(tǒng)簡化模型軋機主傳動系統(tǒng)簡化模型式中，J、C、K、M分別為軋機傳動系統(tǒng)的轉動慣量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣、力矩矩陣。無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院3.軋機振動模型的研究軋機振動模型的研究3.2 軋機垂直系統(tǒng)振動模型軋機垂直系統(tǒng)振動模型圖圖2 軋機垂直系統(tǒng)簡化模型軋機垂直系統(tǒng)簡化模型無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院3.軋機振動模型的研究軋機振動模型的研究111111varm yC yK yP 222222varm yC yK yP 3.2 軋機垂直系統(tǒng)振動模型軋機垂直系統(tǒng)振動模型 軋機簡化為二自由度垂直振動系統(tǒng)，如

11、圖2所示。(圖中M1M2是上下工作輥質(zhì)量；K1K2是上下工作輥剛度；C1C2是上下輥輥縫間阻尼；Y1Y2是上下工作輥垂直振動位移；PVAR是軋制壓力動態(tài)量) 無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院3.軋機振動模型的研究軋機振動模型的研究3.3 軋機主傳動系統(tǒng)機電耦合模型軋機主傳動系統(tǒng)機電耦合模型圖圖3 軋機傳動系統(tǒng)機電耦合模型軋機傳動系統(tǒng)機電耦合模型()emmmsmmrsmLkLLsLLrdiURiLC ndtJTTTTCTJTTT 無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院3.軋機振動模型的研究軋機振動模型的研究l3.4 軋機耦合系統(tǒng)振動模型軋機耦合系統(tǒng)振動模型l軋機系統(tǒng)耦合動態(tài)模型由軋制過

12、程動態(tài)模型、軋機系統(tǒng)結構模型與伺服液壓系統(tǒng)壓下動態(tài)模型組成 。圖圖4 單機架四輥軋機耦合動態(tài)模型框圖單機架四輥軋機耦合動態(tài)模型框圖無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院3.軋機振動模型的研究軋機振動模型的研究 定義單機架四輥軋機動態(tài)模型輸入輸出為： 12112(0000)()TvTchxvvh ry軋制過程模型的輸入輸出及傳遞函數(shù)矩陣如下：p121p12(000)(0000)TvcTyvhxhfvvx uy軋機系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)耦合模型的輸入輸出及傳遞函數(shù)矩陣如下：1200000000000TsyvTscfvvXh uy無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院3.軋機振動模型的研究軋機振動模型的

13、研究221243222 ()()()4()()()()2()4ptbipcmeptwbwbtpepmeAVb m scsksCKkEGAVm m smmcskssCKAcsk skE2243222()()()()()2()4pqptwbwbtpepmeA KcskGAVm m smmcskssCKA csk skE121( )()()spspsGMIGIG GG M無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院3.軋機振動模型的研究軋機振動模型的研究l3.5 考慮非線性因素影響條件下的軋機主傳動系統(tǒng)動力學考慮非線性因素影響條件下的軋機主傳動系統(tǒng)動力學模型模型無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院3

14、.軋機振動模型的研究軋機振動模型的研究11121221111433323212221212121212 10110010000()xxKCxxMJJJxxMdR PxKCcR PJJJMKK x 無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院4.軋機振動的分析與控制軋機振動的分析與控制l軋機振動控制的關鍵在振動信號的檢測與分析。軋制過程信號和系統(tǒng)參數(shù)中，含有振動信息的是：l軋制壓力、主機電流、主機速度、前后張力、軋件的厚度與板形、各控制回路的控制周期、輥縫、來料的厚度與硬度、主傳動的類型等。l如上信息的重要性由大到小遞減。無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院4.軋機振動的分析與控制軋機振動的分析

15、與控制0510152025050001000015000原始信號頻譜頻率/Hz幅值 軋機振動分析與控制的關鍵在于如何測試有關過程信號，分析確定振動的類型和原因，然后方可采用相對應控制策略。信號的頻譜分析是最為有效的測量分析工具。下圖是某1850單機架軋機的主機電流頻譜，在20Hz處存在扭振，1-2 Hz處存在軋輥偏心， 10Hz處存在開卷與卷取力矩100ms周期的補償控制。無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院4.軋機振動的分析與控制軋機振動的分析與控制l下圖是某2030軋機的主機電流頻譜，圖中除存在驅(qū)動電機電樞電流的150Hz、300Hz、600Hz、900Hz的諧波分量外，垂直和水平方向

16、的三倍頻振動、五倍頻振動信號都十分明顯。因此軋機振動現(xiàn)象是一種多方向的模態(tài)耦合振動。無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院4.軋機振動的分析與控制軋機振動的分析與控制l通過長期研究，對于高精度、高速度軋機的振動控制問題已獲得一些有效的方法，并且在解決生產(chǎn)實際中取得成果。當分析確定了振動類型后，可以采取相應的控制方法。l控制方法包括：工藝的、機械設備的、傳動系統(tǒng)的、控制系統(tǒng)的。無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院4.軋機振動的分析與控制軋機振動的分析與控制l工藝的：負荷分配，軋制壓力設定，張力設定，道次軋制速度設定等。l設備的：支撐輥、工作輥的配型，液壓APC系統(tǒng)的響應頻率，工藝潤滑程度等

17、。l傳動控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化。單回路參數(shù)優(yōu)化不能保證系統(tǒng)運行是優(yōu)化的。各種電抗器的合理使用對于部分振動控制問題是重要的。l控制系統(tǒng)解決振動問題是最重要的，它往往能起到投入少，解決問題快的作用。無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院4.軋機振動的分析與控制軋機振動的分析與控制l控制系統(tǒng)方法：l濾波法（滯后濾波法、陷波濾波法）。滯后濾波法是在控制系統(tǒng)的正向通道加一個慣性濾波環(huán)節(jié)，從而避免機電系統(tǒng)發(fā)生固有頻率共振，但是由于在正向通道加入了滯后環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的動態(tài)響應特性變差沿著濾波滯后的思路，構造陷波濾波器，將其放在反饋通道，這樣既可以消除振動，也不影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，但是它對于多個頻率以及變化的頻率引

18、起的機電振動則變得無能為力 。無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院4.軋機振動的分析與控制軋機振動的分析與控制l負荷觀測補償控制方法：l根據(jù)擾動不變性原理構造的負荷觀測器，可以計算負荷擾動變量，抵消外來的擾動，消除負荷擾動造成的速度波動，抑制機電振動，加強系統(tǒng)的魯棒性。 無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院4.軋機振動的分析與控制軋機振動的分析與控制l狀態(tài)觀測器反饋控制方法：l負荷擾動觀測器控制方法將軋機傳動系統(tǒng)簡化為剛性連接，不能解決共振和軋制擾動引起的扭振問題。采用狀態(tài)觀測器觀測軋機系統(tǒng)的狀態(tài)變量，以此對軋機傳動彈性動力學模型進行控制，可以達到很好的效果。 無為而治 和諧發(fā)展北京科技大學自動化學院4.軋機振動的分析與控制軋機振動的分析與控制l基于先進控制理論和智能控制理論的軋機振動控制方法：l隨著控制理論的發(fā)展及其在工程上的成熟應用，國內(nèi)外學者更多的開始關注用先進控制理論和智能控制理論來解決軋機振動問題。在軋機主傳動系統(tǒng)中，系統(tǒng)的精確模型往往難以得到，另外隨著系統(tǒng)工作條件的變化，被控對象的參數(shù)