高精高速軋制中的振動問題

1、無為而治 和諧發(fā)展2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)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(xué)自動化學(xué)院童朝南無為而治 和諧發(fā)展2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)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(jī)以軋制產(chǎn)品厚度分為板材、薄材、箔材軋機(jī)。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(jī)的寬度是以工作輥面寬度定義。寬板軋機(jī)的B=1200-2200mm。 無為而治 和諧發(fā)展2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)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

2、的振動現(xiàn)象l高速度是指軋制時軋機(jī)出口帶材的最高速度：l 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2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)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2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)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(jī)是多轉(zhuǎn)

3、動體的機(jī)械運動系統(tǒng)，由于機(jī)、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(shù)問題，同時也是個具有深度科學(xué)問題。無為而治 和諧發(fā)展2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)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(jī)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(jī)主傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動扭轉(zhuǎn)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(qiáng)時有與這些條紋相對應(yīng)的明顯厚度波動與板形缺陷。無為而治 和諧發(fā)展20

4、22-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院l軋機(jī)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)生明顯的厚差和板形缺陷，有時達(dá)30%以上，從而影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，甚至?xí)斐绍堉圃O(shè)備的損壞等；l軋機(jī)的機(jī)電液耦合振動機(jī)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2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院2.高精高速軋機(jī)振動的因素高精高速軋機(jī)振動的因素2.1 軋機(jī)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(jī)械、電氣、潤滑及軋制工藝

5、等不同的角度綜合考慮。1）機(jī)械設(shè)備缺陷引起的扭轉(zhuǎn)振動。由于機(jī)械設(shè)備的缺陷或電氣系統(tǒng)明顯的設(shè)計不當(dāng)或故障等原因造成的。 2）軋機(jī)的機(jī)械傳動環(huán)節(jié)存在間隙。在軋機(jī)加速運轉(zhuǎn)時，這些間隙是閉合的，但是軋機(jī)受到?jīng)_擊時，由于旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)放大系數(shù)影響十分強(qiáng)烈。無為而治 和諧發(fā)展2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院2.高精高速軋機(jī)振動的因素高精高速軋機(jī)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(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)在軋制過程中電機(jī)力矩的波動在高頻機(jī)械系統(tǒng)中反映是很微弱的，而在低頻機(jī)械系統(tǒng)中反映比較明顯。在后者的情況下，機(jī)械傳動系統(tǒng)的扭振波形幾乎與電

6、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。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(fù)阻尼反饋，引起軋機(jī)的自激扭轉(zhuǎn)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(dǎo)致軋機(jī)扭轉(zhuǎn)振動。通過對各種類型軋機(jī)傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)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(jī)扭轉(zhuǎn)振動。 無為而治 和諧發(fā)展2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院2.高精高速軋機(jī)振動的因素高精高速軋機(jī)振動的

7、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(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)引起的振動。一套軋機(jī)垂直系統(tǒng)由上下工作輥、上下支撐輥、液壓系統(tǒng)、機(jī)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(jī)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(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定。 無為而治 和諧發(fā)展2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院2.高精高速軋機(jī)振動的因素高精高速軋機(jī)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(jī)架生產(chǎn)過程中必須嚴(yán)

8、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(jī)系統(tǒng)中，上下工作輥的實際直徑必然存在細(xì)微差別，而兩輥通常由同一電機(jī)驅(qū)動，轉(zhuǎn)速相同，在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(jī)垂直系統(tǒng)的振動 。 無為而治 和諧發(fā)展2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院2.高精高速軋機(jī)振動的因素高精高速軋機(jī)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(jìn)而影

9、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(guān)。引起五倍頻振動主要有軋輥結(jié)構(gòu)或尺寸不合理、輥縫狀態(tài)不良等因素。1）軋輥結(jié)構(gòu)或尺寸不合理引起的振動。軋輥作為軋機(jī)中的重要構(gòu)件，一方面承受著巨大的軋制力，另一方面由于自身的旋轉(zhuǎn)，其應(yīng)力做周期性變化,還要承受交變的熱負(fù)荷。因此,結(jié)構(gòu)有缺陷或尺寸不合理的軋輥不但影響產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)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2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院2.高精高速軋機(jī)振動的因素高精高速軋機(jī)振動的因素2）變形區(qū)潤滑不良引起的振動。當(dāng)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

10、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2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院3.軋機(jī)振動模型的研究軋機(jī)振動模型的研究3.1 主傳動系統(tǒng)簡化模型主傳動系統(tǒng)簡化模型圖1所示的扭轉(zhuǎn)振動方程為：JCKM圖圖1 軋機(jī)主傳動系統(tǒng)簡化模型軋機(jī)主傳動系統(tǒng)簡化模型式中，J、C、K、M分別為軋機(jī)傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)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2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院3.軋機(jī)振動模型的研究軋機(jī)振動模型的研究3.2 軋機(jī)垂直系統(tǒng)振動模型軋機(jī)垂直系統(tǒng)振動模型圖圖2 軋機(jī)垂直系統(tǒng)簡

11、化模型軋機(jī)垂直系統(tǒng)簡化模型無為而治 和諧發(fā)展2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院3.軋機(jī)振動模型的研究軋機(jī)振動模型的研究111111varm yC yK yP 222222varm yC yK yP 3.2 軋機(jī)垂直系統(tǒng)振動模型軋機(jī)垂直系統(tǒng)振動模型 軋機(jī)簡化為二自由度垂直振動系統(tǒng)，如圖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2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院3.軋機(jī)振動模型的研究軋機(jī)振動模型的研究3.3 軋機(jī)主傳動系統(tǒng)機(jī)電耦合模型軋機(jī)主傳動系統(tǒng)機(jī)電耦合

12、模型圖圖3 軋機(jī)傳動系統(tǒng)機(jī)電耦合模型軋機(jī)傳動系統(tǒng)機(jī)電耦合模型()emmmsmmrsmLkLLsLLrdiURiLC ndtJTTTTCTJTTT 無為而治 和諧發(fā)展2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院3.軋機(jī)振動模型的研究軋機(jī)振動模型的研究l3.4 軋機(jī)耦合系統(tǒng)振動模型軋機(jī)耦合系統(tǒng)振動模型l軋機(jī)系統(tǒng)耦合動態(tài)模型由軋制過程動態(tài)模型、軋機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型與伺服液壓系統(tǒng)壓下動態(tài)模型組成 。圖圖4 單機(jī)架四輥軋機(jī)耦合動態(tài)模型框圖單機(jī)架四輥軋機(jī)耦合動態(tài)模型框圖無為而治 和諧發(fā)展2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院3.軋機(jī)振動模型的研究軋機(jī)振動模型的研究 定義單機(jī)架四輥軋機(jī)動態(tài)模型輸入輸出為： 121

13、12(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(jī)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2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院3.軋機(jī)振動模型的研究軋機(jī)振動模型的研究221243222 ()()()4()()()()2()4ptbipcmeptwbwbtpepmeAVb m scsksCKkEGAVm m smmcskssCKAcsk skE2243222()()()()()2()4pqptwbwb

14、tpepmeA KcskGAVm m smmcskssCKA csk skE121( )()()spspsGMIGIG GG M無為而治 和諧發(fā)展2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院3.軋機(jī)振動模型的研究軋機(jī)振動模型的研究l3.5 考慮非線性因素影響條件下的軋機(jī)主傳動系統(tǒng)動力學(xué)考慮非線性因素影響條件下的軋機(jī)主傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型模型無為而治 和諧發(fā)展2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院3.軋機(jī)振動模型的研究軋機(jī)振動模型的研究11121221111433323212221212121212 10110010000()xxKCxxMJJJxxMdR PxKCcR PJJJMKK x 無為而治

15、 和諧發(fā)展2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院4.軋機(jī)振動的分析與控制軋機(jī)振動的分析與控制l軋機(jī)振動控制的關(guān)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(jī)電流、主機(jī)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2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院4.軋機(jī)振動的分析與控制軋機(jī)振動的分析與控制0510152025050001000015000原始信號頻譜頻率/Hz幅值 軋機(jī)振動分析與控制的關(guān)鍵在于如何測試有關(guān)過程信號，分析確定振動的類型和原因，然后方可

16、采用相對應(yīng)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(jī)架軋機(jī)的主機(jī)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(bǔ)償控制。無為而治 和諧發(fā)展2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院4.軋機(jī)振動的分析與控制軋機(jī)振動的分析與控制l下圖是某2030軋機(jī)的主機(jī)電流頻譜，圖中除存在驅(qū)動電機(jī)電樞電流的150Hz、300Hz、600Hz、900Hz的諧波分量外，垂直和水平方向的三倍頻振動、五倍頻振動信號都十分明顯。因此軋機(jī)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2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院4.軋機(jī)

17、振動的分析與控制軋機(jī)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(jī)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(dāng)分析確定了振動類型后，可以采取相應(yīng)的控制方法。l控制方法包括：工藝的、機(jī)械設(shè)備的、傳動系統(tǒng)的、控制系統(tǒng)的。無為而治 和諧發(fā)展2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院4.軋機(jī)振動的分析與控制軋機(jī)振動的分析與控制l工藝的：負(fù)荷分配，軋制壓力設(shè)定，張力設(shè)定，道次軋制速度設(shè)定等。l設(shè)備的：支撐輥、工作輥的配型，液壓APC系統(tǒng)的響應(yīng)頻率，工藝潤滑程度等。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

18、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2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院4.軋機(jī)振動的分析與控制軋機(jī)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(jī)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(yīng)特性變差沿著濾波滯后的思路，構(gòu)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起的機(jī)電振動則變得無能為力 。無為而治 和諧發(fā)展2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院4.軋機(jī)振動的分析與控制軋機(jī)振動的分析與控制l負(fù)荷觀測補(bǔ)償控制方法：l根據(jù)擾動不變性原理構(gòu)造的負(fù)荷觀測器，可以計算負(fù)荷擾動變量，抵消外來的擾動，消除負(fù)荷擾動造成的速度波動，抑制機(jī)電振動，加強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。 無為而治 和諧發(fā)展2022-4-26北京科技大學(xué)自動化學(xué)院4.軋機(jī)振動