1 前言

冷連軋薄帶鋼作為鋼鐵企業(yè)的高附加值產(chǎn)品，其質(zhì)量直接關(guān)系到汽車(chē)制造、家電生產(chǎn)和機(jī)械加工等下游行業(yè)的產(chǎn)品性能。閆曉強(qiáng)等^[1]基于CSP軋機(jī)現(xiàn)場(chǎng)軋機(jī)振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)，利用ANSYS模態(tài)與諧響應(yīng)分析工具求解，發(fā)現(xiàn)軋制過(guò)程中存在頻率為42.75Hz的垂扭耦合振動(dòng)頻率。何兆奇等^[2]建立基于混合摩擦模型的軋機(jī)垂扭耦合振動(dòng)模型，研究混合摩擦系數(shù)的變化對(duì)垂扭耦合振動(dòng)特性的影響，揭示了主傳動(dòng)系統(tǒng)扭振對(duì)垂振的耦合作用機(jī)制。孫恒等^[3]基于振動(dòng)理論建立了六輥軋機(jī)垂扭耦合動(dòng)力學(xué)模型。研究發(fā)現(xiàn)垂扭耦合振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致固有頻率變化。通過(guò)耦合前后垂振位移與扭轉(zhuǎn)角的振動(dòng)幅值均值對(duì)比，分析表明垂振與扭振之間會(huì)相互影響。魏志恒等^[4]建立軋機(jī)垂扭耦合振動(dòng)模型。結(jié)合ADAMS動(dòng)態(tài)仿真分析不同激勵(lì)下的響應(yīng)特性。研究發(fā)現(xiàn)工作輥區(qū)域存在顯著的垂扭耦合振動(dòng)，且垂振分量對(duì)扭振響應(yīng)具有主導(dǎo)作用。劉文彥等^[5]通過(guò)對(duì)2180型六輥冷軋機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，工作輥的異常振動(dòng)通過(guò)傳動(dòng)軸可傳遞至主傳動(dòng)系統(tǒng)中導(dǎo)致齒輪箱等部件故障?；趯?shí)測(cè)參數(shù)建立的耦合振動(dòng)模型顯示，萬(wàn)向接軸不能有效阻斷振動(dòng)傳遞路徑，驗(yàn)證了垂扭耦合振動(dòng)的真實(shí)性。萬(wàn)向接軸作為軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件，其動(dòng)力學(xué)特性會(huì)影響軋機(jī)系統(tǒng)的整體響應(yīng)。因接軸夾角存在產(chǎn)生的附加動(dòng)態(tài)彎矩會(huì)對(duì)軋機(jī)垂扭耦合振動(dòng)造成影響。侯東曉等^[6]建立萬(wàn)向接軸夾角影響下軋機(jī)垂扭耦合振動(dòng)模型，運(yùn)用奇異性理論分析系統(tǒng)分岔特性。在冷連軋機(jī)振動(dòng)特性研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已取得一定成果，尤其是外激勵(lì)擾動(dòng)與軋制參數(shù)波動(dòng)對(duì)軋機(jī)系統(tǒng)垂直振動(dòng)或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響研究較多，而對(duì)冷連軋機(jī)垂振誘發(fā)扭振機(jī)制的研究甚少。

本文試圖探究垂振誘發(fā)扭振的機(jī)制。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)

2.1在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

采用振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)1450mm冷連軋機(jī)進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)如圖1所示。

    

(a)扭矩遙測(cè)裝置                          (b)振動(dòng)傳感器                         (c)顯示界面

圖1 信號(hào)監(jiān)測(cè)示意圖

利用信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)冷連軋機(jī)監(jiān)測(cè)到的信號(hào)如圖2和圖3所示。

圖2 牌坊垂振信號(hào)

圖3 電機(jī)軸扭振信號(hào)

（去掉直流分量）

從圖2垂振信號(hào)中可以看出振動(dòng)頻率為112Hz,從圖3扭振信號(hào)中可以看出也出現(xiàn)了112Hz的垂振信號(hào)的頻率成分，說(shuō)明產(chǎn)生了垂扭耦合振動(dòng)，為解釋這一現(xiàn)象，需要進(jìn)行深入的理論分析。

3.有限元法垂振誘發(fā)扭振研究

3.1輥縫垂直激勵(lì)下電機(jī)軸扭振響應(yīng)研究

利用機(jī)械圖紙建立了軋機(jī)實(shí)體模型，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)定、約束施加等獲得有限元模型。然后在工作輥輥縫間施加輥縫激勵(lì)，求解電機(jī)輸出軸處的力矩響應(yīng)。軋機(jī)輥縫處激勵(lì)設(shè)置為：

利用有限元諧響應(yīng)模塊求解軋機(jī)電機(jī)軸振動(dòng)頻率如圖4所示。

圖4 輥縫激勵(lì)下電機(jī)輸出軸處力矩響應(yīng)

圖中看出在傳動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)輸出軸處的力矩響應(yīng)較大的頻率為111.2Hz附近，說(shuō)明垂振可以誘發(fā)扭振。

3.2液壓缸垂直激勵(lì)下電機(jī)軸扭振響應(yīng)研究

垂直系統(tǒng)中的液壓壓上系統(tǒng)也有可能成為激勵(lì)源，求解電機(jī)輸出軸處的力矩響應(yīng)。軋機(jī)液壓缸活塞與液壓缸體間的激勵(lì)設(shè)置為：

經(jīng)過(guò)諧響應(yīng)仿真，軋機(jī)電機(jī)軸扭振如圖5所示。

圖5 液壓缸激勵(lì)下電機(jī)輸出軸處力矩響應(yīng)

由圖5可知，在傳動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)輸出軸處的力矩響應(yīng)較大的共振頻率為107.7Hz附近，也說(shuō)明垂振可以誘發(fā)扭振。

4.微分方程法扭振誘發(fā)垂振研究

建立冷連軋機(jī)垂直-扭轉(zhuǎn)耦合系統(tǒng)模型，如圖6所示。

圖6 冷連軋制垂扭耦合振動(dòng)模型

建立振動(dòng)微分方程如下：

利用Simulink仿真軟件來(lái)驗(yàn)證冷連軋機(jī)垂扭耦合振動(dòng)，如圖7所示。

圖7 S5軋機(jī)垂扭耦合Simulink仿真模型

在Simulink模型中工作輥處施加動(dòng)態(tài)軋制力，觀察主傳動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)輸出軸處的響應(yīng)特性如圖8所示。

圖8 電機(jī)輸出軸處扭矩響應(yīng)時(shí)域和頻域圖

由圖8可知，在工作輥處施加動(dòng)態(tài)軋制力波動(dòng)，可以在主傳動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)輸出軸處的扭矩響應(yīng)信號(hào)中發(fā)現(xiàn)112Hz的共振頻率，說(shuō)明冷連軋機(jī)垂振可以誘發(fā)主傳動(dòng)系統(tǒng)扭振。

5.摩擦系數(shù)對(duì)扭振影響研究

下面對(duì)摩擦系數(shù)分別取0.035、0.04、0.045和0.05時(shí)電機(jī)輸出軸處扭矩響應(yīng)進(jìn)行仿真研究，結(jié)果如圖9所示。

(a)摩擦系數(shù)0.035下電機(jī)輸出軸處時(shí)域和頻域圖

(b)摩擦系數(shù)0.04下電機(jī)輸出軸處時(shí)域和頻域圖

(c)摩擦系數(shù)0.045下電機(jī)輸出軸處時(shí)域和頻域圖

(d)摩擦系數(shù)0.05下電機(jī)輸出軸處時(shí)域和頻域圖

圖9 不同摩擦系數(shù)下電機(jī)輸出軸處扭矩響應(yīng)

摩擦系數(shù)與電機(jī)輸出軸處扭矩響應(yīng)的關(guān)系如圖10所示。隨著摩擦系數(shù)增加，扭矩波動(dòng)減小。

圖12 扭矩波動(dòng)與摩擦系數(shù)關(guān)系圖

6.結(jié)論

對(duì)軋機(jī)垂振誘發(fā)扭振進(jìn)行研究。仿真結(jié)果表明，在輥縫垂振激勵(lì)和液壓缸垂振激勵(lì)下，主傳動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)輸出軸處出現(xiàn)與垂振激勵(lì)頻率一致的頻率，說(shuō)明垂振可以誘發(fā)扭振。

分析摩擦系數(shù)變化對(duì)垂振誘發(fā)扭振響應(yīng)的影響，適當(dāng)降低乳化液濃度可合理增大摩擦系數(shù)來(lái)抑制軋機(jī)振動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

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