CSP轧机振动问题研究

蒋凤群

【摘 要】CSP轧机具有4种振动形式，它们分别是轧制界面自激振动引起的固有频率振动、驱动端引起的强迫振动、齿轮座啮合引起的强迫振动、辊面振纹引起的振纹振动。CSP轧机存在振动问题，不仅影响了轧件质量，阻碍新产品的开发，而且给设备的安全生产造成隐患。解决CSP轧机振动问题的意义重大。

【关键词】CSP轧机；振动管理；振源分析

1.轧机现场测试

某CSP热连轧生产线由7架精轧机组成，将70mm左右厚度的连铸板坯轧制成12.7～0.8mm的板材，其中F1、F2为高铬钢工作辊，直径为950～820mm，F3、F4为高铬铸铁工作辊，直径为750～660mm。采用厚规格烫辊制度，辊役周期内先轧制较厚的3.5mm钢板，然后轧制厚度为3.0，2.7和2.5mm的过渡钢板，最后轧制厚度为2mm、1.6mm、1.5mm、1.3mm、1.2mm的薄规格钢板。长期的跟踪监测发现，轧机振动与轧件厚度有关，轧制厚度小于2mm的集装箱板时，轧机开始振动。轧机振动还与轧制历程有关，随着轧制薄规格钢板吨位的增加，轧机振动加剧。其中，F2和F3振动最为剧烈，且轧机出口的轧件表面有振纹，轧辊表面也经常有振纹出现。为了掌握轧机的振动规律，进行了现场测试。

1.1测试方法

现场应用16通道CRAS分别采集F2和F3的多点振动信号。预测试的结果表明轧机为低频振动，振动频率主要集中在200Hz以下，故采样频率定为512Hz。为了降低轧制历程对测试结果的影响，测试的辊役周期内加入了2次厚度回调过程，即有3次3.5mm～1.2mm的轧制过程。连轧过程中，前架轧机振动在轧件表面留下的振纹会因后架轧机的轧制而碾没，所以，采取急停轧制的方法令轧制过程强行中断，从而能够采集机架出口侧轧件表面的振纹。

1.2轧机振动测试

测试发现，主传动系统的扭振信号包含了轧制力波动以及其他测点的加速度信号的优势频率成分，故以扭振信号作重点分析。为了减小轧制吨位的影响，仅统计前两次厚度回调的轧制过程，以扭振信号标准差表征其振动强度。F3与F2振动情况非常相似，总结它们的振动特征如下：（1）振动信号点集具有较强的线性关系，与转频的倍数关系稳定。（2）振动形式对轧件厚度最为敏感，轧制薄规格轧件时的轧机振动强度明显增强。（3）工作辊轴承座可表现出与扭振相同的振动频率成分。（4）支撑辊轴承座、机架、齿轮座、减速机的振动频率，以及轧制力波动频率也有上面描述的特点，但振幅相对于工作辊轴承座的振动要小很多，且出现多种振动形式的耦合振动。

1.3轧件表面的振纹测试

轧制薄规格集装箱板时，轧件上下表面会出现与轧辊轴平行、间距相等、钢板通宽的明暗相间横向振纹，工作辊上亦偶见有振纹出现。在现场测试中，急停轧制采集到了F2和F3机架出口侧轧件表面振纹，F2出口侧轧件表面振纹间距为104.7mm，F3出口侧振纹间距为52.5mm。

2.轧机振动振源分析

轧机振动被分成4类振动形式，结合轧机固有特性及潜在致振频率分析这4类振动形式。

第1类振动形式P2n和P3n中的振动频率与轧辊转频无关，F2的频率为18.97Hz，F3的频率为19.52Hz。该频率与轧机的一阶扭振固有频率21Hz十分接近，可确定此类形式是固有频率振动，动力学模型中刚度偏大造成了理论计算值与实际测试值存在一定的差异。系统中并无此频率成分的激励源存在，且在轧制薄规格时，此频率成分表现出较强的扭振和轴承座振动耦合振动。由于轧制薄规格轧件时，轧制速度、轧制力等轧制参数和条件的变化而致使轧制界面上的负阻尼效应的作用加强，在轧制界面上发生自激振动。自激振动结果就是轧机主传动系统以一阶扭振固有频率振动，且轧辊水平振动在轧制界面上与扭振耦合。负阻尼引起的自激振动可通过改进轧制界面上的轧制润滑状态，以及轧辊材质、轧辊表面摩擦特性等手段予以改善或避免。

第2类振动形式中，F2和F3分别出现39.48f2n和24.94f3n基频成分，以及此基頻的×2，×3，…倍频成分振动。轧制厚度的变化对此振动形式的振动强度影响不大，不是轧机振动严重的原因。由此可基本肯定，F2和F3的第2类振动形式具有形同的振源，位于轧机的驱动端，此类振动对轧机的影响不大。

第3类振动形式的基频与轧机齿轮座轮齿啮合频率（简称齿轮座啮合频率）23倍转频几乎相等，且2倍频也是46左右，所以，该振动类型为齿轮座啮合引起的轧机系统强迫振动。以F3为例分析此类振动的幅值和响应特性。齿轮座啮合频率基频成分集中于22～25Hz之间，由其振动幅值谱峰值与振动频率的关系可以看出，幅值谱峰值随振动频率的增加而减小。由此可知，在齿轮座啮合基频频率激励下，轧机系统的响应随着激励频率远离固有频率21Hz而减小。此类振动为典型的强迫振动。因客观条件限制，通过改变轧机结构来改变其固有频率以避开啮合频率是十分困难的，而降低齿轮座的啮合冲击水平相对容易，这就应保证零件的加工精度，以及轴对安装时的精度，并且定期检查齿侧间隙，从而减小齿轮误差激励和啮合冲击激励的作用。

在第4类振动形式P2M和P3M中，F2和F3振动频率分别为各自轧辊转频的25.3倍和42.4倍。现场测试得到的F2和F3出口侧轧件表面振纹间距分别为104.7mm和52.5mm。可以肯定第4类振动形式P2M和P3M与振纹有关。分析发现，振纹振动频率成分的幅值大小随着轧辊的转动而周期性变化，且随着轧制吨位的增加而增强，这两个规律在F2机架表现的尤为明显。随着轧制吨位的增加，转动周期内振纹振动所占比例有增加的趋势，振纹振动幅值谱峰值亦增加明显，这是由于轧制过程中工作辊辊面振纹不断扩展和加深造成的。因为轧辊辊面振纹随轧制吨位增加而加深，恶化了轧制界面；恶化的轧制界面又引起更加剧烈的振动，进而进一步使辊面振纹加深，形成“振纹-振动”互相影响并彼此加强的正反馈过程，这也是振纹振动成分对轧机振动强度影响最为严重的原因。抑制振纹振动的措施主要是通过改变轧制界面的接触和润滑条件来加以解决。

通过以上分析和研究，找出了CSP轧机振动的原因：轧制界面自激振动和辊面振纹引起的振纹振动是轧机振动的振源，尤其是后者，使轧机振动随轧制吨位的增加而加剧。通过对比试验发现，使用高速钢轧辊来代替高铬铸铁轧辊可以起到很好的抑制效果，消除了轧件和辊面振纹，且使振动水平大大降低，在轧制2mm集装箱板时振动幅值降低了80%，文献给出了具体的对比试验数据。

3.结论

CSP轧机振动最为严重的F2和F3机架具有类似的振动规律，相同的致振原因。CSP轧机有4种振动类型，分别是驱动端引起的振动、齿轮座啮合频率振动、扭振固有频率振动和振纹振动。后两种振动类型在轧机振动严重时表现的最为明显。轧制界面自激振动和辊面恶化是轧机振动的主要原因，由此引起了轧机扭振、水平振动、垂振等多种振动形式的耦合振动，致使轧机在轧制薄规格钢板时出现剧烈的振动，且振动强度随轧制吨位增加而增强。高速钢轧辊可起到很好的抑制CSP轧机振动的效果。 [科]

【参考文献】

[1]范小彬，臧勇，王永涛，廖一凡，黄志坚.CSP轧机界面摩擦特性及轧机振动试验研究[J].润滑与密封，2006（10）.

[2]杨俊，吴迪平，秦勤，臧勇.CSP热连轧机振动性质的确定[J].冶金设备，2006（01）.