介紹
粗軋機主傳動系統在生產過程中的扭振導致設備各構件的承載及運動規律發生變化。軋鋼時咬入軋件、拋出軋件、間隙衝擊、打滑、共振等,都會使傳動系統引起相當大的尖峰力矩,扭矩放大係數( TAF)可達5～6 甚至更大。過大的TAF 不僅對設備運行產生危害,就現代軋制而言,對生產工藝及產品質量也會產生不利影響。因此,在現代軋機設計和生產中都應對軋機的主傳動系統進行動態分析。由於磨損和頻繁換輥的緣故,粗軋機軋輥與主傳動動力側之間的周向間隙會不斷增大,該間隙引起咬鋼衝擊,導致主傳動較大幅度的扭振,成為零件疲勞失效的主要原因之一 。
參數
1、軋輥直徑：100～500mm；輥面長度90～600mm；
2、軋輥材質：軋輥鋼、Cr12MoV；
3、進料厚度或絲徑：≤20mm；成品厚度：0.1～1mm；
4、軋制速度：0～20～50～100m/min；
5、電機總功率：4～500KW；
6、軋帶厚度精度：縱向≤±0.005～±3%帶厚；橫向≤±0.003mm～±1%帶厚；側向彎曲度（對窄帶而言）≤3mm/M；；
7、卷取電機功率0.2～300KW，收窄帶時排線節距0.5～20mm。
模型
粗軋機主傳動系統通常可簡化為上軸分支和下軸分支兩個直串式多質量系統。對於由n 個質量單元組成的單支直串式多質量系統。
影響
理論和實踐都表明:當咬鋼瞬間板坯速度v0 大於軋輥圓周線速度的水平分量時,板坯撞擊軋輥後使軋輥加速轉動,軋輥與系統動力側之間的接軸間隙將打開,主傳動系統的扭振成為非線性振動。在咬鋼過程中, 若間隙常閉, 則對系統回響影響不大;若間隙打開,則將引起較大衝擊回響,導致扭振振幅增大,對軋機產生不利影響。考慮軋輥與系統動力側之間的接軸間隙時,咬鋼過程可分以下3個階段:
第1 階段:板坯以速度v0 撞擊軋輥,使軋輥增速,間隙首次打開,系統分開而成為軋輥和動力側子系統2 個獨立部分。
第2 階段:板坯與軋輥同步後,此時電機力矩尚未及時建立,板坯依靠慣性咬鋼而減速。此時接觸面的滑動變為貼住,動摩擦變為靜摩擦,方向也發生了變化。間隙先是繼續打開而後逐漸減小,最終子系統追上軋輥重新建立聯繫,間隙閉合,引起系統衝擊回響。
第3 階段:間隙閉合激起的系統扭振導致各軸段產生不同步的角位移,當間隙兩側的軸段轉角φi <φi + 1 時,間隙會再度打開。此後由於軋制力矩的作用使軋輥減速,系統追上軋輥後間隙再次閉合,如此反覆,直到咬鋼結束後系統軋制力矩和電機力矩完全建立,間隙通常不再打開,按照無間隙工況的常規方法分析後繼時段的系統扭振回響。
數值仿真
忽略咬鋼第1 階段中系統因與軋輥分開產生的自由振動,以時間t1 + t2 為起點,取咬鋼第3 階段為扭振回響的仿真時段。此時,除軋輥的角速度Ω0 減小為Ω2 外,其餘初始條件均不變。根據以上分析,設間隙位於質量單元n - 1 和n 之間,採用四階龍格2庫塔法建立粗軋機主傳動扭振仿真模型。通過R2K 模組在系統或動力側子系統的模態空間中執行四階龍格2庫塔程式,從而實現微分方程組的數值求解,輸出扭振回響參數。當間隙閉合時,運行系統R2K 模組;當間隙開啟時,運行子系統R2K 模組。
實例分析
寶鋼2050 軋機R2 主傳動系統主軸與軋輥之間採用滑塊式接軸,上下軸系各單元轉動慣量和各軸段扭轉剛度。對R2 主傳動系統的上下軸系扭振頻率、主振型以及主軸咬鋼TAF 分別進行數值仿真,得到系統各階固有頻率。不考慮主軸與軋輥之間的接軸間隙時,設上下軸系初始角速度為4 rad/ s ,初始角位移為0 。激勵函式的斜坡時間為0. 05 s ,穩態軋制力矩為2 000 kN ·m。
考慮間隙因素時,上下軸系主軸TAF 都有所增大,分別從1. 57 增大到1.64 ,從1. 45 增大到1. 68 。為驗證方法的合理性,分別對4 ,8 ,22 ,26 ,31 和45 號工況進行了仿真,現場數據基本介於不考慮間隙和考慮間隙的兩個計算結果之間,且多數偏向考慮間隙的計算結果一側,說明分析比較合理 。
總結
基於龍格2庫塔方法建立了粗軋機主傳動扭振仿真模型,分析和仿真結果表明:按無間隙工況計算時,粗軋機主傳動上下軸系均存在回響曲線穿越零線的情況,具備咬鋼過程中間隙打開的條件。考慮間隙因素時,分析結果與無間隙工況計算值相比,上下軸系的主軸咬鋼TAF 都有所增大,其中下軸系增大較明顯。咬鋼TAF 的現場實測數據基本介於不考慮間隙和考慮間隙的兩個計算結果之間,且偏向考慮間隙的計算結果一側。現場數據沒有與考慮間隙的計算結果完全吻合的原因很多,其中一個主要原因是忽略了系統回響對系統阻尼特別是間隙段結構阻尼的敏感度。此外,電磁振盪以及上下軸系的載荷相關性也會對實際回響產生較大影響 。
