宋龍朝,李 鑫,張永國,趙日銀
(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司冷軋作業(yè)部,河北唐山 063200)
鍍鋅線生產(chǎn)中,光整機起到壓平帶鋼作用,能夠使鋅層更好的粘附到帶鋼上,且可以改善帶鋼表面質量。西門子奧鋼聯(lián)冷軋2230 鍍鋅光整機出現(xiàn)振紋缺陷,本文根據(jù)模態(tài)分析的理論方法,找出振紋產(chǎn)生的原因。
經(jīng)光整機軋制后,帶鋼表面產(chǎn)生明暗相間的條紋,條紋方向與帶鋼運動方向垂直。帶鋼表面振紋有以下特性。
(1)振紋間距基本固定,平均間距大概為10~20 mm;
(2)穩(wěn)態(tài)軋制時軋制速度基本在125 m/min 左右;
(3)帶鋼出軋機后,通過肉眼觀察很難直接看到振紋,需通過油石打磨后才能隱約看到明暗相間的振紋(圖1)。
實際振紋頻率滿足以下關系式:f=(1000/60)(v/λ),其中,f 為振痕頻率,Hz;v 為光整速度,m/min;λ 為振痕間距,mm。本次測試軋制速度基本穩(wěn)定在125 m/min,實測振紋間距近似為15~20 mm,可以計算計算得到引起振紋的振源每秒鐘振動的次數(shù)(振動頻率)為125×1000/60/(15~20)≈104~138 Hz。
為進一步確認引起工作輥、支撐輥與防皺輥振動的原因,對3 個輥子的固有頻率進行分析計算。將上支撐輥及其軸承座視為單個質量m,上方的壓下螺桿往下壓,下方相當于軋輥之間彈性接觸的3 根彈簧串聯(lián)起來向上壓,簡化模型如圖2所示。即把支撐輥的振動簡化為單自由度的彈簧——質量系統(tǒng)。
對于這樣的系統(tǒng),其自由振動微分方程是:
這種振動的固有頻率為:
圖2 支撐輥的振動簡化系統(tǒng)
因此,對于簡化的支撐輥單自由度彈簧——質量系統(tǒng),可用等效剛度K 來計算固有頻率,其等效剛度K 為:
式中 K2——壓下系統(tǒng)剛度
K3——上支撐輥與上工作輥間接觸剛度
K4——上、下支撐輥間接觸剛度
K5——下工作輥與下支撐輥間接觸剛度
K2~K5直接通過計算比較麻煩,對于一般四輥軋機,考慮其尺寸比例,可以進行簡化計算,設支撐輥輥徑為D0,則帶入式(2)可以得到
同理,也可以將工作輥假設為單自由度的彈簧——質量系統(tǒng)。由于一般工作輥垂直振動頻率較高,可以認為支撐輥在其位置上是相對穩(wěn)定,因此工作輥構成系統(tǒng)的質量。支撐輥與工作輥的固有頻率見表1。由于上下輥相同,可用其中一個來建模,如圖3 所示。設工作輥輥徑為,應用類似支撐輥的求解辦法可以得到工作輥的固有頻率為
對于防皺輥,其固有頻率計算可以看做是一個兩端簡支的軸,其固有頻率可以根據(jù)下式計算
式中 k——防皺輥剛度
f——固有頻率
D——防皺輥等效直徑
l——防皺輥兩簡支點距離
m——防皺輥質量
防皺輥結構為芯軸加套筒結構,對于套筒部分,其簡支點為套筒與芯軸之間軸承寬度的中點,根據(jù)圖紙可知近似長度為2100 mm。套筒的外徑與內徑近似為300 mm 與240 mm,其等效直徑為263 mm(根據(jù)慣性矩計算公式可得),套筒質量為493 kg,將其代入式(6)可得防皺輥套筒的固定頻率為114 Hz。
如果將套筒與芯軸綜合考慮,其簡支點為長度為2400 mm,總重量為734 kg,其等效直徑為264 mm,將其代入式(6)可得防皺輥整體的固定頻率為77 Hz。
圖3 工作輥的振動簡化系統(tǒng)
表1 支撐輥與工作輥的固有頻率
通過上述計算可知,工作輥與支撐輥的固有頻率遠大于與振紋間距相對應的頻率范圍100~140 Hz,防皺輥套筒的固有頻率剛好處于100~140 Hz。為改變其固有頻率,可以適當改變其結構(如減輕其重量等)。
根據(jù)模態(tài)分析原理和方法,可以初步判斷引起光整機振紋產(chǎn)生的原因,為問題解決提供理論依據(jù)。