1 前言

冷连轧薄带钢作为钢铁企业的高附加值产品，其质量直接关系到汽车制造、家电生产和机械加工等下游行业的产品性能。闫晓强等^[1]基于CSP轧机现场轧机振动测试数据，利用ANSYS模态与谐响应分析工具求解，发现轧制过程中存在频率为42.75Hz的垂扭耦合振动频率。何兆奇等^[2]建立基于混合摩擦模型的轧机垂扭耦合振动模型，研究混合摩擦系数的变化对垂扭耦合振动特性的影响，揭示了主传动系统扭振对垂振的耦合作用机制。孙恒等^[3]基于振动理论建立了六辊轧机垂扭耦合动力学模型。研究发现垂扭耦合振动会导致固有频率变化。通过耦合前后垂振位移与扭转角的振动幅值均值对比，分析表明垂振与扭振之间会相互影响。魏志恒等^[4]建立轧机垂扭耦合振动模型。结合ADAMS动态仿真分析不同激励下的响应特性。研究发现工作辊区域存在显著的垂扭耦合振动，且垂振分量对扭振响应具有主导作用。刘文彦等^[5]通过对2180型六辊冷轧机现场测试发现，工作辊的异常振动通过传动轴可传递至主传动系统中导致齿轮箱等部件故障。基于实测参数建立的耦合振动模型显示，万向接轴不能有效阻断振动传递路径，验证了垂扭耦合振动的真实性。万向接轴作为轧机主传动系统关键零部件，其动力学特性会影响轧机系统的整体响应。因接轴夹角存在产生的附加动态弯矩会对轧机垂扭耦合振动造成影响。侯东晓等^[6]建立万向接轴夹角影响下轧机垂扭耦合振动模型，运用奇异性理论分析系统分岔特性。在冷连轧机振动特性研究领域，国内外学者已取得一定成果，尤其是外激励扰动与轧制参数波动对轧机系统垂直振动或扭转振动的影响研究较多，而对冷连轧机垂振诱发扭振机制的研究甚少。

本文试图探究垂振诱发扭振的机制。

2 监测系统及现场信号

2.1在线监测系统

采用振动在线监测系统对1450mm冷连轧机进行振动信号监测如图1所示。

    

(a)扭矩遥测装置                          (b)振动传感器                         (c)显示界面

图1 信号监测示意图

利用信号监测系统对冷连轧机监测到的信号如图2和图3所示。

图2 牌坊垂振信号

图3 电机轴扭振信号

（去掉直流分量）

从图2垂振信号中可以看出振动频率为112Hz,从图3扭振信号中可以看出也出现了112Hz的垂振信号的频率成分，说明产生了垂扭耦合振动，为解释这一现象，需要进行深入的理论分析。

3.有限元法垂振诱发扭振研究

3.1辊缝垂直激励下电机轴扭振响应研究

利用机械图纸建立了轧机实体模型，经过网格划分、参数设定、约束施加等获得有限元模型。然后在工作辊辊缝间施加辊缝激励，求解电机输出轴处的力矩响应。轧机辊缝处激励设置为：

利用有限元谐响应模块求解轧机电机轴振动频率如图4所示。

图4 辊缝激励下电机输出轴处力矩响应

图中看出在传动系统电机输出轴处的力矩响应较大的频率为111.2Hz附近，说明垂振可以诱发扭振。

3.2液压缸垂直激励下电机轴扭振响应研究

垂直系统中的液压压上系统也有可能成为激励源，求解电机输出轴处的力矩响应。轧机液压缸活塞与液压缸体间的激励设置为：

经过谐响应仿真，轧机电机轴扭振如图5所示。

图5 液压缸激励下电机输出轴处力矩响应

由图5可知，在传动系统电机输出轴处的力矩响应较大的共振频率为107.7Hz附近，也说明垂振可以诱发扭振。

4.微分方程法扭振诱发垂振研究

建立冷连轧机垂直-扭转耦合系统模型，如图6所示。

图6 冷连轧制垂扭耦合振动模型

建立振动微分方程如下：

利用Simulink仿真软件来验证冷连轧机垂扭耦合振动，如图7所示。

图7 S5轧机垂扭耦合Simulink仿真模型

在Simulink模型中工作辊处施加动态轧制力，观察主传动系统电机输出轴处的响应特性如图8所示。

图8 电机输出轴处扭矩响应时域和频域图

由图8可知，在工作辊处施加动态轧制力波动，可以在主传动系统电机输出轴处的扭矩响应信号中发现112Hz的共振频率，说明冷连轧机垂振可以诱发主传动系统扭振。

5.摩擦系数对扭振影响研究

下面对摩擦系数分别取0.035、0.04、0.045和0.05时电机输出轴处扭矩响应进行仿真研究，结果如图9所示。

(a)摩擦系数0.035下电机输出轴处时域和频域图

(b)摩擦系数0.04下电机输出轴处时域和频域图

(c)摩擦系数0.045下电机输出轴处时域和频域图

(d)摩擦系数0.05下电机输出轴处时域和频域图

图9 不同摩擦系数下电机输出轴处扭矩响应

摩擦系数与电机输出轴处扭矩响应的关系如图10所示。随着摩擦系数增加，扭矩波动减小。

图12 扭矩波动与摩擦系数关系图

6.结论

对轧机垂振诱发扭振进行研究。仿真结果表明，在辊缝垂振激励和液压缸垂振激励下，主传动系统电机输出轴处出现与垂振激励频率一致的频率，说明垂振可以诱发扭振。

分析摩擦系数变化对垂振诱发扭振响应的影响，适当降低乳化液浓度可合理增大摩擦系数来抑制轧机振动。

参考文献

[1] 闫晓强, 史灿, 曹曦, 等. CSP轧机扭振与垂振耦合研究[J]. 振动、测试与诊断, 2008, 28(04): 377-381+414-415.

[2] 何兆奇, 王志刚. 基于混合摩擦模型的轧机垂扭耦合特性分析[J]. 机械设计与制造, 2016, (4): 153-156.

[3] 孙恒, 高立新. 6辊轧机垂扭耦合振动的研究[J]. 设备管理与维修, 2016(06): 97-99.

[4] 魏志恒, 徐海, 朱辰等. F4轧机工作辊垂扭耦合振动仿真与分析[J]. 锻压技术, 2016, 41(11): 93-97.

[5] 刘文彦. HC六辊冷轧机垂扭耦合振动分析[J]. 锻压技术, 2018, 43(03): 124-127.

[6] 侯东晓, 陈善平, 方成, 时培明, 王新刚. 万向接轴附加动态弯矩下板带轧机垂扭耦合振动特性研究[J]. 振动与冲击, 2022, 41(19): 48-54+63.