高精高速轧制中的振动问题.ppt

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1、2023/1/30,北京科技大学自动化学院,高精高速轧制中的振动问题,北京科技大学自动化学院童朝南,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,1.高精高速板带箔轧制的振动现象,板带冷轧机以轧制产品厚度分为板材、薄材、箔材轧机。h0.5mm（板材）0.5 h0.1mm（薄材）0.1 h0.0055mm（箔材）板带是指宽度，轧机的宽度是以工作辊面宽度定义。宽板轧机的B=1200-2200mm。,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,1.高精高速板带箔轧制的振动现象,高速度是指轧制时轧机出口带材的最高速度：V900（m/min）（高速轧制）900V300（m/min）（中高速轧制）V300（

2、m/min）（低速轧制）,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,1.高精高速板带箔轧制的振动现象,高精度是指产品的厚度、板形、表面、卷形质量的精度。0.1 mm厚度0.2mm：精度1.5%96%带长板形控制精度：10I 表面无任何振痕卷取错层小于1.5mm,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,1.高精高速板带箔轧制的振动现象,轧机是多转动体的机械运动系统，由于机、电、液的耦合，振动现象必然存在，高速度使得本现象加剧。如何抑制振动对于产品表面质量、厚度、板形质量的影响，是个具有难度很高的技术问题，同时也是个具有深度科学问题。,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,1.高精高速

3、板带箔轧制的振动现象,轧机振动分为扭振、三倍频振动和五倍频振动(垂振)。轧机主传动系统扭转振动的频率一般在520Hz之间，且不随轧制速度的变化而变化，它会在带材表面造成垂直于轧向的交替明暗条纹，振动较强时有与这些条纹相对应的明显厚度波动与板形缺陷。,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,轧机垂直振动包括三倍频程振动，频率一般在125240Hz之间，它会在轧件上产生明显的厚差和板形缺陷，有时达30%以上，从而影响生产的正常进行，甚至会造成轧制设备的损坏等；轧机的机电液耦合振动包括五倍频程振动，频率范围通常为500800Hz，它会在轧件上产生垂直于轧制线方向的明暗相间的条纹，但带材表面没有可

4、测的厚度变化。,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,2.高精高速轧机振动的因素,2.1 轧机扭振：主要围绕传动轴扭矩发生的变化而引起的。传动轴扭矩变化的影响因素可从机械、电气、润滑及轧制工艺等不同的角度综合考虑。1）机械设备缺陷引起的扭转振动。由于机械设备的缺陷或电气系统明显的设计不当或故障等原因造成的。2）轧机的机械传动环节存在间隙。在轧机加速运转时，这些间隙是闭合的，但是轧机受到冲击时，由于旋转轴的不平衡和重力与惯性力的相互作用，间隙间断打开，对传动系统的扭转放大系数影响十分强烈。,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,2.高精高速轧机振动的因素,3）电气系统引起的振动。通过

5、理论研究和实测结果，我们发现在轧制过程中电机力矩的波动在高频机械系统中反映是很微弱的，而在低频机械系统中反映比较明显。在后者的情况下，机械传动系统的扭振波形几乎与电磁力矩的波形一致，只是稍许滞后。4）传动系统润滑状态变化引起的振动。在轧制过程中，轧制工艺的润滑不仅可以降低和控制轧制过程中的摩擦磨损，也可能引起或影响振动生成。在一方面,轧辊表面不够润滑，会引起轧辊和轧件之间的粘滑条件发生变化，从而改变摩擦系数,形成负阻尼反馈，引起轧机的自激扭转振动。另一方面,如果轧辊表面过于润滑，会引起轧辊间的打滑，轧制速度升高，则摩擦因数减小，也能导致轧机扭转振动。通过对各种类型轧机传动系统的扭转振动研究发现

6、,由于轧辊打滑，上下轧辊力矩分配不均，从而引起轧机扭转振动。,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,2.高精高速轧机振动的因素,2.2三倍频振动频率为系统的第二阶固有频率，该阶主振型的两工作辊振动方向相反，但与支撑辊振动方向相同，它的形成主要有以下三方面原因：1）轧机系统结构引起的振动。一套轧机垂直系统由上下工作辊、上下支撑辊、液压系统、机座等等组成，在轧制过程中它是一个多运动体系统,由于工作辊和支撑辊在实际系统会出现偏心现象,从垂直系统的角度来看，它可能会造成轧机垂直系统的振动。同样液压系统压下控制系统的稳定与否也决定了整个轧机系统的稳定。,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,

7、2.高精高速轧机振动的因素,2）轧制张力波动引起的振动。轧制张力是连轧或单机架生产过程中必须严格控制的重要工艺参数，它在生产中的变化会引起金属流量平衡的失调，造成带钢张力的波动。3）摩擦和润滑引起的振动。轧机系统中，上下工作辊的实际直径必然存在细微差别，而两辊通常由同一电机驱动，转速相同，在轧制一段时间后可能出现异步轧制现象。如果轧辊和轧件间润滑情况良好，可以消除这种现象，如果轧制润滑不良,便会引起轧机垂直系统的振动。,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,2.高精高速轧机振动的因素,2.3五倍频垂直振动频率为系统的第四阶固有频率(该阶主振型的两工作辊振动方向相反，并与支撑辊的振动方向相

8、反)，它会引起上下支撑辊和带材表面明暗相间的条纹，进而影响产品的质量。第五倍频振动属于轧辊的振动，其振动原因往往与支撑辊有关。引起五倍频振动主要有轧辊结构或尺寸不合理、辊缝状态不良等因素。1）轧辊结构或尺寸不合理引起的振动。轧辊作为轧机中的重要构件，一方面承受着巨大的轧制力，另一方面由于自身的旋转，其应力做周期性变化,还要承受交变的热负荷。因此,结构有缺陷或尺寸不合理的轧辊不但影响产品质量和设备寿命，还会影响轧制过程中的稳定性。,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,2.高精高速轧机振动的因素,2）变形区润滑不良引起的振动。当辊缝润滑不良时会恶化轧辊和轧件的接触状态，出现570610 H

9、z颤振，带钢表面有明显振纹。这种振动源于部分流体润滑与粘滑兼存的辊缝界面,工作辊与轧件在轧制界面处于粘着与相对滑动并存的运动状态，即粘滑运动。,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,3.轧机振动模型的研究,3.1 主传动系统简化模型,图1所示的扭转振动方程为：,图1 轧机主传动系统简化模型,式中，J、C、K、M分别为轧机传动系统的转动惯量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵、力矩矩阵。,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,3.轧机振动模型的研究,3.2 轧机垂直系统振动模型,图2 轧机垂直系统简化模型,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,3.轧机振动模型的研究,3.2 轧机垂直系统振

10、动模型 轧机简化为二自由度垂直振动系统，如图2所示。(图中M1M2是上下工作辊质量；K1K2是上下工作辊刚度；C1C2是上下辊辊缝间阻尼；Y1Y2是上下工作辊垂直振动位移；PVAR是轧制压力动态量),2023/1/30,北京科技大学自动化学院,3.轧机振动模型的研究,3.3 轧机主传动系统机电耦合模型,图3 轧机传动系统机电耦合模型,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,3.轧机振动模型的研究,3.4 轧机耦合系统振动模型轧机系统耦合动态模型由轧制过程动态模型、轧机系统结构模型与伺服液压系统压下动态模型组成。,图4 单机架四辊轧机耦合动态模型框图,2023/1/30,北京科技大学自动化学

11、院,3.轧机振动模型的研究,定义单机架四辊轧机动态模型输入输出为：,轧制过程模型的输入输出及传递函数矩阵如下：,轧机系统与液压系统耦合模型的输入输出及传递函数矩阵如下：,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,3.轧机振动模型的研究,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,3.轧机振动模型的研究,3.5 考虑非线性因素影响条件下的轧机主传动系统动力学模型,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,3.轧机振动模型的研究,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,4.轧机振动的分析与控制,轧机振动控制的关键在振动信号的检测与分析。轧制过程信号和系统参数中，含有振动信息的是：轧制压力、

12、主机电流、主机速度、前后张力、轧件的厚度与板形、各控制回路的控制周期、辊缝、来料的厚度与硬度、主传动的类型等。如上信息的重要性由大到小递减。,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,4.轧机振动的分析与控制,轧机振动分析与控制的关键在于如何测试有关过程信号，分析确定振动的类型和原因，然后方可采用相对应控制策略。信号的频谱分析是最为有效的测量分析工具。下图是某1850单机架轧机的主机电流频谱，在20Hz处存在扭振，1-2 Hz处存在轧辊偏心，10Hz处存在开卷与卷取力矩100ms周期的补偿控制。,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,4.轧机振动的分析与控制,下图是某2030轧机的主机

13、电流频谱，图中除存在驱动电机电枢电流的150Hz、300Hz、600Hz、900Hz的谐波分量外，垂直和水平方向的三倍频振动、五倍频振动信号都十分明显。因此轧机振动现象是一种多方向的模态耦合振动。,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,4.轧机振动的分析与控制,通过长期研究，对于高精度、高速度轧机的振动控制问题已获得一些有效的方法，并且在解决生产实际中取得成果。当分析确定了振动类型后，可以采取相应的控制方法。控制方法包括：工艺的、机械设备的、传动系统的、控制系统的。,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,4.轧机振动的分析与控制,工艺的：负荷分配，轧制压力设定，张力设定，道次轧制速

14、度设定等。设备的：支撑辊、工作辊的配型，液压APC系统的响应频率，工艺润滑程度等。传动控制系统的参数优化。单回路参数优化不能保证系统运行是优化的。各种电抗器的合理使用对于部分振动控制问题是重要的。控制系统解决振动问题是最重要的，它往往能起到投入少，解决问题快的作用。,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,4.轧机振动的分析与控制,控制系统方法：滤波法（滞后滤波法、陷波滤波法）。滞后滤波法是在控制系统的正向通道加一个惯性滤波环节，从而避免机电系统发生固有频率共振，但是由于在正向通道加入了滞后环节，系统的动态响应特性变差沿着滤波滞后的思路，构造陷波滤波器，将其放在反馈通道，这样既可以消除振动

15、，也不影响系统的动态特性，但是它对于多个频率以及变化的频率引起的机电振动则变得无能为力。,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,4.轧机振动的分析与控制,负荷观测补偿控制方法：根据扰动不变性原理构造的负荷观测器，可以计算负荷扰动变量，抵消外来的扰动，消除负荷扰动造成的速度波动，抑制机电振动，加强系统的鲁棒性。,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,4.轧机振动的分析与控制,状态观测器反馈控制方法：负荷扰动观测器控制方法将轧机传动系统简化为刚性连接，不能解决共振和轧制扰动引起的扭振问题。采用状态观测器观测轧机系统的状态变量，以此对轧机传动弹性动力学模型进行控制，可以达到很好的效果。,

16、2023/1/30,北京科技大学自动化学院,4.轧机振动的分析与控制,基于先进控制理论和智能控制理论的轧机振动控制方法：随着控制理论的发展及其在工程上的成熟应用，国内外学者更多的开始关注用先进控制理论和智能控制理论来解决轧机振动问题。在轧机主传动系统中，系统的精确模型往往难以得到，另外随着系统工作条件的变化，被控对象的参数与特性也会随之变化，导致模型的不确定性。为此采用的控制器有效消除了机电振动的影响，使系统速度无振荡的快速恢复到原设定值。,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,4.轧机振动的分析与控制,机电耦合系统扭振控制方法：在轧机主传动系统的机电耦合模型基础上，采用自抗扰控制技术、鲁棒控制理论和内膜控制原理的轧机传动机电振动控制系统，与传统的PI控制和基于降维状态观测器的状态反馈比较，能更有效抑制机电振动，减小动态速降，对内部参数的摄动也具有很强的鲁棒性。,2023/1/30,北京科技大学自动化学院,高精高速板带箔冷轧机控制系统简介,谢谢！,