1 前言

冷連軋薄帶鋼作為鋼鐵企業的高附加值產品，其質量直接關系到汽車制造、家電生產和機械加工等下游行業的產品性能。閆曉強等^[1]基于CSP軋機現場軋機振動測試數據，利用ANSYS模態與諧響應分析工具求解，發現軋制過程中存在頻率為42.75Hz的垂扭耦合振動頻率。何兆奇等^[2]建立基于混合摩擦模型的軋機垂扭耦合振動模型，研究混合摩擦系數的變化對垂扭耦合振動特性的影響，揭示了主傳動系統扭振對垂振的耦合作用機制。孫恒等^[3]基于振動理論建立了六輥軋機垂扭耦合動力學模型。研究發現垂扭耦合振動會導致固有頻率變化。通過耦合前后垂振位移與扭轉角的振動幅值均值對比，分析表明垂振與扭振之間會相互影響。魏志恒等^[4]建立軋機垂扭耦合振動模型。結合ADAMS動態仿真分析不同激勵下的響應特性。研究發現工作輥區域存在顯著的垂扭耦合振動，且垂振分量對扭振響應具有主導作用。劉文彥等^[5]通過對2180型六輥冷軋機現場測試發現，工作輥的異常振動通過傳動軸可傳遞至主傳動系統中導致齒輪箱等部件故障。基于實測參數建立的耦合振動模型顯示，萬向接軸不能有效阻斷振動傳遞路徑，驗證了垂扭耦合振動的真實性。萬向接軸作為軋機主傳動系統關鍵零部件，其動力學特性會影響軋機系統的整體響應。因接軸夾角存在產生的附加動態彎矩會對軋機垂扭耦合振動造成影響。侯東曉等^[6]建立萬向接軸夾角影響下軋機垂扭耦合振動模型，運用奇異性理論分析系統分岔特性。在冷連軋機振動特性研究領域，國內外學者已取得一定成果，尤其是外激勵擾動與軋制參數波動對軋機系統垂直振動或扭轉振動的影響研究較多，而對冷連軋機垂振誘發扭振機制的研究甚少。

本文試圖探究垂振誘發扭振的機制。

2 監測系統及現場信號

2.1在線監測系統

采用振動在線監測系統對1450mm冷連軋機進行振動信號監測如圖1所示。

    

(a)扭矩遙測裝置                          (b)振動傳感器                         (c)顯示界面

圖1 信號監測示意圖

利用信號監測系統對冷連軋機監測到的信號如圖2和圖3所示。

圖2 牌坊垂振信號

圖3 電機軸扭振信號

（去掉直流分量）

從圖2垂振信號中可以看出振動頻率為112Hz,從圖3扭振信號中可以看出也出現了112Hz的垂振信號的頻率成分，說明產生了垂扭耦合振動，為解釋這一現象，需要進行深入的理論分析。

3.有限元法垂振誘發扭振研究

3.1輥縫垂直激勵下電機軸扭振響應研究

利用機械圖紙建立了軋機實體模型，經過網格劃分、參數設定、約束施加等獲得有限元模型。然后在工作輥輥縫間施加輥縫激勵，求解電機輸出軸處的力矩響應。軋機輥縫處激勵設置為：

利用有限元諧響應模塊求解軋機電機軸振動頻率如圖4所示。

圖4 輥縫激勵下電機輸出軸處力矩響應

圖中看出在傳動系統電機輸出軸處的力矩響應較大的頻率為111.2Hz附近，說明垂振可以誘發扭振。

3.2液壓缸垂直激勵下電機軸扭振響應研究

垂直系統中的液壓壓上系統也有可能成為激勵源，求解電機輸出軸處的力矩響應。軋機液壓缸活塞與液壓缸體間的激勵設置為：

經過諧響應仿真，軋機電機軸扭振如圖5所示。

圖5 液壓缸激勵下電機輸出軸處力矩響應

由圖5可知，在傳動系統電機輸出軸處的力矩響應較大的共振頻率為107.7Hz附近，也說明垂振可以誘發扭振。

4.微分方程法扭振誘發垂振研究

建立冷連軋機垂直-扭轉耦合系統模型，如圖6所示。

圖6 冷連軋制垂扭耦合振動模型

建立振動微分方程如下：

利用Simulink仿真軟件來驗證冷連軋機垂扭耦合振動，如圖7所示。

圖7 S5軋機垂扭耦合Simulink仿真模型

在Simulink模型中工作輥處施加動態軋制力，觀察主傳動系統電機輸出軸處的響應特性如圖8所示。

圖8 電機輸出軸處扭矩響應時域和頻域圖

由圖8可知，在工作輥處施加動態軋制力波動，可以在主傳動系統電機輸出軸處的扭矩響應信號中發現112Hz的共振頻率，說明冷連軋機垂振可以誘發主傳動系統扭振。

5.摩擦系數對扭振影響研究

下面對摩擦系數分別取0.035、0.04、0.045和0.05時電機輸出軸處扭矩響應進行仿真研究，結果如圖9所示。

(a)摩擦系數0.035下電機輸出軸處時域和頻域圖

(b)摩擦系數0.04下電機輸出軸處時域和頻域圖

(c)摩擦系數0.045下電機輸出軸處時域和頻域圖

(d)摩擦系數0.05下電機輸出軸處時域和頻域圖

圖9 不同摩擦系數下電機輸出軸處扭矩響應

摩擦系數與電機輸出軸處扭矩響應的關系如圖10所示。隨著摩擦系數增加，扭矩波動減小。

圖12 扭矩波動與摩擦系數關系圖

6.結論

對軋機垂振誘發扭振進行研究。仿真結果表明，在輥縫垂振激勵和液壓缸垂振激勵下，主傳動系統電機輸出軸處出現與垂振激勵頻率一致的頻率，說明垂振可以誘發扭振。

分析摩擦系數變化對垂振誘發扭振響應的影響，適當降低乳化液濃度可合理增大摩擦系數來抑制軋機振動。

參考文獻

[1] 閆曉強, 史燦, 曹曦, 等. CSP軋機扭振與垂振耦合研究[J]. 振動、測試與診斷, 2008, 28(04): 377-381+414-415.

[2] 何兆奇, 王志剛. 基于混合摩擦模型的軋機垂扭耦合特性分析[J]. 機械設計與制造, 2016, (4): 153-156.

[3] 孫恒, 高立新. 6輥軋機垂扭耦合振動的研究[J]. 設備管理與維修, 2016(06): 97-99.

[4] 魏志恒, 徐海, 朱辰等. F4軋機工作輥垂扭耦合振動仿真與分析[J]. 鍛壓技術, 2016, 41(11): 93-97.

[5] 劉文彥. HC六輥冷軋機垂扭耦合振動分析[J]. 鍛壓技術, 2018, 43(03): 124-127.

[6] 侯東曉, 陳善平, 方成, 時培明, 王新剛. 萬向接軸附加動態彎矩下板帶軋機垂扭耦合振動特性研究[J]. 振動與沖擊, 2022, 41(19): 48-54+63.