1 前言某钢铁公司三辊劳特式中板轧机主传动系统近几年在轧制过程中有异常的冲击与振动现象, 导致分动箱人字齿轮断齿,造成巨大经济损失。通过对轧制不同规格钢板的轧制力、扭矩、压下量 、电流、刚度及温度等动态参数的现场实测,并利用机械动力学、多源信息融合理论和信号处理技 术,获取了轧制过程的多源信息。通过分析,明确了该机主传动系统的动态特性和实际负荷状况, 为制定合理的压下规程,充分发挥设备能力提供了依据。该方法及研究结果对其它类型轧机的设计 、监测和诊断方法的研究具有指导意义。2 主传动系统力学模型的建立三辊劳特式中板轧机主传 动系统可以简化为直串系统的力学模型<1,2>,如图1所示。图中K为各轴段的刚度,J为各 部分的转动惯量,Me为电机的电磁力矩,Mn为轧辊上的轧制力矩,其中J6、J7、J8折算 转动惯量为Jn,K5、K6、K7折算刚度为Kn,并注意到θ3=iθ′3;iML=ML′ =Me;ML、ML′、Me分别为作用在减速机小、大齿轮上的力矩和测点力矩,J3、J3′ 为减速机轮系折算到小、大齿轮上的转动惯量。图1 中板轧机主传动系统原理及力学模型 为 了进一步从理论上阐述主传动系统的动力学特性,根据图1,建立方程式如下:Me=J1¨θ1 +K1(θ1-θ2)K1(θ1-θ2)=J2¨θ2+K2(θ2-θ3)K2(θ2-θ3 )=J3¨θ3-ML(1)ML=J′3¨θ′3+K3(θ′3-θ4)K3(θ′3-θ4 )=J4¨θ4+K4(θ4-θ5)K4(θ4-θ5)=J5¨θ5+Kn(θ5-θn)K n(θ5-θn)=Jn¨θn+Mn(2) 解微分方程组(1)、(2),利用J3和J3 ′的关系,进一步简化得Mn=Me+a¨θ1+b(3)式中,¨θ1=dn/dt为电机轴的 角加速度;a为J1、J2、J3、J3′的折算惯量;b为轧机的空载力矩与摩擦力矩之和。由电机学理论知,电机的电磁力矩可表示为:Me=0975×N1n/n式中,N1n=UIcosψ,U为电压值,I为电流值,cosψ为功率因数;n为电机转速;故式(3)可写成:Mn=0 975UIcosψn+adndt+b(4)式(4)表明该轧机主传动系统是一个由电机电压、 电流、转速、角加速度和力学参数组成的机电耦合系统。轧机在钢板咬入阶段,轧制力N以阶跃形 式作用到主传动系统后,转速变化较大,主传动系统产生扭振响应,电机电流出现幅值调制现象。 3 主传动系统性能测试主传动系统性能测试及多源动态信息获取原理如图2所示。图2 性能测 试及多源动态信息获取原理图 用位于压下螺丝与上支撑辊轴承座之间的两个测力传感器(压头 )获取轧辊两端轧制力信号;用遥测仪获取主减速机低速轴的扭矩信号;通过控制室内电流互感器 获取电机电流信号。在一个道次的轧制过程中,三种动态信号随时间的变化过程如图3和图4所示 。由图3和图4可以看出一个道次的精确轧制时间以及轧机主传动系统扭矩和电流的响应过程。主 传动扭振系统是有粘性阻尼(欠阻尼)的自由振动,低速轴扭振响应过程可表示为M(t)=M0 +Ae-ζωntsin(ωdt+φ)(5)其中,ωn为扭振系统固有频率;ζ为阻尼系数; ωd为有阻尼振动频率,ωd=ωn1-ζ2;M0为静态轧制力矩。用自由衰减法<3>确定阻尼系数ζ:δ=1mlnAiAi+m;ζ=δ2π=12πmlnAiAi+m=0072扭振系统固有频率ωn:ωd=ωn1-ζ2;ωn=ωd1-ζ2=14 28Hz图3 轧制力和扭矩变化过程(a)
轧制力 (b)轧制扭矩图4 轧制电流和扭矩变化 过程(a)电机电流 (b)轧制扭矩通过对轧制不同规格钢板的轧制力、轧制扭矩、转速、压 下量、轧制电流及轧机刚度等动态参数的测试,获取了三辊劳特式中板轧机在各道次轧制过程中的 多源信息。图5为20mm中板从板坯到板材轧制全过程(共轧制21道次)测试的动态参数。通 过对多源信息关联特性分析,综合专业知识<4,5>及现场运行记录,得出如下结论:图5 2 0mm中板从板坯到板材轧制全过程(共轧制21道次)测试(a)轧制力 (b)电机电流 ( c)轧制扭矩(1)在进行8～10道次轧制时,轧制力超过额定值;11～16道次轧制时,扭 矩超过额定值,并出现严重的扭转振动现象。必须修改长期使用的轧制工艺,重新调整各道次的压 下量。(2)主传动系统阻尼系数小,扭转刚度偏大,这是导致主传动系统扭矩超载的内因,即轧 制设备缺陷;建议更换新型弹性联轴器。(3)在各道次轧制过程中,可以通过电流信号的上升和 下降过程了解飞轮的释放和储备能量过程;融合(综合)分析轧制力和电流信号的变化过程,对合 理制定各道次的纯轧制时间和间隙(蓄能)时间、分析提高生产率的途径有重要意义。4 多源诊 断信息获取研究在轧机状态监测和故障诊断中,大多利用单一信息源数据对设备某类特定故障实施 诊断,缺乏对多源多维信息的协同利用、综合处理,也未能充分考虑诊断对象的系统性和整体性, 因而在可靠性、准确性和实用性方面都存在着不同程度的缺陷。我们利用信息融合理论和信号处理 技术,研究了轧制过程中扭矩、轧制力和电流信号的关联特性,在此基础上研究了从电流信号中获 取诊断信息的方法。从图3和图4可以看出:轧制力和扭矩的动态过程基本同步,峰值同时出现; 但电流信号峰值相对前者有较大滞后,其变化过程也很复杂。轧机电流的变化过程是典型的调幅波 (调制信号),载波频率为50Hz,调制波频率取决于轧制工艺,调制波幅值与轧制力和扭矩相 关联,调制波幅值的变化规律与轧机的转速和动力学特性有关。对电流信号作希尔伯特变换后,其 调制波的变化过程被解调出来,可以获取蕴含在电流信号中的轧制过程的特征信息。对图5中的电 流信号进行希尔伯特变换后,取11和12道次轧制时电流信号幅值与轧制力和扭矩信号变化过程 如图6。由图6看出:电流幅值上升的过程就是轧制过程,也是轧机飞轮释放动能的过程;电流幅 值下降的过程表示抛钢后轧机飞轮储存动能的过程;直线段表明轧机蓄能结束,并在空载状态下运 行。图6中3种信号之间的因果关系表明了轧机主传动系统机械能和电能的转换过程及特征,同时 也证明了方程(4)中机电参数之间的耦合现象。结合图5和图6看出:轧制力最大值出现在8～ 10道次,轧制力达到最大值时,扭矩和电流并没有达到最大值;在11～16道次,电流和扭矩 值均达到最大,同时出现扭振现象。图6 在11和12道次时电流信号幅值与轧制力和扭矩信号 的比较(a)轧制力 (b)电流 (c)轧制扭矩综上所述,解调后的电流信号中不但蕴含着反 映轧制力和扭矩特征的信息,而且含有轧制工艺(压下量、温度和速度等)及设备状况的信息。图 7是电流信号解调前后的对比分析,由图看出20mm中板从板坯到板材轧制过程中轧制工艺和设 备状况存在的缺陷。图7 20mm中板从板坯到板材轧制全过程电流信息获取(a)解调前 ( b)解调后(1)1～7道次的轧制速度和压下量还可以提高;(2)11～16道次的轧制时间 长,同时蓄能时间又不足,这是导致主传动系统扭矩超载的外因,即轧制工艺缺陷;因此要调整1 1～16道次的压下量和轧制速度;(3)7～8,8～9,10～11,16～17道次之间的 蓄能时间过长,影响了轧制温度和时间的合理分配;(4)在中板的轧制过程中,通过监测各道次 轧制温度、轧制力、扭矩和电流的变化过程,合理分配各道次的压下量和轧制速度,是发挥轧机潜 能、延长轧机寿命的有效途径。5 结 论本文以三辊劳特式中板轧机为例,讨论了轧机多源信息 获取对开展状态、监测与故障诊断工作的必要性。综合多源动态数据,利用机械动力学理论和信息 融合思想及信号处理技术,分析研究了轧制的设计缺陷和工艺缺陷,提出对轧制多源信息的协同利 用、综合处理,是提高轧机状态监测与故障诊断可靠性、准确性和实用性的研究方向。该研究方法对其它类型轧机有借鉴意义。中板轧机性能测试及多源诊断信息获取研究@谷立臣$西安建筑科技大学机电工程学院!陕西 西安 710055
@张超$西安建筑科技大学机电工程学院!陕西 西安 710055西安重型机械研究所陕西 西安 710032
@段志善$西安建筑科技大学机电工程学院!陕西 西安 710055劳特式中板轧机;;动态测 试;;
扭转振动;;多源信息获取通过对轧制不同规格钢板的轧制力、轧制扭矩、转速、压下量、 轧制电流及轧机刚度等动态参数的测试,获取了轧制过程的多源信息,并发现该轧机现行轧制工艺 及设备状况存在的诸多问题。本文利用信息融合理论和信号处理技术,研究了轧制过程中扭矩、轧 制力和电机电流信号的关联特性及诊断信息获取方法,研究结果表明:电流信号中不但蕴含着反映 轧制力和扭矩特征的信息,而且含有轧制工艺(压下量、温度和速度等)及设备状况的信息。研究 结论对开展轧机多源信息状态监测和故障诊断方法研究有指导意义。<1> 原培新.650轧机 力能参数在线监测机理的研究 .第三届全国机械设备故障诊断学术会议论文集
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<5> 谷立臣,张优云,丘大谋.液压动力系统运行状态识别技术研究.机械工程学报,2 001,37(6):61-65.陕西省自然科学基金资助项目(2003E203)号作希尔 伯特变换后,其调制波的变化过程被解调出来,可以获取蕴含在电流信号中的轧制过程的特征信息。对图5中的电流信号进行希尔伯特变换后,取11和12道次轧制时电流信号幅值与
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