Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы 7
1.1. Возникновение резонансных колебаний на станах холодной прокатки 7
1.2. Сравнительный анализ существующих математических моделей вибрационных процессов на станах холодной прокатки 13
1.2.1. Автоколебания из-за нестабильности температуры технологической смазки в очаге деформации 13
1.2.2. Автоколебания рабочих валков в горизонтальном направлении 16
1.2.3. Модель горизонтальных усилий, действующих в опорных узлах рабочих валков 19
Выводы по главе 1 27
2. Исследования вибрационных процессов на 5-ти клетевом стане холодной прокатки ОАО "Северсталь" 28
2.1. Описание проблемы 28
2.2. Аппаратура и методы вибродиагностики 29
2.2.1. Основы теории вибродиагностики 29
2.2.2. Вибродиагностическая аппаратура 36
2.3. Экспериментальная часть 44
2.3.1. Проведение экспериментов по введению 4-ой клети 5-ти клетевого стана в режим резонанса при прокатке полосы 44
2.3.2. Определение собственных частот основных узлов клети 50
2.3.3. Исследование вибрационной характеристики 4-ой клети при прокрутке клети при нагружении валковой системы без наличия полосы 54
2.3.4. Определение вибрационной характеристики 4-ой клети при различном ускорении при разгоне стана с заправленной полосой 56
Выводы по главе 2 57
3. Математические модели механических колебаний основных узлов прокатной клети и линии привода станов холодной прокатки 58
3.1. Полоса в межклетевом пространстве как колебательная структура... 58
3.2. Крутильные колебания шпинделей и вибрация клетей станов холодной прокатки с независимым приводом рабочих валков 64
3.3. Колебания валковой системы в клетях с гидронажимным механизмом 73
3.4. Резонансные колебания валковой системы в клети стана и критическая скорость прокатки 79
4. Рекомендации, направленные на снижение влияния воздействий резонансных вибраций на скорость прокатки 83
Основные выводы и результаты 85
Литетатура
- Сравнительный анализ существующих математических моделей вибрационных процессов на станах холодной прокатки
- Модель горизонтальных усилий, действующих в опорных узлах рабочих валков
- Проведение экспериментов по введению 4-ой клети 5-ти клетевого стана в режим резонанса при прокатке полосы
- Крутильные колебания шпинделей и вибрация клетей станов холодной прокатки с независимым приводом рабочих валков
Введение к работе
Актуальность работы
В связи с высоким спросом на рынке металлопродукции тонкого холоднокатаного листа современное производство тонкой полосы на непрерывных станах холодной прокатки характеризуется стремлением к увеличению производительности и высокими требованиями к качеству поверхности проката. Повышение скорости прокатки сопровождается увеличением динамических нагрузок и вибрации на стане. На ряде непрерывных станов холодной прокатки при прокатке полос толщиной менее 0,7мм при определенных скоростях прокатки, зависящих от толщины проката, возникают явления резонанса, проявляющиеся в виде "гудения" стана, при которых происходит значительный рост вибрации основных узлов прокатных клетей и полосы в последних межклетевых промежутках. Значительный уровень вибрации в момент "гудения" негативно влияет на точность прокатки, непосредственно связан с появлением на полосе дефекта "ребристость" и может стать причиной обрыва полосы. В виду существующей проблемы прокатку тонких полос вынуждены проводить на скоростях, которые ниже предусмотренных при проектировании стана, а в момент возникновения резонанса приходится дополнительно еще снижать скорость прокатки для стабилизации процесса, что снижает производительность стана.
В связи с этим теоретическое и экспериментальное исследование вибрационных процессов в непрерывных станах холодной прокатки для исключения резонансных вибраций, снижающих качество проката и эффективность работы оборудования, является актуальной научно-технической задачей.
Цель и задачи работы
В целях повышения производительности определить пути повышения скорости прокатки стана холодной прокатки на основе экспериментальных и теоретических исследований вибрационных процессов в клети и разработать
5 необходимые рекомендации для внедрения на клети №4 непрерывного стана 1700 ОАО "Северсталь".
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Проведение экспериментальных исследований вибрационных процессов,
происходящих в клети стана холодной прокатки 1700, с использованием
специальной вибродиагностической аппаратуры:
в момент наступления резонанса в ходе прокатки полосы;
при прокрутке клети при нагружении валковой системы без наличия полосы;
при различном ускорении при разгоне стана с заправленной полосой;
определение собственных частот основных узлов клети.
На основе результатов экспериментов установление границ и значений возникающих резонансных вибраций на стане.
Создание математических моделей механических колебаний основных узлов клети, линии привода и полосы в межклетевом промежутке.
Создание математической модели критической скорости прокатки, при которой наступают резонансные колебания в клети стана холодной прокатки.
Разработка, апробация и внедрение рекомендаций, направленных на повышение скорости прокатки в условиях воздействия колебательных процессов на стане холодной прокатки.
Научная новизна
Математически описаны колебательные процессы в клети непрерывного стана холодной прокатки и экспериментально изучено протекание этих процессов с использованием современной виброизмерительной аппаратуры.
Установлены зависимости для критической скорости прокатки, при которой наступают резонансные вибрации.
Практическая значимость
На основе экспериментальных данных и созданных математических моделей разработаны рекомендации по снижению влияния воздействий резонансных вибраций на скорость прокатки.
Разработаны и внедрены на действующем стане 1700 рациональные режимы прокатки на клети №4, обеспечившие повышение скорости прокатки.
Разработанные математические модели и рекомендации могут быть использованы при проектировании новых прокатных станов и при разработке технологических режимов прокатки на действующих станах.
Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались на V конгрессе прокатчиков (г.Череповец) в октябре 2003 г.; на научно-технических семинарах кафедры МТ-10 Московского государственного технического университета им. Н.Э.Баумана. (2003-2004г.).
Публикации По материалам диссертации опубликовано 6 статей.
Сравнительный анализ существующих математических моделей вибрационных процессов на станах холодной прокатки
На пятиклетевом стане "2030" НЛМК при прокатке энергоемких типоразмеров полос на скоростях свыше 15 м/с в клети № 4 (в редких случаях в клетях № 2, 3) возникают повышенные вибрационные процессы. По этой проблеме опубликован ряд материалов [13,14,15], в которых предложена теория зарождения и развития колебаний и меры по их устранению.
Сущность теории [13].
Процесс возникновения и развития колебаний возрастающей амплитуды в рабочей клети происходит под действием переменного усилия прокатки. Причины изменения усилия состоят в следующем. При прокатке по мере разогрева валков контактная температура в одной из клетей достигает критического (175-200 С) уровня. При этом условия трения ухудшаются из-за термического разложения органических компонентов смазки, усилие прокатки скачкообразно возрастает, вызывая дополнительный прирост температуры и перемещение валков. В ходе увеличения межвалкового зазора и уменьшения обжатия температура быстро снижается, причем вновь достигает критического уровня прежде, чем валки займут новое положение равновесия. В этот момент добавка усилия от трения, вызвавшая перемещение валков, скачкообразно исчезает, и через некоторое время валки начинают обратное движение к исходному положению. Однако в момент, когда исходное положение достигается, валки обладают некоторой скоростью; таким образом, имеет место приток энергии в колебательную систему, то есть формируется механизм автоколебаний.
Согласно этой теории была разработана математическая модель автоколебаний, включающая в себя четыре компонента.
1. Модель движения валков под действием переменного усилия прокатки: mB - + CA - + MKS = dP(AH1A[i), (1.1.) di2 di где тв - масса узла «валки с подушками» ; Сд - коэффициент, учитывающий демпфирующие свойства очага деформации; Мк - модуль жесткости клети; S- смещение валков относительно исходного положения; т- время; ЬР(АН\, Ац ) = (Р- Р ) - отклонение усилия прокатки Р от исходного Р в функции отклонения выходной толщины АН\ и коэффициента трения Ац.
2. Модель зависимости усилия прокатки от положения валков и условий трения: bP(&Hlt А») = АН1- - + А[і , (1.2) dHj d\i где dP/dHj и dP/d\i - частные производные от усилия по входной толщине и коэффициенту трения.
3. Тепловая модель процесса прокатки, описывающая зависимость контактной температуры Тк от обжатия и условий трения: TK=T K+AHj - + A i -, (1.3) dHj d\i где Тк - температура в критическом сечении при исходном положении валков.
4. Модель зависимости условий трения от контактной температуры: Ац= „ О, при Тк [ТУ; (1.4) А\С, при Тк [Тк], где [Тк] - критическая температура, при повышении которой коэффициент трения возрастает на величину А\х .
С помощью моделей (1.1) - (1.4) анализировались реальные технологические ситуации, наблюдаемые на стане "2030" при вибрациях. В результате сделан вывод о том, что в широком диапазоне усилий, существующих на непрерывных станах при высоких скоростях прокатки, условия возбуждения автоколебаний выполняются практически всегда.
На стане были проведены экспериментальные исследования [14, 15]. С помощью виброметра ВМ-1 и пьезоэлектрических виброизмерительных преобразователей ДН-3 измеряли механические колебания в средней части станин клетей (со стороны обслуживания). Основной пик в спектре вибраций при "гудении" клети находится на частоте 118-119 Гц. Внешне вибрации напоминали "биения", возникающие при наложении двух колебаний с близкими частотами.
При теоретической оценке собственных частот станины в сборе с валковым узлом получены следующие результаты: вертикальным колебаниям растяжения-сжатия стоек станины с валковым узлом и перекладиной соответствует частота 105-130 Гц, а изгибным колебаниям валкового узла - 560-600 Гц.
На основе экспериментальных исследований и результатов моделирования процесса была разработана автоматическая система диагностирования вибраций и управления скоростным режимом прокатки. Функциями системы являлись: непрерывный контроль процесса прокатки; анализ амплитудно-частотного состава действующих возмущений; выявление предаварийных ситуаций; уменьшение скорости прокатки до безопасного уровня, гарантирующего устойчивость процесса и высокое качество полосы.
Модель горизонтальных усилий, действующих в опорных узлах рабочих валков
На 5-клетевом стане "1700" ОАО "Северсталь" вибрации возникали при прокатке полос толщиной 0,3-0,5 мм после достижения определенной для каждой толщины скорости прокатки, сопровождаясь повышенными шумовыми характеристиками 4-й клети и колебаниями полосы в предыдущем межклетевом промежутке.
Для предотвращения этого явления операторы вынуждены были уменьшать скорость прокатки, тем самым, снижая производительность стана. По мнению авторов публикаций [17,18] причина возникновения повышенной вибрации в клетях прокатных станов - неблагоприятное наложение на собственную частоту определенного узла клети колебаний другого узла либо вибраций, возникающих под воздействием какого-либо источника возбуждения.
Основной диапазон частот, при котором рабочая клеть и ее узлы входят в режим "гудения", равен 112-119 Гц, что совпадает только с собственной частотой станин 117 Гц, все остальные узлы имеют собственные частоты в диапазоне 224-706 Гц.
Источником, возбуждающим резонансные колебания, являются рабочие валки в сборе с подушками. При неблагоприятном сочетании технологических параметров прокатки, выражающемся в колебаниях обжатий, натяжений, скоростей, условий трения, температуры полосы и валков, происходит изменение энергосиловых параметров в очаге деформации и положения нейтрального сечения. В результате снижается усилие прокатки, происходит перераспределение соотношений между натяжениями, усилием прокатки и межвалковыми силами, что приводит к неустойчивом положению валков в горизонтальном направлении. Этому способствуют увеличенные зазоры между подушками и корпусами окон станин, а также сглаживание исходной шероховатости бочки валков в результате износа.
Реверсивные перемещения валков сопровождаются циклическими ударами их подушек по станинам, в которых возбуждаются резонансные колебания в диапазоне собственных частот. Эти колебания передаются от станин ко всем контактирующим с ними узлам (подушкам в сборе с рабочими и опорными валками, ГНУ), далее - на редуктор главного привода и - через вибрацию полосы - на узлы натяжного устройства. Авторы, проводят аналогию с классическим устройством для возбуждения резонансных колебаний - колоколом, и считают что пябочие пятт « неустойчивом режиме играют роль языка (била) колокола, а станины - роль корпуса колокола, в результате вся клеть начинает "гудеть".
Расчетная схема силового взаимодействия полосы, рабочего и опорного валков в клети "кварто" представлена на рис. 1.1.
Согласно этой схеме, уравнение равновесия горизонтальных сил, действующих на рабочий валок в сборе с подушками, имеет вид: Fmp-Pon-sm{p + y) + RPZ=0, (1.13)
Горизонтальная сила Frop, действующая со стороны полосы на валок, равна по величине и противоположна по направлению горизонтальной силе гор.п, действующей со стороны валка на полосу: Frop = Frop.n- 0-14) При стационарном процессе прокатки и отсутствии колебаний технологических параметров уравнение равновесия горизонтальных сил, действующих на участок полосы, находящийся в валках г-й рабочей клети имеет вид: + Fro,n=0, (1.15) где ДГ, =7).,-7).
Реальный процесс прокатки в z -й рабочей клети непрерывного стана не является стационарным, так как происходят колебания натяжений полосы и частных обжатий, вызванные возмущающими воздействиями предыдущей (М)-й клети, изменения скорости прокатки при разгонах и торможениях, уменьшение шероховатости валков вследствие износа. Все эти факторы вызывают изменения коэффициента трения в очаге деформации, что, в свою очередь, приводит к колебаниям усилия прокатки и межвалковой силы, которая равна:
Проведение экспериментов по введению 4-ой клети 5-ти клетевого стана в режим резонанса при прокатке полосы
С целью определения вибрационной характеристики 4-ой прокатной клети в момент резонанса было принято решение о контроле вибрации при помощи стационарной системы. Датчики были установлены в вертикальном и горизонтальном направлении на стойки станины рис.2.8 Стационарную систему настроили на постоянный контроль вибрации (регистрацию и архивирование спектров вибрации) с учетом ее технических возможностей. Особенностями работы стационарной системы являются: - определение в течение 1 Ос при помощи датчиков оборотов скорости вращения рабочих валков перед каждым измерением; - интервал между двумя последовательными измерениями в одной точке 2 мин.
В виду того, что резонансные вибрации получают развитие во времени в течение 2-3с, данные особенности не позволили зарегистрировать спектр вибрации характерный моменту "гудения".
Дальнейшие исследования вибрации проводили при помощи виртуального прибора КПА-1В на базе компьютера "Portable" с функцией измерения временного сигнала вибрации, позволяющего регистрировать вибрационные процессы, изменяющиеся во времени.
При прокатке полос толщиной 0,25-0,6мм ступенчато на 2м/с увеличивали скорость прокатки с 6м/с до критической скорости, при которой наступают резонансные вибрации, через 2-Зс после возникновения "гудения" снижали скорость прокатки. Одновременно записывали при установке акселерометра в вертикальном и горизонтальном направлении рис.2.8 (направлении прокатки) временные сигналы вибрации с основных узлов 4-ой клети: подушек рабочих и опорных валков, стоек станин, ГНУ, редуктора главного привода и режимные параметры процесса прокатки (скорости, натяжения, толщины, усилия прокатки).
Полученные временные сигналы при помощи модуля анализа временных сигналов "TS ANALYSIS" фирмы "ВиброАкустические Системы и Технологии" делили на отрезки соответствующие постоянной скорости прокатки до наступления момента "гудения", в момент "гудения", и после момента "гудения" и из них получали спектры вибрации в линейном и логарифмическом масштабах (см. приложение 1.).
Основные результаты анализа спектров вибрации следующие: - с увеличением скорости прокатки происходит рост уровня вибраций в диапазоне частот 100-200Гц рис.2.9; - в момент "гудения" на всех узлах клети происходит рост гармонического ряда на частоте 112-118Гц, с максимальной амплитудой на первой гармонике от 130-155Д6 (0,5-3,0G) (см.рис.2.10); - в спектрах до, во время, и после момента "гудения" присутствует гармонический ряд по частоте вращения рабочего валка; - уровень вибрации на второй гармонике по частоте вращения рабочего валка в три раза превышает уровень вибрации на частоте вращения рабочего валка; - частота второй гармоники по скорости вращения рабочего валка кратна частоте момента "гудения" 112-118Гц рис.2.10 и близка по значению четвертой гармонике скорости вращения опорного валка и частоте вращения тензоролика; - на всех узлах в спектрах, относящихся к моменту "гудения", кроме опорных валков, присутствуют частоты, составляющие 1/3, 1/2 от частоты "гудения"; - уровень вибраций на узлах клети со стороны обслуживания стана выше, чем со стороны привода; - на подушках рабочих валков присутствует гармонический ряд на частоте перекатывания тел качения по наружному кольцу; - на нажимных устройствах обнаружен высокий уровень вибрации: со стороны перевалки на частоте 150Гц, со стороны привода на частоте 120Гц; данные частоты не зависят от скорости прокатки. Временной сигнал в момент "гудения" (рис.2.11) имеет несущую частоту 112-118Гц, при этом рост амплитуды вибрации сопровождается появлением низкочастотной составляющей на частоте 2-ЗГц. Согласно [2,24] низкочастотная вибрация в данном случае - это удары при наложении двух источников вибрации с близкими частотами.
На основе выше представленных результатов эксперимента можно заключить, что в момент "гудения" все узлы прокатной клети совершают колебания в диапазоне частот 112-118Гц т.е. установленный диапазон следует назвать частотой резонанса системы. Также, можно предположить, что основной причиной возникновения повышенной вибрации в клети прокатного стана является неблагоприятное наложение на собственную частоту резонанса системы колебаний определенного узла клети, либо вибраций, возникающих под воздействием какого-либо источника возбуждения.
На подушке рабочего валка со стороны перевалки высокий уровень вибрации на второй гармонике частоты вращения рабочего валка может быть вызван перекосом валка относительно подушки. В данном случае происходит перекос рабочего валка относительно опорного в пределах зазоров между подушками и зеркалами станин, что приводит к осевой вибрации рабочего валка и к снижению коэффициента трения в продольном направлении в очаге деформации.
Крутильные колебания шпинделей и вибрация клетей станов холодной прокатки с независимым приводом рабочих валков
Современные 4-х валковые станы холодной прокатки имеют, как правило, независимый привод каждого рабочего валка от соединенного с ним электродвигателя. Поскольку межосевое расстояние между рабочими валками значительно меньше габарита приводного двигателя по ширине, электродвигатели приходится располагать друг за другом. Однако при таком расположении, вызывающим разные длины валопроводов, в конструктивные схемы привода приходится дополнительно вводить передаточные редукторы, компенсирующие параллельное смещение осей рабочих валков и осей электродвигателей. Эти редукторы также служат целям обеспечения необходимых скоростей прокатки при работе двигателей в их паспортных режимах.
Конструктивный чертеж линии привода 4-ой клети стана холодной прокатки 1700, эксплуатируемого в ОАО "Северсталь", (вид в плане) показан на рис.3.2. Особенностью показанной схемы привода является неодинаковая жесткость на кручение каждой из ветвей привода от электродвигателя до соответствующего рабочего валка.
Известно, что регулирование скорости и приводного момента вращения каждого электродвигателя с целью их синхронизации производится электрическими схемами. Тем не менее, из-за запаздывания отработки системой управления сигнала о нарушении синхронности вращения, отклонений в каждый момент времени переднего и заднего натяжений полосы, изменений в величине сил трения в очаге деформации для верхнего и нижнего валка в упругих элементах линии привода могут возникать крутильные колебания.
Крутильные колебания в линии привода, включающей шпиндели валков, вызывают некоторые малые взаимные повороты рабочих валков тносительно друг друга, а также относительно массивных опорных валков.
Эти периодические малые повороты становятся причиной линейных смещений, приводящих к силовым воздействиям через опорные подшипники и подушки на станины клетей. Таким образом, создается вибрационная картина, наблюдаемая при некоторых режимах прокатки на станах холодной прокатки. Особенно вибрация клетей и неустойчивая прокатка проявляется в резонансном режиме, когда уровень силовых воздействий на клеть и возбуждающая частота этих воздействий приводит к усиленной вибрации, характеризующейся внешне как "гудение" клети. Возникновение резонанса колебаний возможно на собственных частотах клети, отдельных инерционных масс привода, продольных и поперечных частотах колебаний прокатываемой полосы, являющихся суммой или разностью собственных частот колебаний. Колебательные вибрационные процессы в большей мере свойственны механизмам, работающим с большими линейными или вращательными скоростями. Поэтому вероятность их появления более свойственна выходным или предоконечным клетям непрерывных станов холодной прокатки. Они особенно проявились, в частности, на 4-ой клети стана 1700 при определенной скорости прокатки [32].
Во избежание нештатного режима работы непрерывного стана с опасностью возможного обрыва полосы, а также ухудшения качества поверхности проката, снижения срока службы подшипников приходится работать в дорезонансном режиме, что снижает производительность, или обеспечивать быстрый переход скорости прокатки в зарезонансный режим за счет ускоренного "разгона" стана. Изложенные обстоятельства требуют изучить динамику приводной системы рабочих валков как многомассовой системы [33].
В данном случае, идеализируя задачу и отвлекаясь от работы зацеплений в редукторах и зубчатых соединительных муфтах, шпиндельного соединения, влияния углов наклона шпинделей относительно осей валков и вносимых этими элементами неравномерности передачи момента и угловой скорости вращения валков, рассмотрим динамическую систему привода и определим собственные частоты ее крутильных колебаний.
Примем, что маховые моменты собственно шпинделей и промежуточного вала невелики и могут быть соответственно частично добавлены к маховым моментам колеса и шестерни редуктора, приведенным моментам рабочих валков и роторов двигателей.
Считаем, что приведенная инерционная масса рабочих и опорных валков является общей. Этим самым, исключая проскальзывание, создается возможность оценки низшей частоты колебаний самой крупной инерционной массы.
Расчетная модель динамики привода, конструкция которого приведена на рис.3.2, показана на рис.3.3.
Как видно из схемы, имеется существенная несимметрия привода верхнего и нижнего рабочего валка. В целях большей наглядности, учитывая суммарную инерционную массу валковой системы, валопроводы условно присоединены к одному рабочему валку.
Поскольку в рассматриваемой системе приняты в качестве колеблющихся четыре массы, то и собственных частот (мод) также четыре, но общая картина колебаний будет определяться возможными сочетаниями (сложением и вычитанием) основных частот. Ниже мы показываем приближенный метод определения частот колебаний системы привода.
