Назад в библиотеку

---

Диагностика вибраций прокатного стана

Автор: М. Маркворт
Источник: Журнал "Черные металлы", 2008 г., №8

В прокатных станах возникает множество различных вибраций, которые негативно отражаются на сроке эксплуатации и производственном состоянии оборудования и/или процессе формования, а также на качестве выпускаемой продукции. Это может привести, например, к разрушению деталей, колебаниям скорости вращения валков, поверхностным дефектам и отклонениям по толщине полосы. В данной статье рассматриваются вибрации, возникающие в прокатных станах, методы их диагностики с целью определения причин и факторов влияния. Обсуждаются принципиальные возможности уменьшения вредных вибраций.

В настоящее время к качеству проката предъявляются самые различные требования, причем наиболее жесткие выставляются к катаной полосе со стороны автомобилестроителей. В данной области требования к производству безупречной полосы постоянно повышаются, например в отношении постоянства толщины и плоскостности по длине и ширине полосы, а также качества ее поверхности.

Одновременно усиливается тенденция повышения производительности агрегатов, которая достигается за счет обработки более широких полос, повышения усилий на валки и привод, а также скорости прокатки. Эти же факторы способствуют возникновению и распространению разнообразных вибраций.

Прокатные станы имеют сложные динамические характеристики. Они представляют собой нелинейные системы с изменяющимися во времени переменными и с высокой модальной плотностью. Вибрации и причины их возникновения можно классифицировать по следующим категориям [1, 2]:

• возмущения, пропорциональные скорости вращения валков, роликов и моталок, возникающие в результате неуравновешенности или эксцентриситета, а также вследствие рифления валков;
• детерминированные возмущения от подшипников скольжения и качения;
• возмущения, пропорциональные скорости вращения привода, возникающие в результате несоосности или погрешности шага, зацеплений зубьев или повреждений редуктора;
• периодические возмущения из-за наличия дефектов предыдущих технологических стадий (поперечной волнистости поступающей полосы), вспомогательного оборудования (дефектов шлифовки вaлкoв), а также системы регулирования технологическим процессом;
• скачкообразные или ударные возмущения из-за наличия зазора в приводе или подшипниках, прерывистости технологического процесса (пропуск сляба), отдельных дефектов полосы или неустойчивости регулирования;
• стохастические возмущения в результате трения в подшипниках и редукторах, соударения валков друг о друга, деформационного процесса;
• собственные колебания линии привода из-за постороннего возмущения, пропорционального скорости вращения и самовозбуждения (Тorque-Chatter – вращающий момент-дребезжание);
• собственные колебания и движение подушек прокатных валков, в частности из-за самовозбуждения (Chock-Chatter – подушка-дребезжание);
• собственные колебания прокатной клети как вибрация в вертикальной плоскости верхнего комплекта валков относительно нижнего, в частности из-за самовозбуждения (Cage-Chatter – комплект прокатных валков-дребезжание);
• собственная вибрация прокатной клети в области повышенных частот колебаний жесткого тела и изгибающих колебаний валков из-за постороннего возмущения или самовозбуждения (Roll-Chatter – валок-дребезжание);
• собственные колебания полосы, зависящие от натяжения, ширины, свободной длины полосы и формы колебания, а также самовозбуждения Stripp–Chatter – полоса–дребезжание).

В процессе прокатки происходит наложение возмущений различной природы в широком диапазоне частот. Особенно критическими являются самовозбуждения, поскольку в этом случае колебательная система в саморегулирующем режиме воспринимает энергию в такт собственным колебаниям, что очень быстро может привести к появлению вибраций большой амплитуды.

Из-за изменения параметров продукции (размеры, материал), технологического процесса (скорость, усилия, натяжение полосы и др.) и оборудования (валки, подшипники) происходит постоянная корректировка характера возмущений и колебаний.

Влияние вибраций

Особое внимание следует уделять вибрациям, негативно влияющим на производительность, продукцию (снижение уровня качества или брак), оборудоaвание (быстрый износ и дефекты деталей) и технологический процесс (пониженная скорость прокатки, увеличенное время простоев).

Колебания, возникающие в линии привода, могут, с одной стороны, привести к повреждениям оборудования (поломка редуктора, увеличение зазоров до разрушения шпинделей или муфт), а с другой – вызвать сбои в технологическом процессе. В свою очередь, любые изменения в оборудовании или технологическом процессе усиливают эффект возбуждения колебаний.

Валки с поверхностными дефектами вследствие прямого воздействия на полосу негативно влияют на качество продукции и способствуют возникновению вибраций всей прокатной клети. Это, в свою очередь, усиливает дефекты полосы, приводит к повреждению деталей клети и привода и в конце концов увеличивает дефектность самих валков.

Наряду с этими причинно-следственными эффектами влияние дефектов может распространяться не только на соответствующие детали конкретной прокатной клети, но и агрегаты других производственных стадий, например:

• опорный валок – рабочий валок – полоса;
• комплект валков А – подшипник – комплект валков В;
• ... – клеть X – полоса – клеть Y – ... ;
• ...- стан горячей прокатки – полоса – стан холодной прокатки – полоса – дрессировочная клеть – ... .

Особый класс дефектов катаной полосы, возникающих в результате вибраций, – это распространяемые в поперечном направлении нарушения: поперечная вoлнистость, рифление, биения, полосы, рябь [7]. При нормальных условиях производства с различной долей, длиной волны и амплитудой наблюдаются смешанные формы дефектов (разнотолщинность, изменение формы, различия в шероховатости, биения), которые в определенных пределах не видимы или не оказывают возмущающего эффекта. Проблемы возникают при доминировании какого-либо дефекта, когда его амплитуда увеличивается настолько, что приходится либо уценивать продукт, либо останавливать технологический процесс.

Длина волны дефекта зависит от скоростип прокатки и частоты вибраций (например, от 10 Гц при вибрациях привода до 2000 Гц при вибрациях валков) и может находиться в диапазоне от нескольких миллиметров до нескольких метров. Амплитуда дефектов лежит в пределах от невидимой примерно до 20 мкм для изменения формы или до 200 мкм для разнотолщинности.

Причиной появления периодических дефектов полосы чаще всего является наложение разнообразных прямых внешних воздействий, а также косвенных усиливающих или ослабляющих факторов.

Принципиально при их возникновении следует различать две причины: собственная динамика агрегата и периодические изменения в производственной системе (рис. 1).

Снижение вибраций

Возникающие в ходе прокатки вибрации, обусловленные работой оборудования и самим технологическим процессом, предотвратить невозможно. Тем не менее за счет приведенных ниже мер на них можно оказывать соответствующее влияние.

Исключение причин. Самый эффективный метод борьбы с вибрациями исключение или по крайней мере затруднение причин их появления. Дефекты, возникающие в подшипниках, зубчатых передачах или валках, как показывает анализ, можно устранить в ходе работ по техническому обслуживанию. В силу сложности прокатного агрегата соответствующее выявление дефектов чаще всего возможно лишь при систематической диагностике вибраций.

Демпфирование, согласование, амортизация. На основании структурного анализа следует рассмотреть классические меры борьбы с вибрациями: демпфирование колебаний, согласование элементов структуры, амортизация вибраций. В определенных случаях за счет оптимизации структуры можно добиться улучшения динамики агрегата. Применение пассивных демпферов или амортизаторов в силу конструктивных особенностей прокатного оборудования едва-ли принесет большой успех. Снизить уровень вибраций комплекта валков можно за счет использования адаптивных демпфирующих систем, а уменьшить вращательные колебания привода – за счет применения адаптивных амортизаторов. Тем не менее, из-за сложности реализации на практике обе системы находятся на стадии исследований.

Уменьшение собственных возбуждений. Исключение самовозбуждающихся колебаний в силу их чрезвычайно большого влияния представляет собой важнейшую задачу. Поскольку поток энергии в колебательной системе прервать невозможно, следует разорвать обратную связь или выключить инициирующий механизм.

В силу спонтанного появления, а также многогранности проявления и изменчивости факторов влияния профилактические меры по предупреждению собственных возбуждений до сих пор малоэффективны, хотя и разработаны теоретические модели механизмов их возникновения и проведены исследования по стабилизации системы. Определение технологических параметров, мало склонных к самовозбуждению, часто основывается на опыте оператора агрегата, а также на результатах экспериментального системного анализа.

Мониторинг с возможностью вмешательства. Последней возможностью минимизации колебаний, возникающих при прокатке, является применение системы контроля, основанной на использовании баз данных, поддерживаемой моделями и ориентированной на состояние системы. Диагностика, прогнозирование и возможность вмешательства в режиме реального времени в технологический процесс ли работу агрегата являются необходимыми элементами работы системы (рис. 2). Влияющие на характер колебаний технологические параметры, которые могут меняться в ходе производственного процесса – это, например, в случае холодной прокатки – скорость прокатки, натяжение полосы, усилие прокатки и трение [3–7].

Применение систем контроля вибраций целесообразно не только с точки зрения возможности вносить коррективы в режиме реального времени. Полученные данные можно использовать для идентификации дефектов и анализа тенденций, для того чтобы определить предварительно задаваемые параметры для службы технического обслуживания и для оптимизации всего агрегата и процесса.

Диагностика вибраций

Для анализа вибраций и их причин необходимо провести теоретические расчеты и измерения (рис. 3).

В первую очередь на основе чертежей, данных производителя и эксплуатационника сопоставляются все причины возникновения вибраций для конкретного прокатного агрегата. Эта информация является основой для планирования измерений, то есть мест, времени, величины, систем измерения и других. 3a счет использования различных режимов работы агрегата в ходе процедуры измерения и специальной системы анализа данных во временном и частотном диапазоне выделяются зависимые от скорости вращения компоненты вибраций, собственные колебания и возмущения.

В теоретическом плане подетально рассчитываются частоты дефектов с использованием фактических характеристик агрегата (например, диаметр валков во время измерения) и процесса (например, опережение и проскальзывание). Идентификация дефектов осуществляется через соответствующую скорость вращения детали в диапазоне теоретической и измеренной частоты колебаний. Таким образом, можно выявить причины, определить предварительные параметры для их устранения или минимизации.

При наличии широкого спектра возмущений в шестивалковой клети (например, в диапазоне частот поперечной волнистости существует несколько сотен генерируемых частотами дефектов и их гармониками потенциальных возмущений) необходимо проводить более глубокие исследования.

Условием для успешной идентификации дефекта является высокоточное определение скорости вращения соответствующей детали. Первые шаги, которые необходимо предпринимать при неудачном поиске дефекта, – это определение частоты вращения с более высокой точностью, например, за счет применения специальных методов измерения или уравновешивания частот колебаний. Следующие шаги – проверка теоретических данных и фактических параметров, расширение списка потенциальных причин до вспомогательного оборудования и предшествующих агрегатов, а также широкомасштабные измерения с анализом тенденций и мониторингом деталей.

Определение и классификация собственных колебаний производится сравнением результатов теоретического и экспериментального системного анализа деталей или всего агрегата. Основные инструменты для проведения теоретического анализа – программы на основе методов конечных элементов (FEA) и многочастичного анализа (МВА). Классический метод экспериментального модального анализа (EMA) для прокатных агрегатов можно использовать только для оценки отдельных деталей (валки, подушки). В данном случае важно проводить измерения во время процесса прокатки и использовать методы анализа производственных вибраций.

Примеры

Рифление опорных валков дрессировочной четырехвалковой клети. Два основных источника дефектов на опорных валках послужили причиной для исследования системы стан – дрессировочная клеть: по-отдельности или в результате наложения различной формы дефектов появлялись поперечные биения размером примерно 18 и 55 мм.

С целью анализа вибрационных характеристик были выполнены измерения, которые регистрировались системой контроля. На основании анализа сигналов во временном и частотном диапазоне был идентифицирован 18-миллиметровый дефект как результат собственных колебаний прокатной клети на частоте примерно 1720 Гц (рис. 4). Напротив, при 77-кратном увеличении частоты вращения был усилен 55-миллиметровый дефект в результате действия возмущения, пропорционального скорости вращения.

Хотя оба дефекта имели одинаковую форму проявления и появлялись одновременно, механизмы их возникновения принципиально отличались друг от друга.

Дребезжащая вибрация и трещины холоднокатаной полосы. На непрерывном стане при частоте примерно 125 Гц часто появляются колебания, называемые дребезжанием. Действие этих колебаний выражается в появлении волнистости по толщине длиной примерно 70 мм и амплитудой до 100 мкм.

Единственная возможность ослабить колебания – резкое уменьшение скорости прокатки. Поскольку оператор не смог своевременно распознать дребезжание на ранней стадии, то на полосе образовались трещины и, как следствие этого, – значительный ущерб и простои (рис. 5).

С целью исследования колебаний были проведены широкомасштабные измерения и отобраны образцы полосы для определения расположения дефектов. Причина вибраций – нестабильное самовозбуждение из-за свободных колебаний жесткого тела: верхний комплект валков относительно нижнего. За счет установки системы контроля с возможностью частотной оценки возмущающих колебаний и автоматизированной адаптацией к скорости прокатки удалось полностью устранить возникающие в результате вибрации трещины полосы.

Колебания толщины полосы в реверсивной клети. Значительные колебания толщины полосы отдельных марок сталей послужили причиной анализа сигналов измерения толщины в реверсивной четврехвалковой влети.

Сопоставление измеренных колебаний толщины полосы проводили с помощью спектрограмм относительно скорости прокатки (рис. 6).

Поступающая полоса имела обусловленные предыдущими стадиями технологического процесса периодические дефекты толщины малой амплитуды (несколько горизонтальных линий в области постоянной скорости прокатки в диапазоне 2–6 Гц), которые оставались неизменными во всех проходах.

При прокатке критические колебания толщины полосы являются пропорциональными скорости вращения моталки (нисходящие линии на стадии постоянной скорости прокатки с базовой частотой примерно 2 Гц в начале прохода и 1 Гц – в конце) и возникают в результате колебаний системы моталка – полоса – прокатная клеть – нажимные устройства – усилия прокатки.

Исследования станка для шлифования опорных валков. В ходе исследований определены характеристики колебаний станка для шлифования опорных валков и проанализировано их возможное влияние на образование рифления. Процедура измерения осуществлялась по трем направлениям с использованием датчиков ускорения, расположенных на корпусе привода, подшипниках валков и шлифовальном шпинделе. Контролируемые параметры – число оборотов, сила тока при водного двигателя валков, шлифовального диска и перемещения каретки.

Для устранения самовозбуждаемых колебаний вибрации привода валков и шлифовального диска варьировались с частотой примерно 40 Гц синусоидальной формы.

Данные возмущения не оказывают влияния на пропорциональные скорости вращения.

Таким образом, удалось однозначно определить передаваемые через цепочку привода со 192 зубьями чужеродные колебания, пропорциональные скорости вращения шлифовального диска возмущения, а также их разнообразные формы проявления (рис. 7). В диапазоне частот 20–400 Гц были измерены собственные колебания малой амплитуды, не имеющие признаков само- или параметрического возмущения. Повышенные амплитуды, ответственные за возникновение рифления валков, появлялись при наличии собственных колебаний на уровне примерно 270 Гц и возмущений в двухрядной звездочке.

Выводы и перспективы

Колебания, возникающие в металлургических агрегатах, принимая во внимание постоянно возрастающие требования к качеству продукции, производительности и надежности оборудования и экономии затрат, представляют собой все более серьезную проблему.

Диагностика вибраций является средством идентификации и локализации причин появления возмущающих колебаний в прокатных станах, правильных машинах, линиях обработки полосы и других агрегатах, позволяющая на основе полученных данных разработать и проконтролировать меры по их предотвращению или устранению.

В перспективе идею бездефектного производства можно реализовать только при использовании комбинации различных мер. В связи с этим предметом проводимых в настоящее время исследований являются системы сквозного технологического контроля, их интеграция в производственную цепочку, а также внедрение адаптивных средств по уменьшению вибраций в общую концепцию оптимизации производственного процесса.

Список использованной литературы

1. Markworth, M.; Polzer, J.: Ursachen und Auswirkungen von Schwingungen in Walzwerken, VDIBerichte 1968 (2006), S. 45/67.
2. Markworth, M.: Dynamisches Verhalten von Walzenschleifmaschinen und der Einfluss auf das Walzenvon Band, AKIDA, ASRE Bd. 63 (2006), S. 107/16.
3. Markworth, M.; Polzer, J.; Ungerer, W.: HohereQualitat von Walzprodukten durch komplexe Uberwachung, VDI Berichte 1788 (2003), S. 301/18.
4. Mackel, J.: Maschinentechnische Online Uberwachung von Walzanlagen, AKIDA, ABAR Bd. 46 (2002), S. 143/58.
5. Aigner, H.; Helekal, G.; Katzmayr, M.; Luftensteiner, R.:Anwenderfreundliche Monitoringsysteme, VDI Berichte 1554(2000), S. 505/22.
6. Geropp, B.: Einsatz der Schwingungsuberwachungzur Qualitatssicherung und fruhzeitigen Fehlererkennungan Walzgerusten, VDI Berichte 1466 (1999), S. 131/40.
7. Markworth, M: stahlueisen 119 (1994) 11, ЧМ S. 101/09.