《大型轧机载荷工况在线检测及动态特性分析》题材来源于生产实践，以大型轧机生产过程中亟待解决的问题与设备故障为主线，以试验方法及试验结果为主要内容，注重展示“原汁原味”的试验曲线及实测数据。内容力求通俗易懂、结论明确、图文并茂，以最少的篇幅传递信息量。
　　《大型轧机载荷工况在线检测及动态特性分析》以大型轧制设备为依托，内容涉及测试技术、动力学建模与分析、轧制设备的力能参数计算及动态特性分析等。主要包括：第1章，IHI大侧压调宽机执行机构的运动状态及动态特性测试方法、试验结果及易损件的寿命分析；第2章，1580PC轧机辊系交叉机构轴向力测试及零调偏差控制技术研究；第3章，2050CVC轧机生产能力评估及轧辊轴承失效原因试验研究；第4章，1780热连轧卷板生产线R1粗轧机垂扭耦合振动分析及F1、F4精轧机载荷工况试验研究；第5章，大型宽厚板轧机扭矩动态特性试验研究及关键零部件的应力状态分析。通过试验研究，捕捉到轧机轴承座的拍振、主传动系统间隙振动等真实案例，不但为轧制设备维护及轧制工艺参数控制提供依据，同时也为轧机振动理论的研究提供了基础数据。

　　第1章侧压调宽机动态特性在线检测与故障分析
　　要点：鉴于侧压定宽机特殊的工作原理，通过对其运动状态与动态特性的在线检测，分析了调宽执行机构的运动规律；以试验结果为依据，对侧压机构进行了动力学分析，给出了各运动副的受力状态；分析了板坯定宽过程的金属变形规律；并就生产实践中关注的衬板强度问题进行了试验研究。
　　在钢铁生产领域，随着连铸连轧技术的迅速发展，板坯在线调宽技术得到了广泛应用[1，2]。调宽技术作为连铸和连轧的中间环节，在整个轧制生产线上起着重要的作用，从某种意义上说，调宽技术实现了从坯料到产品在宽度尺度上的无缝连接，是实现多规格大批量连续化生产的关键技术。
　　目前，常用的连铸板坯在线调宽技术主要有大立辊调宽，简称立辊轧机；以及板坯定宽压力机(SizingPress)，简称SP轧机。立辊轧机通过两垂直布置的轧辊对板坯进行宽度方向连续挤压轧制，道次压下量受到限制。而SP轧机依靠两侧侧压模块对板坯进行锻打，大大增加了道次压下量，有效提高了定宽效率，可显著减少连铸板坯的宽度规格，实现了连铸机的专业化生产，减少了板坯库存，提高连铸与轧钢的一体化水平。鉴于SP轧机大的调宽能力，我国宝钢、鞍钢及迁钢等大型钢铁企业均引进了该设备，对扩大产品规格、增加钢材产量起到了积极作用。
　　图1-1和图1-2分别为板坯立辊调宽与侧压调宽示意图及其机械设备。
　　图1-1立辊调宽技术
　　图1-2大侧压调宽技术
　　1.1SP侧压调宽机构简介
　　图1-3为SP轧机机构工作原理图。与普通的轧制方式不同，SP轧机依靠定宽执行机构——模块的步进式对向拍击完成板坯的减宽过程。其主要机构包括侧压机构、同步机构、调宽机构三个部分。侧压机构由偏心轴、连杆、侧压模块组成，其主要功能是完成板坯的侧压。同步机构由同步传动机构、大小偏心和同步框架组成，其主要功能是保证在侧压过程中模块和板坯在轧制方向上的速度一致。通过两机构的复合运动实现其同步减宽。调宽机构采用两台电机传动，经传动系统推动侧压框架的外层框架，调整两侧模块的开口度，确定轧件的宽度。为了确保SP轧机的稳定轧制，还配有上下压紧辊及入口与出口夹送辊等辅助设备[3]。
　　图1-3SP轧机机构简图
　　1-调宽机构电机；2-主传动减速器；3-飞轮；4-增速机；5-大、小同步偏心轴及同步连杆；
　　6-侧压模块；7-主传动同步轴；8-同步机构电机；9-主偏心轴；10-侧压连杆；
　　11-侧压框架；12-同步框架；13-调宽机构电机；14-伞齿轮箱；15-调宽机构同步轴
　　1.2SP轧机动态特性试验方法
　　自第一套侧压调宽机问世以来，对其动态特性的研究十分活跃，许多学者采用解析法或仿真分析法给出了侧压模块运动轨迹、速度、加速度的理论分析结果，对SP轧机轧制理论的发展具有一定的指导意义[4，5]。然而在生产实践中，SP调宽机长时间工作在大侧压量的高负荷区域，加之工作中的冲击振动，一些部件在达到预期寿命之前出现各种故障，致使生产线停产，造成较大的经济损失。据某企业统计，仅在一年内，由于SP轧机故障造成的整条生产线非计划停机的直接经济损失近千万。为此，通过试验研究，深入分析影响产品质量与设备寿命的主要原因，是生产现场急需解决的课题[6]。
　　为找出SP轧机故障原因，最有效的方法是进行现场实测，从生产实践中发现问题，解决问题。针对SP轧机的故障特点，试验研究的主要内容包括侧压模块、同步框架的运动规律与振动状态、衬板的应力及振动等参数的测试。试验在生产条件下进行，试验结果反映了上述机构在工作状态下的运动与动态特性，为SP轧机冲击振动的理论分析及关键部件的寿命计算提供基础数据。
　　1.2.1测点选择
　　模块是SP轧机侧压过程的执行机构，其运动参数和振动状态与产品质量息息相关，因此，侧压模块运动状态是首选的测试目标，其次是使模块完成同步运动的外部侧压框架。在生产过程中，由于衬板故障频发，在衬板的相关位置设置了反映衬板振动状态及动态应力的测点。
　　为此，在模块的上表面安装了侧压方向(水平Y方向)与重力方向(Z方向)的振动传感器，在框架上安装了侧压方向(Y)与同步方向(水平X方向)的传感器。为了考察衬板的受载状态，在衬板上安装了重力方向的振动传感器，以及检测其应力状态的应变片。
　　图1-4为安装在各测点的振动传感器。
　　(a)衬板上安装的Z方向传感器
　　(b)轴承座上安装的X、Y方向传感器
　　(c)侧压模块上安装的X、Y方向传感器
　　(d)框架上安装的X、Y方向传感器
　　图1-4振动传感器的安装位置
　　1.2.2传感器的选择与安装
　　振动传感器主要有压电式、磁电式和电涡流式等。由于SP轧机模块运动具有频率低，冲击大，轧件温度高，轧制时在冷却水作用下模块上产生巨大的气团，模块工作条件十分恶劣等特点，因此传感器的选择是现场测试工作成败的关键。通过对传感器的性能比较，选择891-2型拾振器作为检测元件。这种传感器属于磁电式传感器，以速度信号为直接检测对象，经微积分变换，可确定模块的位移与加速度。这种传感器采用无源伺服技术，具有动态范围大、低频特性好、输出信号大、抗干扰能力强等优点。
　　图1-5为891-2型拾振器的外形及原理，其技术指标见文献[7]。
　　与891振动传感器配套的信号调理系统为891型放大器，其基本功能包括放大、滤波、阻抗变换等。
　　为保证安装精度，首先要对SP轧机的测点进行清洗与打磨，采用黏结力极强的黏接剂，将传感器牢牢地固定在测点上，严格控制传感器在X、Y、Z方向的安装角度。与传感器配套的引线为具有耐热、防水、抗干扰功能的专用屏蔽线。由于SP轧机属于重型设备，891-2型拾振器的质量与被测运动部件的质量比较，传感器附加质量的影响微乎其微，加之采用了高刚度的连接方式，使得传感器安装引起的误差降为最低。
　　(a)传感器外形
　　(b)传感器原理
　　图1-5891-2型拾振器及其工作原理
　　1.2.3测试软件的应用
　　随着计算机技术的发展，测试技术产生了质的飞跃，各种虚拟仪器技术及数据处理软件层出不穷，大大提高了数据处理的工作效率及数据处理结果的正确性。
　　SP轧机动态特性试验采用DASYLab软件作为测试平台，开发了适用于振动试验的信号采集控制与信号分析系统，图1-6为该软件的编程面板。
　　图1-6信号分析程序界面
　　DASYLab软件属于虚拟仪器技术领域的一种测试软件平台，是能够在Windows环境下运行的图形组态式数据实验室系统[8]，其最大特点是：包含许多功能强大的模块，用户只要按照自己的需要，以图标形式调用这些模块，设定好模块参数，并用数据通道连接线将它们恰当地连接起来，就可以形成用户期望的应用程序。DASYLab在系统具备数据采集硬件设备的条件下，可以直接建立测量、分析和控制等任务。
　　SP轧机运动规律与动力学特性试验在生产条件下进行，传感器在高温、高湿度、大冲击等极端恶劣环境下工作，必须做好传感器、连接导线等硬件的保护。同时要做好与调度、生产、机电维护等部门的协调与沟通，保证测试工作的正常进行。
　　1.3SP轧机侧压机构运动学仿真
　　运动学仿真是研究机构运动规律的有效方法之一。由于SP轧机的侧压运动是由两个机构组成的复合运动，具有一定的复杂性，因此首先采用运动学仿真方法对侧压模块的运动状态进行仿真分析，为SP轧机的动态特性试验提供参考。
　　1.3.1机构简化
　　SP轧机侧压机构可简化成具有同步运动和侧压运动的3自由度8杆机构，简化模型如图1-7所示。图中GFEQ与ABCD分别组成了侧压机构与同步机构的矢量多边形，其中主偏心轴FG、连杆FE、模块PE构成SP的侧压机构。小偏心CD、大偏心AB及连杆CB构成了SP轧机的同步机构。取侧压主偏心轴的一端G点为坐标原点，X方向为板坯运行方向，Y方向为模块侧压方向，可建立模块的运动轨迹方程。
　　图1-7SP轧机测压机构简图
　　1.3.2侧压机构的数学模型
　　设FG、AB、CD分别以角速度、、做匀速转动。
　　对于同步机构ABCD，其封闭向量方程式为
　　(1-1)
　　将式(1-1)投影到X轴和Y轴上，得
　　(1-2)
　　则
　　(1-3)
　　将式(1-3)对时间t求一阶导数和二阶导数，即得连杆BC的角速度、角加速度为
　　(1-4)
　　(1-5)
　　由式(1-2)得
　　(1-6)
　　因为
　　则
　　(1-7)
　　对于侧压机构GFEQ，其封闭向量方程式为
　　(1-8)
　　将式(1-8)投影到X轴和Y轴上，得
　　(1-9)
　　设时，；的最小值为，其中。将坐标原点平移到，建立新的坐标系，则，。因此，点的位移为
　　(1-10)
　　式(1-7)变为
　　(1-11)
　　将式(1-11)对时间t求一阶导数和二阶导数即得侧压模块在轴方向运动的速度和加速度分别为
　　(1-12)
　　(1-13)
　　由式(1-10)得
　　(1-14)
　　将式(1-14)对时间t求一阶导数和二阶导数即得连杆的角速度和角加速度为
　　(1-15)
　　(1-16)
　　由式(1-10)的第2式得
　　(1-17)
　　将式(1-17)对时间求一阶和二阶导数，即得侧压模块在y0轴方向运动的速度和加速度分别为
　　(1-18)
　　(1-19)
　　则SP轧机运动的数学模型如下。
　　侧压模块的位移：
　　(1-20)
　　侧压模块的速度：
　　(1-21)
　　侧压模块的加速度：
　　(1-22)
　　……

前言
第1章侧压调宽机动态特性在线检测与故障分析1
1.1SP侧压调宽机构简介1
1.2 SP轧机动态特性试验方法2
1.2.1测点选择2
1.2.2传感器的选择与安装3
1.2.3测试软件的应用4
1.3 SP轧机侧压机构运动学仿真5
1.3.1机构简化5
1.3.2侧压机构的数学模型6
1.3.3侧压模块运动规律仿真分析7
1.4SP轧机侧压模块运动状态试验结果分析8
1.4.1侧压模块的加速度与速度8
1.4.2侧压框架的加速度与速度9
1.4.3仿真结果的试验验证10
1.4.4两侧侧压机构的相位比较11
1.4.5侧压模块加速度信号频谱12
1.5 SP轧机侧压过程的金属流动状态数值模拟及冲击力计算13
1.5.1侧压冲击力的有限元模拟13
1.5.2模拟结果分析15
1.5.3基于试验的侧压过程冲击力计算17
1.6 SP轧机侧压机构动力学仿真～19
1.6.1侧压机构动力学模型的建立19
1.6.2侧压机构的刚弹耦合动力学分析20
1.6.3仿真结果分析22
1.7衬板的疲劳寿命分析27
1.7.1衬板受力状态试验研究27
1.7.2试验方法28
1.7.3试验结果分析29
1.8衬板疲劳极限测定32
1.8.1试验设备32
1.8.2衬板试件制备32
1.8.3试验结果分析33
1.8.4影响衬板寿命的主要因素34
1.8.5衬板结构的改进37
第2章1580 PC轧机轴向力在线检测及辊系交叉状态分析38
2.1 PC轧机辊系交叉机构简介38
2.2自适应均载机构工作原理40
2.2.1均载机构的力学模型40
2.2.2均载机构的移动轨迹仿真41
2.2.3工作辊PC轮与支承辊耳座的均载特征42
2.3 PC轧机辊系交叉状态分析42
2.3.1工作辊与支承辊交叉状态解析43
2.3.2工作辊之间的交叉状态45
2.3.3计算实例46
2.4 PC轧机的零调偏差46
2.4.1零调静偏差成因47
2.4.2轧制力静偏差的有限元模拟49
2.4.3辊系动偏差的产生51
2.5轧辊轴向力与轧制力动偏差52
2.5.1轧辊轴向力计算实例52
2.5.2轴向力对轧制力动偏差的影响53
2.6交叉头磨掼与轧制力偏差56
2.7PC轧机轴向力在线检测57
2.7.1轧机基本参数58
2.7.2试验目的与试验内容58
2.7.3试验原理及试验方法58
2.7.4传感器设计60
2.7.5轴向力测试系统63
2.7.6测试系统的标定63
2.7.7相关参数的检测及设备维护65
2.7.8试验步骤66
2.8 PC轧机零调过程相关参数实测结果分析66
2.8.1轧机的零调过程66
2.8.2零调过程实测信号的动态特性68
2.8.3动态零调过程的轴向力69
2.8.4零调过程的辊系交叉状态分析71
2.9轴向力与轧制力偏差试验结果分析72
2.9.1轧制过程被测信号动态特性72
2.9.2PC角与轧制力偏差实测结果分析75
2.9.3PC角与支承辊轴向力实测结果分析77
2.9.4工作辊轴向力实测结果分析80
2.10轧制力偏差影响因素的模拟试验83
2.10.1模拟试验轧机设计83
2.10.2试验同的与方法84
2.10.3轴承座侧隙对轧制力偏差的影响86
2.10.4辊系交叉状态对轧制力偏差的影u向87
2.10.5交叉点移动对轧制力偏差的影响91
2.11零调偏差控制方法研究91
2.11.1传统零调工艺分析91
2.11.2辊系两侧刚度差及垂直方向尺寸差控制92
2.11.3交叉头间隙的自位补偿92
2.11.4自位补偿法的试验验证96
2.12PC轧机主传动系统的扭振分析97
2.12.1PC轧机扭矩实测97
2.12.2试验结果分析99
2.12.3扭矩放大系数100
笫3章2050 CVC轧机载荷工况在线检测102
3.1轧机基本参数102
3.2测试系统组成103
3.3生产过程的轧制力跟踪103
3.3.1轧制力信号的采集103
3.3.2轧制力信号波形104
3.3.3轧制力实测结果统计分析107
3.4实测轧制力矩109
3.4.1扭矩检测原理及扭矩信号的传输109
3.4.2重载转了的扭矩标定110
3.4.3扭矩信号测点布置112
3.4.4扭矩信号实测波形1 12
3.4.5轧制力矩统计分析115
3.4.6扭矩放大倍数119
3.5实测轧制速度120
3.6 F4轧机齿轮分配箱齿轮轴的轴向力121
3.6.1单斜齿齿轮轴基本参数121
3.6.2斜齿齿轮轴的轴向力121
3.6.3轴向力计算结果分析122
3.7主传动系统扭振分析123
3.7.1扭振力学模型123
3.7.2扭振数学模型的建立124
3.7.3Fl轧机主传动系统崮有频率与主振型125
3.7.4F4主传动系统固有频率与主振型126
3.7.5固有频率实测值127
3.7.6主传动系统动态响应129
3.7.7速度对轧机主传动系统力学特性的影响131
3.7.8基于试验结果的含间隙系统动力学特性132
3.8CVC轧机工作辊轴承载荷工况在线检测133
3.8.1轴承结构与测试内容134
3.8.2轴承径向压力分布试验设计1 34
3.8.3轴承轴向载荷测试方案134
3.8.4轴承座内温度测量135
3.8.5测试系统组成135
3.8.6试验结果分析136
第4章1 780热连轧卷板生产线主要设备载荷工况在线检测与振动分析139
4.1 R1轧机动态特性分析140
4.1.1主传动系统扭振分析141
4.1.2轧机垂直振动分析144
4.1.3垂扭耦合振动分析148
4.1.4轧机扭矩在线检测与分析152
4.1.5基于试验的R1丰传动系统扭振分析159
4.1.6轧制力在线检测及分析161
4.1.7工作辊轴承座振动状态分析164
4.2F1精轧机载荷工况及动态特性167
4.2.1轧机结构与基本参数167
4.2.2实测扭矩幅值及放火倍数168
4.2.3丰传动系统扭振分析172
4.2.4实测轧制力分析175
4.2.5支承辊轴承座振动分析178
4.3F7轧机力能参数检测182
4.3.1轧机结构与基本参数182
4.3.2轧制力矩及动态特性183
4.3.3扭矩放人倍数185
4.3.4轧制力分布188
第5章宽厚板轧机主传动系统力学特性分析及关键零部件应力计算191
5.1 4300mm中厚板轧机主传动系统力学特性分析192
5.1.1轧机基本结构及基本参数192
5.1.2轧机扭矩在线检测193
5.1.3测点选择196
5.1.4扭矩信号的时域特征196
5.1.5扭矩实测结果分析199
5.1.6典型产品轧制过程的扭矩实测结果统计201
5.1.7主传动链实测扭矩比较205
5.1.8轧机主传动系统扭振分析207
5.1.9主传动系统关键部位应力检测215
5.1.10轧机主传动系统动态特性分析221
5.1.11传动系统主要零件应力分析227
5.2 5m宽厚板轧机主传动系统扭振分析229
5.2.1轧机丰传动系统简介230
5.2.2丰传动系统扭振分析230
5.2.3扭矩放火倍数234
5.2.4丰传动系统动态特性试验研究235
5.2.5试验结果分析236
5.2.6十字节又头异常损坏分析239
参考文献242