粗轧机是轧辊钢的机器。粗轧机主传动系统在生产过程中的扭振导致设备各构件的承载及运动规律发生变化。轧钢时咬入轧件、抛出轧件、间隙冲击、打滑、共振等,都会使传动系统引起相当大的尖峰力矩,扭矩放大系数( TAF)可达5～6 甚至更大。

粗轧机主传动系统在生产过程中的扭振导致设备各构件的承载及运动规律发生变化。轧钢时咬入轧件、抛出轧件、间隙冲击、打滑、共振等,都会使传动系统引起相当大的尖峰力矩,扭矩放大系数( TAF)可达5～6 甚至更大。过大的TAF 不仅对设备运行产生危害,就现代轧制而言,对生产工艺及产品质量也会产生不利影响。因此,在现代轧机设计和生产中都应对轧机的主传动系统进行动态分析。由于磨损和频繁换辊的缘故,粗轧机轧辊与主传动动力侧之间的周向间隙会不断增大,该间隙引起咬钢冲击,导致主传动较大幅度的扭振,成为零件疲劳失效的主要原因之一。

1、轧辊直径：100～500mm；辊面长度90～600mm；

2、轧辊材质：轧辊钢、Cr12MoV；

3、进料厚度或丝径：≤20mm；成品厚度：0.1～1mm；

4、轧制速度：0～20～50～100m/min；

5、电机总功率：4～500KW；

6、轧带厚度精度：纵向≤±0.005～±3%带厚；横向≤±0.003mm～±1%带厚；侧向弯曲度（对窄带而言）≤3mm/M；；

7、卷取电机功率0.2～300KW，收窄带时排线节距0.5～20mm。

粗轧机主传动系统通常可简化为上轴分支和下轴分支两个直串式多质量系统。对于由n 个质量单元组成的单支直串式多质量系统。

理论和实践都表明:当咬钢瞬间板坯速度v0 大于轧辊圆周线速度的水平分量时,板坯撞击轧辊后使轧辊加速转动,轧辊与系统动力侧之间的接轴间隙将打开,主传动系统的扭振成为非线性振动。在咬钢过程中, 若间隙常闭, 则对系统响应影响不大;若间隙打开,则将引起较大冲击响应,导致扭振振幅增大,对轧机产生不利影响。考虑轧辊与系统动力侧之间的接轴间隙时,咬钢过程可分以下3个阶段:

第1 阶段:板坯以速度v0 撞击轧辊,使轧辊增速,间隙首次打开,系统分开而成为轧辊和动力侧子系统2 个独立部分。

第2 阶段:板坯与轧辊同步后,此时电机力矩尚未及时建立,板坯依靠惯性咬钢而减速。此时接触面的滑动变为贴住,动摩擦变为静摩擦,方向也发生了变化。间隙先是继续打开而后逐渐减小,最终子系统追上轧辊重新建立联系,间隙闭合,引起系统冲击响应。

第3 阶段:间隙闭合激起的系统扭振导致各轴段产生不同步的角位移,当间隙两侧的轴段转角φi <φi + 1 时,间隙会再度打开。此后由于轧制力矩的作用使轧辊减速,系统追上轧辊后间隙再次闭合,如此反复,直到咬钢结束后系统轧制力矩和电机力矩完全建立,间隙通常不再打开,按照无间隙工况的常规方法分析后继时段的系统扭振响应。

忽略咬钢第1 阶段中系统因与轧辊分开产生的自由振动,以时间t1 + t2 为起点,取咬钢第3 阶段为扭振响应的仿真时段。此时,除轧辊的角速度Ω0 减小为Ω2 外,其余初始条件均不变。根据以上分析,设间隙位于质量单元n - 1 和n 之间,采用四阶龙格2库塔法建立粗轧机主传动扭振仿真模型。通过R2K 模块在系统或动力侧子系统的模态空间中执行四阶龙格2库塔程序,从而实现微分方程组的数值求解,输出扭振响应参数。当间隙闭合时,运行系统R2K 模块;当间隙开启时,运行子系统R2K 模块。

宝钢2050 轧机R2 主传动系统主轴与轧辊之间采用滑块式接轴,上下轴系各单元转动惯量和各轴段扭转刚度。对R2 主传动系统的上下轴系扭振频率、主振型以及主轴咬钢TAF 分别进行数值仿真,得到系统各阶固有频率。不考虑主轴与轧辊之间的接轴间隙时,设上下轴系初始角速度为4 rad/ s ,初始角位移为0 。激励函数的斜坡时间为0. 05 s ,稳态轧制力矩为2 000 kN ·m。

考虑间隙因素时,上下轴系主轴TAF 都有所增大,分别从1. 57 增大到1.64 ,从1. 45 增大到1. 68 。为验证方法的合理性,分别对4 ,8 ,22 ,26 ,31 和45 号工况进行了仿真,现场数据基本介于不考虑间隙和考虑间隙的两个计算结果之间,且多数偏向考虑间隙的计算结果一侧,说明分析比较合理。

基于龙格2库塔方法建立了粗轧机主传动扭振仿真模型,分析和仿真结果表明:按无间隙工况计算时,粗轧机主传动上下轴系均存在响应曲线穿越零线的情况,具备咬钢过程中间隙打开的条件。考虑间隙因素时,分析结果与无间隙工况计算值相比,上下轴系的主轴咬钢TAF 都有所增大,其中下轴系增大较明显。咬钢TAF 的现场实测数据基本介于不考虑间隙和考虑间隙的两个计算结果之间,且偏向考虑间隙的计算结果一侧。现场数据没有与考虑间隙的计算结果完全吻合的原因很多,其中一个主要原因是忽略了系统响应对系统阻尼特别是间隙段结构阻尼的敏感度。此外,电磁振荡以及上下轴系的载荷相关性也会对实际响应产生较大影响。