热轧粗轧机上下辊联合振动的故障处理

热轧粗轧机上下辊联合振动的故障处理

黄志刚，王武君，秦立宇，王雷

(宝山钢铁股份有限公司设备部，上海201900)

摘要：宝钢三热轧粗轧机R1上下辊在轧制高硬度钢种时出现轧机振荡，主要是原系统存在两方面的因素导致轧机振荡的加剧：一是R1轧机的转动惯量偏小，咬钢时动态速降大，且原双闭环控制系统存在反应滞后的缺点，使R1轧机在咬钢与加速过程中扭振加剧；二是原系统速度环的截止频率与上下辊及轧制材料组成的联合体的固有频率接近，导致R1粗轧机出现联合共振。通过投入外扰模型前馈控制(SFC)功能减轻了动态速降大的问题，有效抑制了轧机振动；通过对速度环控制参数的分段切换控制，使控制系统的频率与联合体的固有频率错开，保证了R1轧机的稳定运行。

关键词：扭振；外扰模型前馈控制；联合共振；截止频率

中图分类号：TG333．15 文献标志码：B文章编号：1008—0716(2009)06—0065—04

0 前言

　宝钢三热轧粗轧机R1为上下辊可逆轧机，两台同步电机的功率均为2 500 kW，由日本FEMIC公司FMD-70三电平大容量变频装置驱动，采用速度、电流双闭环控制系统。自投产以来，该轧机运行基本稳定，但在轧制钢种硬度较高以及大压下量时，多次发生在粗轧机上很少出现的上下辊通过轧制材料形成的联合共振现象，电机速度振荡，电流随着剧烈波动而导致装置过电压或过电流跳电现象的发生。

1 故障分析

1．1 动态速降及速度波动大的原因分析

　 从图1跳电波形可知，在R1轧机咬钢瞬间其动态速降较大，随后加速到轧制速度。在这过程中，Rl下辊轧机的速度开始波动，其频率大约为16．6 Hz。本来应很快加速到轧制速度，但是轧机速度振荡逐步有加大趋势，随后轧机速度缓慢上升，此后速度开始以8．3 Hz的振动频率振荡，速度波动幅值达±20％，电机电流实际值也剧烈波动而导致装置过电流跳电。

　 将三热轧R1上辊电机的设计参数与国内同类热轧Rl上辊轧机的参数进行比较，如表1所示。三热轧R1上下辊电机的转动惯量相对偏小，大约只有国内同类R1轧机的55％，相应整个R1上辊机电总转动惯量也明显减小。这样舻优点是减小了电机的体积与制造成本，可以满足更高动态要求；但承受冲击负荷时动态速降增加，对板形及轧机的稳定运行带来一定的影响，甚至会卡钢。

　轧机的主传动系统是由若干个惯性元件与弹性元件组成的“质量弹簧系统”，R1上辊轧机的机械动力学数学模型如图2所示。在稳定加载时，系统不会产生振动，但在轧制负荷突变时，“弹性系统”会发生不稳定的周期性扭振，扭振频率就是弹性系统的固有频率^[1]。为了简便计算，忽略阻尼摩擦力矩，则有公式(1)～(3)^[1]。

式中，M_d为电机输出转矩；M_df为电机与轧辊连接轴的扭矩；M_f为轧辊的负荷转矩；θ_d为电机旋转角度；θ_f为轧辊旋转角度；J_d为电机转动惯量；J_f为轧辊转动惯量；K为传动机构弹性系数；，为上辊轧机系统的固有角频率。

　 假设轧制力矩M_f的加载为斜坡加载，如稳定轧制力矩为M_n，T为钢咬入时间，电机空载电流为i₀，稳定电机电流为i_n，则：

　 从公式(8)^[1]可知：第1项是表示轧制静力矩，第2项为加速力矩，第3、4项表示由外加干扰引起的振动力矩。振动力矩与轧辊咬入时间、轧辊所承受的冲击负荷力矩的大小以及电机与轧辊的转动惯量的分配等有关。该轧机采用速度、电流双闭环系统。在突加负载的过渡过程中，由于电流环中电流负反馈的滞后效应，而速度环时间常数又比电流环大一个数量级，不能根据实际负荷扰动的大小迅速控制轧机的输出力矩，也就不能有效抑制轧机的扭振，导致电机的动态速降与速度波动大。

1．2 R1轧机联合共振的原因分析

　由于轧机传动系统是一个典型的机械动力学弹性模型，在轧制扰动条件下，如果该机械动力学弹性模型的固有频率与速度环截止频率相接近或为倍频的情况下，整个传动系统就会出现机电共振，引起电流与速度振荡，造成机电系统不能稳定运行，甚至可能导致电机及轧辊传动轴系各部件的损坏。

　 R1是上下辊可逆轧机，在通常情况下，由于轧制材料温度正常、压下量适中、轧制材料弹性系数低，能产生一定阻尼力来衰减上下辊的振动；但当轧制材料温度低、硬度高及压下量大时，轧制材料的阻尼力会减少，从而上辊轧机通过轧制材料与下辊轧机连接成一联合振动体。R1上下辊联合体的结构如图3所示，R1上下辊联合体的数学模型如图4所示。联合振动的频率可根据公式来计算。

　为了避免机电系统的固有频率与系统速度环的截止频率相接近，要求机电系统的固有频率与系统速度环的截止频率相差3～5倍以上。由R1上下辊可逆轧机的传动数学模型，并通过计算机仿真，推算出R1上辊轧机的固有频率为21．8 Hz；下辊轧机的固有振荡频率为18．1 Hz；上下辊轧机及轧制板坯所形成的联合振动体的固有频率大约在8 Hz左右，与图l实际频谱分析的结果基本一致。宝钢三热轧R1上下辊轧机传动系统的速度环截止角频率ω_c，为30 rad／s，截止频率为4．78 Hz。则有：

　 ƒ_{上辊固有频率}／ƒ_截止频率=21．8／4．78=4．56>3

　 ƒ_{下辊固有频率}／ƒ_截止频率=18．1／4．78=3．78>3

　 ƒ_{联合共振频率}／ƒ_截止频率=8／4．78=1．67<3

　原系统设计的轧机速度环的截止频率与上辊或下辊轧机的机电弹性系统的固有振荡频率是错开的，不易发生单机架机电系统的共振。但一旦出现上下辊联合振动，因系统速度环的截止频率与联合体的固有振荡频率比较接近，易发生上下辊联合体共振。

2 故障处理

2．1投入SFC控制

　 由于一般双闭环控制系统存在抗扰动性能不足的缺点，我们利用TMD—70主传动装置提供的SFC(simulation following control)功能实现对负荷扰动的预测，通过附加力矩控制主电机的输出，从而降低动态速降，抑制扭振。

2．2速度环控制参数的自动切换控制

　 由于R1轧机转动惯量小，原系统设计时，为了避免过大的动态速降，必须提高传动系统的响应角频率到30 rad／s。但在轧制钢种硬度较高以及大压下量时，该联合振动频率与速度环的截止频率接近，造成上下辊联合共振。为了避免上下辊的联合共振，又要避免动态速降大，需要反复调试K_sc与T_sc参数。咬钢前及在咬钢0．75 s内，速度环的响应角频率仍然维持在30 rad／s；咬钢0．75 s后把速度环的响应角频率降到15 rad／s，截止频率为2．39 Hz，ƒ_{联合共振频率}／ƒ_截止频率=8／2．39=3．57>3，基本躲过了上下辊联合体的固有频率，避免了共振的出现。抛钢前为了避免太大的速度上升，又把速度环的响应角频率恢复到30 rad／s。

3 小结

　由于R1上下辊轧机的转动惯量小，以及一般速度、电流双闭环控制系统存在电流负反馈的滞后效应的缺点，使原轧机系统的抗扰能力差。此外，在系统设计时，也没有考虑到上下辊轧机可能通过轧制材料构成联合共振。通过投入SFC控制，抑制了负载扰动下的轧机扭振，降低了动态速降，缩短了恢复时间；根据轧制过程自动对速度环控制参数进行切换控制，既避免了联合共振的出现，又满足了快速响应的要求。处理后R1轧机运行稳定，基本上满足了工艺轧制的要求；但Rl轧机在负荷扰动时速度仍然有一定波动，只是不影响正常轧制。

参考文献

[1]赵弘，李擎，李华德．负荷观测器在轧机扭振抑中的应用[J]．大电机技术，2006(2)：29．

[2]李崇坚，段魏．轧机传动交流电机机电振动控制[M]．北京：冶金工业出版社，2003：178．