Алгоритм идентификации вибраций на стане бесконечной холодной прокатки Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.771.065

К. А. Харахнин, Е. А. Маслов, А. В. Кожевников

АЛГОРИТМ ИДЕНТИФИКАЦИИ ВИБРАЦИЙ ИА СТАНЕ БЕСКОНЕЧНОЙ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ1

К. A. Harahnin, Е. A. Maslov, А. V. Kozhevnikov

ALGORITHM OF VIBRATIONS IDENTIFICATION IN A CONTINUOUS COLD-ROLLING MILL

Определен диапазон параметров прокатки, соответствующих вибрациям на стане холодной прокатки, и параметры колебаний натяжения полосы. Найдены частотные диапазоны колебаний натяжения прокатываемой полосы. На основе полученных результатов предложен алгоритм идентификации вибрации по частотным свойствам колебаний натяжения прокатываемой полосы.

Стан холодной прокатки, натяжение полосы, вибрационные процессы, параметры колебаний, идентификация вибраций.

Authors have defined a range of rolling parameters corresponding to vibrations in a cold-rolling mill and parameters of sheet tension fluctuations. Frequency ranges of tension fluctuations of the sheet are found. On the basis of the received results, the algorithm of vibration identification is suggested using frequency properties of sheet tension fluctuations.

Cold-rolling mill, sheet tension, vibration processes, fluctuations parameters, vibration identification.

Опыт работы станов бесконечной холодной прокатки показал, что при определенной скорости движения полосы в рабочих клетях станов наблюдаются вибрационные процессы [1-5].

Данная проблема актуальна не только для отечественных, но и для зарубежных станов холодной прокатки, вибрации в которых получили название «chatter» (дребезжание, гудение).

На современных станах проектные скорости холодной прокатки составляют 25-30 м/с, однако на практике эти станы работают с существенно более низкими скоростями, что уменьшает их производительность. Одна из причин, не позволяющих работать на проектных скоростях- вибрации рабочих клетей, возникающие при увеличении скоростей прокатки. Вибрации являются причиной ухудшения качества поверхности металла, приводят к обрывам полос [2].

Одним из решений этой проблемы является снижение рабочей линейной скорости полосы в стане при возникновении колебаний, что полно-

стью не исключает возможность аварии и ведет к снижению производительности оборудования [6].

Для выявления природы возникновения вибраций и предотвращения или уменьшения вредных последствий колебаний натяжения полосы авторы выполнили исследования колебаний натяжения и параметров прокатки, при которых эти колебания возникают.

В качестве объекта исследований выбран 5-клетевой стан 1700 производства холоднокатаного листа ОАО «Северсталь», на котором часто возникали колебания натяжения полосы в 3-м межклетевом промежутке.

Авторы обработали массив осциллограмм с записью колебаний натяжения полосы и фиксацией основных параметров прокатки. В качестве примера на рис. 1 показаны осциллограммы натяжения полосы между 3-й и 4-й клетями (рис. 1,а) и ее скоростей в 3-й и 4-й клетях (рис. 1,6).

1 Работа выполнена и поддержана в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (грант № НК-389П(5)).

Рис. 1. Осциллограммы натяжения полосы между 3-й и 4-й клетями и ее скорости в 3-й (1) и 4-й (2) клетях в режиме колебаний

Время, с

Процесс колебаний натяжения полосы характеризуется четырьмя стадиями. Стадия I характеризуется зарождением колебаний и постоянством скорости прокатки. На стадии II продолжается нарастание амплитуды колебаний натяжения полосы и на определенном уровне отклонения натяжения от заданного значения система определения критических вибраций идентифицирует колебания натяжения полосы, на основании ее состояния скорость прокатки начинает понижаться. Снижение скорости клетей приводит к затуханию колебаний натяжения, и на стадии III колебания натяжения прекращаются. Однако скорость прокатки по-прежнему снижается (это связано с особенностями алгоритма идентификации, поскольку он не определяет частотные свойства колебаний, а лишь опирается на относительные амплитуды бросков натяжения полосы во временной области). И на стадии IV скорость достигает нового установившегося значения, характеризующегося стабильностью натяжения [6, 7].

В процессе исследований проанализированы следующие параметры прокатки: Н2 - заданная толщина полосы во 2-м межклетевом промежутке, мм; Нъ - заданная толщина полосы в 3-м межклетевом промежутке, мм; Я4 - заданная толщина полосы в 4-м межклетевом промежутке, мм; Уз - заданная линейная скорость в 3-й клети, м/с; Уц - заданная линейная скорость в 4-й клети, м/с; Т-ц — натяжение полосы в 3-м межклетевом промежутке, МЫ.

По результатам исследования получены гистограммы распределения задаваемых (рис. 2) и рабочих параметров прокатки.

Толщина прокатываемой полосы, при которой возникают колебания натяжений, находилась в следующих диапазонах:

#2 = (0,65 ± 0,15) мм; #3 = (0,48 ± 0,07) мм;

#4 = (0,4 ± 0,05) мм.

Окружные скорости валков тех клетей, в

-Я2

-

1 .... -- - .... -- -•

0,4 0,5

0,6 0,7

а)

0,8

14 12

10

Н, мм о 0,9

2

Л

10 12 14 16 в)

• Уз

■У4

и

V. м/с

18 20

22

I

'#3 .#4

0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 б)

12 10 8 6 4 2

Я, мм 0_

0,08

'34-

Ъа

Натяжение, МН

ОД

0,12 0,14 г)

0,16 0,18

Рис. 2. Гистограммы заданных параметров прокатки, при которых возникают колебательные процессы: а -толщина полосы во 2-м межклетевом промежутке; б - толщина полосы 3-м и 4-м межклетевых промежутках; в - скорость полосы в 3-й и 4-й клетях; г - натяжение в 3-м межклетевом промежутке

межклетевых промежутках которых возникают колебания, распределились следующим образом:

К3 = (13 ± 2) м/с; У4 = (18,5 ± 2) м/с.

При возникновении колебательных процессов, заданное натяжение полосы в 3-м межклетевом промежутке равно Т34= (0,125 ± 0,03) МН.

Анализируя положения гидронажимных устройств (ГНУ) и значения усилий прокатки в 3-й и 4-й клетях, установили, что они распределены в широких диапазонах: 0,1-1,6 мм - для положений ГНУ в 3-й и 4-й клетях; 5,5-8,5 МН -

для усилий 3-й клети; 4,5-7,5 МН - для усилий в 4-й клети.

Исследовав колебания натяжения полосы, для колебаний, представленных на рис. 1, а, построили псевдоспектральную характеристику методом быстрого преобразования Фурье (рис. 3, а). На графике амплитудного спектра выделяется основная частота, характеризующая гармонику колебаний и составляющая /<* = = 13,6 Гц.

Анализ колебательных процессов по их ам-плитудно-частотным характеристикам позволил выделить замкнутую область параметров колебаний натяжения (рис. 3, б), ограниченную по-

120

г? §100

1 80

2

сз

I 60

I40

и о £ 20

Область колебаний натяжения

0 5 10 15 20 /Гц

б)

Рис. 3. Характеристики колебаний натяжения полосы: а - амплитудный спектр колебаний натяжения; б - амплитудно-частотная область возникновения колебаний

25

лосой частот колебаний 6-20 Гц и относительной максимальной амплитудой бросков натяжения полосы 20-100 %.

В соответствии с полученными результатами разработан алгоритм идентификации критических вибраций, дополняющий существующий алгоритм, который позволит уменьшить время обнаружения вибрации, а значит, и снизить длительность воздействия негативных эффектов вибрации на прокатываемую полосу металла.

Для повышения быстродействия системы идентификации критических вибраций, помимо анализа относительных амплитуд в смежных межклетевых промежутках, также необходимо анализировать частотные свойства показаний датчиков натяжения прокатываемой полосы, относительную амплитуду бросков натяжения полосы и заданные окружные скорости клетей рассматриваемого межклетевого промежутка [б].

Метод частотной идентификации основан на том факте, что в частотном спектре показаний натяжения полосы, при возникновении колебаний натяжения, преобладает одна основная гармоника (рис. 3, а), период которой равен периоду повторений максимумов (или минимумов) показаний натяжения полосы.

На рис. 4 показаны максимумы и минимумы натяжения полосы, необходимые для идентификации вибраций по частотному признаку. Система определения критических вибраций должна выделить минимум показаний натяжения по-

лосы, следующие за ним 3 максимума и минимум показаний, следующий за третьим максимумом (экстремумы фиксируются вместе с моментами времени).

Частота колебаний натяжения полосы определяется как средняя по двум периодам:

/а

тах 3 'тах 1

'шах 2 'тах! К' I

тах 3 'тах 2 )

, (О

вр. обл - / ' \ п

— частота колебаний натяжения по-

гДе /вр обл

лосы, определяемая по максимумам показаний натяжения полосы, Гц; *тах]- отсчет времени, соответствующий максимуму показаний натяжения полосы, следующим после зафиксированного минимума, с; ¿тах2 - отсчет времени, соответствующий максимуму показаний натяжения полосы, следующему после первого зафиксированного максимума, с; /тах3 - отсчет времени, соответствующий максимуму показаний натяжения полосы, следующему после второго зафиксированного максимума, с.

Далее определяется частота колебаний натяжения по частотному спектру области, заключенной между зафиксированными минимумами, при сое[12л;4071]:

тах

/част, обл

1 Т(1)-е~'ш1 Л

2л

Рис. 4. Экстремумы колебаний натяжения полосы

где

/част, обл частота колебании натяжения полосы, определяемая по максимуму ее частотного спектра, Гц; T(t) - натяжение прокатываемой полосы, МН; imjn| - отсчет времени, соответствующий первому минимуму показаний натяжения полосы, с; imjn2 - отсчет времени, соответствующий минимуму показаний натяжения полосы, следующему после третьего зафиксированного максимума, с; со - круговая частота, рад/с.

При моделировании алгоритма установлено, что для 3-го межклетевого промежутка 5-клете-вого стана 1700 ПХЛ ОАО «Северсталь» система идентификации вибрации может давать команду на снижение скорости прокатки при соблюдении следующих условий:

fчаст. обл /вр обл — ^

(3)

> 0,2 nPH/e[/minl;/min2]; (4)

зад

У3 е [11; 15] м/с; У4 е [16,5; 20,5] м/с, (5)

где Гзад - заданное натяжение прокатываемой полосы, МН; К3 - окружная скорость валков 3-й

клети, м/с; к4 - окружная скорость валков 4-й клети, м/с.

Скорость следует снижать до тех пор, пока выполняются выражения (3) и (4).

Выражение (5) вытекает из диапазона скоростей 3-й и 4-й клетей, при которых возникают вибрации.

В случае невыполнения выражения (5), принятие решения о снижении скорости прокатки возлагается на существующий алгоритм [6].

Исследование разработанного алгоритма показало, что среднее время, которое требуется для обнаружения колебаний натяжения полосы, сократилось с 0,55 до 0,32 с.

Анализ результатов исследования позволяет сделать следующие выводы:

1. Амплитудно-частотная область возникновения колебаний натяжения полосы в 3-м межклетевом промежутке стана является замкнутой, что позволяет использовать частоту и относительную амплитуду колебаний при идентификации критических вибраций на стане.

2. Разработанный алгоритм идентификации колебаний, основанный на пороговом анализе частоты и относительной амплитуды колебаний натяжения полосы, позволяет сократить время негативного воздействия вибраций на прокатываемую полосу в 3-м межклетевом промежутке за счет увеличения быстродействия системы

определения критических вибраций в среднем с

0,55 до 0,32 с.

Список литературы

1. Аркулис, Г. Э. Автоколебания в стане холодной прокатки / Г. Э. Аркулис, 3. М. Шварцман, В. X. Файзуллин и др. // Сталь. - 1972. - № 8. - С. 727-728.

2. Крот, П. В. Исследование дефекта «ребристость» и высокочастотных колебаний станов холодной прокатки полос / П. В. Крот // Производство проката. - 2002. - № 3. -С. 21-23.

3. Пименов, В. А. О причинах нарушения устойчивости холодной прокатки / В. А. Пименов // Известия вузов. Черная металлургия. - 1990. - № 8. - С. 36-38.

4. Колпаков, С. С. Исследование вибраций на пятикле-тсвом стане 2030 / С. С. Колпаков, В. А. Пименов,

Ю. А. Цуканов, В. П. Рубанов // Сталь. - 1993. - № 1. -С. 47-51.

5. Гарбер, Э. А. Исследование причин возникновения колебаний в клетях непрерывных прокатных станов / Э. А. Гарбер, В. П. Наумченко, А. В. Кожевников и др. // Производство проката. - 2003. - № 1. - С. 10-12.

6. Пат. РФ №2239501, кл. В 21 В 37/00. Способ определения вибраций на станах прокатки полосы / Голованов П. Н., Степаненко В. В., Верхорубов А. А., Павлов С. И. -№ 2002135867/02; заявл. 31.12.02; опубл. 10.11.04 - 3 с.

7. Вибрации в технике: справ.: в 6 т. / ред. совет: В. Н. Челомей (пред.). - М.: Машиностроение, 1978. - Т. 1: Колебания линейных систем / под ред. В. В. Болотина. -353 с.

Харахнин Константин Аркадьевич - кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой автоматизации и систем управления, директор Института информационных технологий Череповецкого государственного университета.

Тел.: 8 (8202) 51-77-31, 8-911-509-40-62; e-mail: HARAHNINKA@chsu.ru

Маслов Евгений Александрович - аспирант кафедры автоматизации и систем управления Института информационных технологий Череповецкого государственного университета.

Тел.: 8-921-259-07-80, 8 (8202) 24-61-27; e-mail: PrestonRed@yandex.ru

Кожевников Александр Вячеславович - кандидат технических наук, доцент, заместитель директора Института информационных технологий Череповецкого государственного университета.

Тел.: 8 (8202) 51-73-43, 8-921-253-32-22

Harahnin, Konstantin Arkadievich - Candidate of Science (Technology), Professor, Head of the Department of Automation and Control Systems, Director of the Institute of Information Technologies, Cherepovets State University.

Tel.: 8 (8202) 51-77-31, 8-911-509-40-62; e-mail: HARAHNlNKA@chsu.ru

Maslov, Evgeniy Aleksandrovich - Postgraduate student, Department of Automation and Control Systems, Institute of Information Technologies, Cherepovets State University.

Tel.:8-921-259-07-80, 8(8202) 24-61-27; e-mail: PrestonRed@yandex.ru

Kozhevnikov, Aleksandr Vyacheslavovich - Candidate of Science (Technology), Associate Professor, Deputy Director of the Institute of Information Technologies, Cherepovets State University.

Tel.: 8 (8202) 51-73—43, 8-921-253-32-22.