轧机转速波动测量的扭振监测实验研究

　　1　引　言

　　轧机在稳定工况运行时,瞬时转速呈现出波动现象。利用轧机动力学理论和测试信号分析知识研究和认识轧机扭振故障机理,探求各种故障状况下瞬时转速波动的外在表现,是轧机扭振故障诊断的一条有效途径。

　　轧机主传动轴系受各种干扰力矩激励而产生扭振,导致传动轴的速度波动。速度波动过大会破坏传动系统稳态运转的平稳性,同时交变转矩引发交变应力使轴系零部件疲劳寿命降低。利用扭振时转速和负载发生改变的性质,通过对轧机主传动轴系的实机测试提取轧机主传动系统的瞬时转速来诊断各类扭振现象,对扭振指标统计,评估轴系疲劳寿命,获得轴系扭振动力特性和状态信息十分必要。

　　本文在弹性联接轴模型的基础上,通过合理抽象轧机主传动系统为二质量自由度转动惯量系统,得到瞬时转速的辨识方法。通过扭振测试实验,用辨识机制测得的转速波动测量值,作为控制的反馈输入控制电机端转速输出。比较了有无反馈控制机制两种情况下的抑制扭振效果,验证了测量转速波动监测扭振的意义及其应用可行性。

　　2　轧机传动系统速度波动分析

　　轧机主传动系统的动载荷引起的速度波动源于扭矩波动。求解传动轴速度周期波动有助于精确计算作用在相对转动轴系各轴段上的动态力。从动力学的角度,董全林等求解了旋转轴任意两个横截面间转动动力学方程[1,2],并获得了积分解[3]。设弹性转轴的扭转变形角为φ,则对其中的某段轴[1]而言有

　　其中,J是转动惯量;K是刚度;C是阻尼。从式(2)可以看出,转速波动除依赖于系统本身的常数J、K、C外,还与时间差(t1-t2)和两端面的转矩差有关。可见在转速波动的过程中,系统表现出非平稳的特性,转速波动相当于在一个指数曲线上叠加了一个正弦波信号。若a不变,则Δω是一个频率不变、幅值调制的非平稳信号。依据式(2)可以讨论在各种初始条件下的转速波动。为能定量分析稳态下转速波动的特点,借用传统的分析非平稳信号的短时傅里叶变换的思想,在一个固定的时间窗函数内研究,把非平稳信号在窗函数内看作平稳信号来研究,从而可以按傅里叶级数的形式展开,得到包含稳态特点的转速波动的特性,此时式(2)右边的指数项化为常数,式(2)的变化就只与变量φ和三角函数有关。

　　3　轧机传动系统的转速辨识方程

　　根据轧机主传动系统的结构特点,驱动电机端的转动惯量远大于负载端的转动惯量,可以把动力学模型简化为一端是驱动电机,一端是负载的二自由度动力学模型,如图1所示。该系统的状态方程为