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摘要：由于热连轧机的固有动力学缺陷以及工作辊轴承座和牌坊之间存在的间隙，热连轧机经常呈现出强烈的水平振动。对此，提出一种主动抑振控制方法。在工作辊轴承座侧面增加侧向液压缸，并且基于扩张状态观测器设计主动抑振器控制伺服阀电流，进而决定液压缸输出的附加作用力大小，从而修改水平方向的固有频率和抵抗工作辊的外部扰动。仿真结果表明，主动抑振器能够改变水平方向的固有频率，弥补热连轧机水平-扭转固有频率耦合的固有动力学缺陷；而且能够有效地抵抗外部扰动，降低水平方向的振动；除此之外，对系统参数不确定性具有良好的鲁棒性。在增加侧向液压缸的基础上增加主动抑振器相较于只增加侧向液压缸能够大幅度的提高抑振效果。
关键词：轧机水平振动；侧向液压缸；主动抑振器；扩张状态观测器；
热连轧机振动是空间振动，其垂直振动、水平振动、轴向振动以及扭转振动呈现出相同的优势频率，只是它们的振动幅值大小不一。然而，由于工作辊频繁地换辊要求而存在的间隙以及水平振动和扭转振动耦合的轧机固有动力学缺陷，一般情况下水平方向振动要比其它方向的振动大很多。
对水平振动的振动机理研究主要包括传动系统中的齿轮啮合激励、工作辊轴承座和牌坊之间的间隙、工作辊与带钢之间的摩擦等因素对水平振动的影响。考虑轧辊和带钢之间的摩擦、传动系统的齿轮啮合以及轧辊的水平振动，建立了水平-扭转耦合振动动态模型，研究了摩擦系数导致的分岔现象。闫晓强等[1]通过现场测试和有限元分析，得出当扭振的频率与辊系的水平固有频率相等时，轧机产生的水平振动最为强烈。唐华平等[2]研究了辊缝接触面上摩擦力对轧辊水平振动的影响，着重揭示了轧机水平自激振动产生的条件及其机理，得出了影响轧辊水平自激振动的因素。张明等[3]在考虑上下工作辊非对称的前提下，研究了热连轧机结构间隙、轧制力和摩擦负阻尼对轧机水平自激振动的影响。孙建亮等[4][5]研究了支承辊与工作辊之间的偏移距、工作辊轴承座与牌坊之间的间隙以及轧制过程参数（轧件厚度、轧制速度、张应力）对轧机水平振动的影响。分析了工作辊与牌坊之间的间隙和鼓形齿联轴器的啮合间隙以及鼓形齿联轴器与工作辊不对中对轧机水平振动的影响。
对水平振动的抑振措施研究主要包括调节工作辊轴承座和牌坊之间的间隙值以及利用侧向液压缸抑振水平振动。通过调节工作辊轴承座和衬板间添加铜垫片以消除轴承座和牌坊间间隙的措施来抑制辊系的水平振动[6]。闫晓强等[7]设计了一种液压振动抑振器，在辊系轴承座侧面施加振动载荷来抑制辊系的水平振动，利用MATLAB对液压振动抑振器的动态特性仿真研究表明，该系统具有良好的辊系振动抑振效果。针对热连轧机水平振动，设计了由带阻尼孔的液压缸组成的轧机稳定设备，通过仿真优化了它的容腔体积和阻尼孔大小，并应用于实际生产线中，取得了良好的抑振效果。凌启辉等[8]在工作辊与牌坊之间增加侧向液压缸，并分析液压缸压力对水平振动的影响，通过实践证实了方法的有效性，使水平振动降低了85%。
调节工作辊轴承座和牌坊之间的间隙以及增加侧向液压缸都是通过改变水平刚度和阻尼来抑制水平振动。但是，对某些轧机而言，它们对水平刚度和阻尼的修改能力是有限的，所以本文提出在增加侧向液压缸的基础上，增加主动控制环节，加强侧向液压缸对水平振动的抑制能力。利用扩张状态观测器（ESO）[9]估计工作辊承受的水平外扰力，以及实际系统与目标系统之间的模型误差，通过动态地补偿，来抵消水平外扰力，并且修改水平方向的固有频率，达到抑制振动的目的。
图1 增加的液压缸位置
1.轧机水平振动数学模型
由于工作辊中心线和支承辊中心线之间存在偏移量，而且工作辊中心线偏向出口侧，所以增加的液压缸要在入口侧。增加的液压缸位置如图1所示。
当增加液压缸之后，工作辊轴承座与牌坊之间的间隙被消除，所以单个工作辊在水平方向上的动力学方程可以表示为线性单自由度弹簧-阻尼-质量系统。同时，考虑活塞杆运动引起的液压缸压力波动，不考虑液压缸的泄漏。选取响应足够快的伺服阀，则液压缸和工作辊水平振动的动力学方程为
2.抑振器设计
结合式(3)和式(4)，可得扩张状态后的系统为
图2 带有主动抑振功能的水平振动系统简化框图
3.抑振器参数分析
表1 系统参数设定
图3 不同振动主频的系统幅频图
图4 不同ESO带宽的系统幅频图
图5 不同效刚度的系统幅频图
从图5中可知，当等效刚度变化20%时，抑振效果并没有明显的变差，只是由于误差的增大，使得在固有频率位置的幅值出现了略微的升高，这说明抑振器具有良好的鲁棒性。当没有补偿时，系统的固有频率为52.7Hz；当等效刚度为实际值的1.2倍进行补偿时，系统的固有频率为59Hz；当等效刚度为实际值的1.4倍进行补偿时，系统的固有频率为62.7Hz。这说明，通过信号补偿可以修改系统的固有频率。
4.抑振效果
通过对比无液压缸无抑振器、有液压缸无抑振器和有液压缸有抑振器的水平振动系统三种情况，分析侧向液压缸和主动抑振器对水平振动的抑制效果。
图6 液压缸和抑振器的抑振效果对比（49Hz扰动）
图7 液压缸和抑振器的抑振效果对比（幅频图）
设定工作辊承受的水平方向外部扰动为谐波（幅值1.5×104N，频率49Hz），抑振器和水平振动系统的参数设定如表1所示。三种情况下的工作辊振动速度如图 6所示。从图中可知，当不增加液压缸和抑振器时，工作辊的水平振动幅值是10.6mm/s；当只增加液压缸时，工作辊的水平振动幅值是6.8mm/s；当同时使用液压缸和抑振器时，工作辊的水平振动幅值是0.07mm/s。增加液压缸使得工作辊水平振动降低了35.8%，而在液压缸上增加抑振器几乎能够完全抑制振动。
为了对比不同扰动频率下增加液压缸和主动抑振器的抑振效果，而且因为热连轧机的水平振动一般都在100Hz以内，所以绘制低于100Hz的幅频图，如图7所示。从图中可知，只增加侧向液压缸使固有频率从50.9Hz增加到52.7Hz，只能降低低于52Hz的水平振动，而高于52Hz的水平振动会被增大；同时使用侧向液压缸和主动抑振器使固有频率从50.9Hz升高到59Hz，而且低于100Hz的所有频率振动均被降低，尤其是共振区的频率降幅最为明显，可以被降低90%。由此可知，在增加侧向液压缸的基础上再使用主动抑振器比只使用侧向液压缸对工作辊水平振动具有更好的抑制能力，主动抑振器能够大幅度的提升抑振效果。
5.结论
针对热连轧机水平振动，提出在增加侧向液压缸的基础上利用ESO设计主动抑振器，进一步提高了液压缸的抑振能力。通过仿真分析得到如下结论：
（1）基于ESO设计的主动抑振器，能够有效抑制轧机水平振动。
（2）随着振动主频 增大，反共振区频率位置同步增大并保持一致，反共振区左侧幅值越来越大，反共振区右侧幅值越来越小；ESO带宽 越高，抑振效果越好，但是因为现实中的噪声干扰等因素， 的取值是有限制的，不能太大；主动抑振器对系统参数不确定性具有良好的鲁棒性。
（3）在增加侧向液压缸的基础上再使用主动抑振器比只使用侧向液压缸对工作辊水平振动具有更好的抑制能力，主动抑振器能够大幅度的提升抑振效果。
参考文献
[1]闫晓强，包淼，李永奎，等. 热连轧FTSR轧机振动研究[J]. 工程力学. 2012, 29(02): 230-234.
[2] 唐华平，钟掘. 单辊驱动轧机水平自激振动定性分析[J]. 机械工程学报. 2001, 37(08): 55-59.
[3] 张明，彭艳，孙建亮，等. 考虑上/下工作辊非对称运动的热轧机水平振动研究[J]. 中南大学学报(自然科学版). 2017, 48(12): 3239-3247.
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[8]凌启辉，闫晓强，张义方. 热连轧机非线性水平振动抑制研究[J]. 长安大学学报(自然科学版). 2015, 35(06): 145-151.
[9]韩京清. 自抗扰控制技术：估计补偿不确定因素的控制技术[M]. 国防工业出版社, 2008.
论文作者:陈长银
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/10/18
标签：液压缸论文; 水平论文; 轧机论文; 工作论文; 牌坊论文; 频率论文; 辊轴论文; 《基层建设》2019年第18期论文;