CN104550264A - 用于测量气体冷却段带钢振动情况的***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测量气体冷却段带钢振动情况的***和方法，其***包括气体喷吹装置、带钢固定装置和位移测量装置；气体喷吹装置包括依次连接的风机、风机出口调节阀、风道总管流量计、左风箱和右风箱；位移测量装置包括、位移探头，位移探头通过线缆依次与位移信号变送器和信号采集电脑连接；其方法包括以下步骤：S1、标定位移测量***；S2、进行气体喷吹***的P-V实验；S3、安装位移探头；S4、组装测量气体冷却段带钢振动情况的***；S5、进行振动实验；S6、对振动测量数据进行频谱分析。本发明可以对正在研究开发中的气体喷箱引起的带钢振动危害性进行测试评估，也可以对正在调试或生产的冷轧金属薄板机组的板带安全性进行监测。
Description
技术领域
本发明涉及冷轧金属板带加工技术领域，更具体地说，涉及一种用于测量气体冷却段带钢振动情况的***和方法。
背景技术
随着各产业对高质量产品的需求不断增加，对冷轧薄板产品的表面质量和产量要求越来越高，生产线上的带钢运行的速度也不断提高。由于机械振动以及工艺设备的振动或对带钢冲击(例如酸洗中的水流冲击，退火冷却段的气流或水雾冲击等等)，会引发运动中带钢的振动，而这种振动可能会危及生产线安全。例如当带钢振动频率与机组某个传动设备的频率一致时，会诱发共振，共振能量较大时对带钢或传动设备会造成损伤；当带钢振动幅度超过带钢中心线与旁边设备的间隙时，钢板会刮到该设备上，造成钢板和设备的双重损伤，严重时甚至会引发带钢断裂。
上述原因使得钢铁企业和设备提供商越来越重视冷轧薄板带机组中的带钢振动问题，特别是在高速气体喷吹冷却段，喷口气流速度高达150m/s，带钢表面气体冲击力会高达1.4bar，两侧的瞬时气压差可达到2kPa，此时气体冲击力的不稳定性会引起带钢的抖动和扭摆。如果这种振动得不到抑制，会给生产带来严重的影响，当振动后带钢偏离机组中心线，通常会恶化冷却效果，更为严重的是振动可能导致带钢与喷嘴碰撞。因此冷却装置设计时，需要兼顾快速冷却和减小振动两方面的要求。在气体喷吹设备的开发和调试过程中，都需要对气体冲击引起带钢的振动行为进行测量和评估，将振幅和频率控制在安全范围。
气体射流冲击下带钢的振动是气体射流的湍流流动诱发的带钢运动的不稳定性现象，属于气弹性力学问题。气体冲击射流引起带钢的不规则弹性形 变振动，这种弹性变形反过来又使空气动力随之改变，从而又导致进一步的弹性变形，这样就构成了一种结构变形与空气动力交互作用的所谓气动弹性现象，而冷轧薄钢带在气体冷却段的振动正是这种类型。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种简易可靠的用于测量气体冷却段带钢振动情况的***和方法，可以对正在研究开发中的气体喷箱引起的带钢振动危害性进行测试评估，也可以对正在调试或生产的冷轧金属薄板机组的板带安全性进行监测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于测量气体冷却段带钢振动情况的***，包括气体喷吹装置、带钢固定装置和位移测量装置；
所述气体喷吹装置包括依次连接的风机、风机出口调节阀和风道总管流量计，还包括设置在带钢两侧的左风箱和右风箱，所述风道总管流量计与左风箱之间设有左风箱入口调节阀，所述风道总管流量计与右风箱之间设有右风箱入口调节阀；所述左风箱和右风箱上分别设有左取压孔和右取压孔，所述左取压孔通过软管连接左压差计，所述右取压孔通过软管连接右压差计；
所述位移测量装置包括多个平行布置在所述带钢一侧的位移探头，所述位移探头通过线缆依次与位移信号变送器和信号采集电脑连接。
上述方案中，所述带钢固定装置包括上支承辊、张力计辊、纠偏辊和下支承辊，所述带钢的上端通过固定在上固定点，带钢水平穿过上支承辊，经张力计辊转向后，变为垂直向下，从左风箱和右风箱之间穿过后，再经转向纠偏辊变为水平方向，经下支承辊后于下固定点处固定带钢的下部端点。
本发明还提供了一种用于测量气体冷却段带钢振动情况的方法，包括以下步骤：
S1、标定位移测量***，测定相邻探头的最小间距，以及探头到带钢边缘的最小距离；
S2、进行气体喷吹***的P-V实验，建立从左取压孔和右取压孔中取得的静压与气体流量之间的数量关系；
S3、在带钢的一侧安装位移探头；
S4、组装前述的测量气体冷却段带钢振动情况的***，并启动***；当带钢在气流冲击下发生振动时，位移探头将检测到的带钢与探头端部的距离值转化为电信号，通过金属位移探头信号线缆传输至位移信号变送器，将信号放大转换，供信号采集电脑读取，信号采集电脑通过数据采集卡和转化软件，将信号转为实际的距离值并按照时间顺序和信号通道来储存；
S5、进行带钢在气体冲击下的振动实验；实验遵循从低流量到高流量的原则，逐渐增大流量，记录数据，直至带钢振幅过大即将触碰到探头的工况；
S6、对振动测量数据进行频谱分析。
上述方案中，所述步骤S1中标定位移测量***的方法具体为：取带钢的一小块作为标定面，用等厚度的一组玻璃片作为测量标尺，将位移探头放置在n块同等厚度d的玻璃片上，探头与标定面的标准高度H＝n*d，以此值去校准电脑上的读数。
上述方案中，所述步骤S1中测定相邻探头的最小间距，以及探头到带钢边缘的最小距离的方法为：放置两个探头，保证两个探头之间的间距足够大，并且探头与带钢边缘的距离足够大，此时的位移的读数为标准读数；将其中一个探头向金属板边缘处缓慢移动，直到读数发生明显变化，记下此时探头中心到带钢边缘的距离E1；将两个探头逐渐向钢板中部逐渐靠近，当读数明显发生变化时，记下此时两个探头的中心距离E2。
实施本发明的用于测量气体冷却段带钢振动情况的***和方法，具有以下有益效果：
本发明在沿带钢宽度方向在带钢两个邻近的支点中间，于同一侧水平布置多个位移探头，由于带钢与位移探头的距离差，产生的磁感电流的不同，获得带钢振动时与探头基准面的位移数据，通过对多个不同位置探头的数据分析，得到带钢的振动形态、振幅信息，并通过进一步的傅里叶频谱分析，得到带钢的高能谱频率段。获取了振动形态、振幅、高能谱频率段后，对于研究制定抑制带钢振动的措施，具有十分重要的意义。本发明的***和方法可测量的振幅和频率范围广，测量值稳定可靠，且不影响带钢运行，装置简单，易维护，经 济性好。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是用于测量气体冷却段带钢振动情况的***的示意图；
图2是风箱P-V曲线测量实验***图；
图3是带钢位移探测***图；
图4是探头量程与带钢极限位置距离关系图；
图5是带钢的三种典型振动形态图；
图6是两个相邻位移探头的安装位置示意图；
图7是电涡流位移探测器的标定方法示意图；
图8是典型的带钢振动频谱分析图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
本发明用于测量气体冷却段带钢振动情况的***包括气体喷吹***、金属薄带固定***与位移测量***，如图1所示。
气体喷吹***包括风机1、风机出口调节阀2、风道总管流量计3、左风箱入口调节阀4a、右风箱入口调节阀4b、左风箱5a和右风箱5b。左风箱5a和右风箱5b在两侧的中心线处各开了一个6mm直径的左取压孔6a和右取压孔6b，左取压孔6a通过软管连接左压差计7a，右取压孔6a通过软管连接右压差计7b。
测试用带钢13(或其他有磁性的金属薄板)的上端通过焊接或压条方式固定在上固定点10a，水平穿过上支承辊9a，经张力计辊11转向后，变为垂直向下，从左风箱5a和右风箱5b之间穿过后，再经转向纠偏辊12变为水平方向，经下支承辊9b后于下固定点10b处固定下部端点。这些设备构成了带 钢固定***。为保证带钢本身的平整度不会对测试结果造成影响，要求作为测试的带钢13的平面度不高于1mm/m2。
在风箱上部或下部(图1中以下部安装为例)，平行于测试带钢13的宽度方向，放置了3～5个金属位移探头8，如图3所示(图3表示的是3个金属位移探头的情况)。位移测量***由3～5个金属位移探头8、金属位移探头信号线缆17、位移信号变送器18、信号采集电脑19组成。
本发明用于测量气体冷却段带钢振动情况的方法包括以下步骤：
第一步，位移测量***的标定。为了保证测量的准确度，需要对组装好的位移测量***进行标定。标定的目的是确保探头与目标物之间的距离，能够经过金属位移探头8的电磁信号转换、数据线的传输以及变送器18的信号放大之后，仍能够正确的显示。标定方法如图7所示，取测试用的带钢13的一小块作为标定面，用等厚度的一组玻璃片20作为测量标尺，将金属探头8放置在n块同等厚度d的玻璃片20上，此时探头与平板的标准高度H＝n*d，以此值去校准电脑19上的读数。
当位移测量***得到校准后，还需要测定相邻探头的最小间距，以及探头到带钢边缘的最小距离。由于金属位移探头是根据金属板内的感应涡流来测量距离，每个探头都有各自的涡流检测范围(通常是圆形，其直径D可能是与探头到带钢的距离H有关)，所以当相邻探头距离过近时，磁场叠加会对电信号产生干扰，使得读数不正确；而探头太靠近边缘处，有部分测量区域中无金属板，磁场产生的涡流也与正常值不同。测量方法如图6中(d)所示，首先将两个探头都放置在较为合适的位置(d)，该位置上，无论是探头的间距还是与带钢边缘的距离都很大，探头8可以像图3一样继续垫在玻璃片20上，也可以采用其他装置固定，此时位移测量***得到的标准距离为H。将其中一个探头向金属板边缘处缓慢移动，直到读数发生明显变化，记下此时探头中心到带钢边缘的距离E1。将两个探头逐渐向钢板中部逐渐靠近，观察电脑19中的位移读数，当读数明显发生变化时，记下此时两个探头的中心距离E2。将E1和E2作为正式测量时，探头安装位置的参考数据，切忌发生如图6(e)中咬 边或6(f)中干涉的状态。
位移测量***的标定工作，在连续的实验中，通常只在测量工作开展前标定一次。只有当实验中断较长时间(如超过一个月)或者***中某个信号转换的装置修理或更换后，才需要且必须再次进行标定。
第二步，气体喷吹***的P-V实验。该实验的主要作用是建立从左取压孔6a和右取压孔6b中取得的静压与气体总流量的数量关系。P(气压)-V(流量)实验的***如图2所示。主管道沿着气体流向，依次由风机1、风机出口调节阀2、风道总管流量计3、风箱入口调节阀4和左风箱5a(或右风箱5b)构成。气体旁路从主管道的风道总管流量计3后面引出，后接旁路的流量调节阀14与盲板15。实验在大气环境中进行，气体介质为室温空气。旁路主要是采用恒速风机，仅在风机启动时或主管道设备突然发生故障时启用，测量时盲板15封闭，调节阀14关闭。旁路设计对于变频风机可取消。风道总管流量计3通常采用节流测量方式，如流量孔板外接差压计的，前后管道要求为直管，前段管道长度不小于10倍管道内径，后段不小于5倍管道内径，以保证测量值的准确性。风箱5的两侧对称的分布有取压孔6，通过取压软管外接差压计7来测量风箱中心流线上的静压值。进行P-V实验时，在启动风机1后，逐步打开风机出口调节阀2和风箱入口调节阀4，将气体流量逐渐增大并记录流量计3和风箱外接差压计7的读数，差压计7每间隔约100Pa取一组数据，然后将这一系列风箱静压值P和流量V的数据进行拟合。对位于带钢13两侧的风箱，都需要进行P-V实验。
第三步，测量探头的正确安装。安装探头时需要保证两点，一是探头能正确检测到位移值及其变化，二是检测到的位移在探头的量程范围内。探头的正确检测，需要根据第一步中测得的最小边距E1和最小间距E2，以及被测带钢13的尺寸(主要是宽度W)来确定，能够安装的探头数量N＝(W-2×E1)/E2取整。探头到静止的金属平板的距离，参考图4确定，其原则是尽量让金属平板振动时一直处于金属位移探头8的量程范围。具体方法是，先查阅金属位移探头8的说明书，说明书中通常给出线性度良好的距离范围，下限值记为H1(被测目标平面到探头的最小距离)，上限值记为H2(被测平面到探头的最大 距离)。两者之间的有效范围R＝H2-H1，应大于等于金属平板两个极限位置的位移差A。
通常认为金属平板在振动时，两个极限位置到中间平衡位置是同等距离(双向振幅相同)，这种情况下，金属位移探头8到带钢13平衡位置的距离应该为(H1+H2)/2。
在振动测量***中，如图1所示，金属位移探头8安装在风箱6a的中部或者下方，仅在金属薄板的一侧安装。
第四步，实验准备与***启动。在前面三步的基础上，按照图1组装好实验***其它设备仪器后，可以开始进行正式的测量实验。首先利用底部纠偏辊12，将钢带调整到正中位置，观察顶部张力计辊11的读数，调整上部固定点10a的松紧度，使金属薄带13的张紧力处于实验方案的设定值。关闭风机出口调节阀2，和两侧风箱的入口调节阀4a与4b，启动风机1。当风机1的转速和电流都稳定后，逐步开启风机出口调节阀2，同步开启两侧风箱的入口调节阀4a与4b。
第五步，带钢在气体冲击下的振动实验。实验遵循从低流量到高流量的原则，逐渐增大流量，记录数据，直至带钢振幅过大即将触碰到探头的工况。
在第四步风机启动后，首先将逐步将风机出口调节阀2调节至约1/3开度，然后同步增大两侧风箱的入口调节阀4a与4b的开度，随时注意风箱取压孔6a和6b的静压，即关注风箱压差表7a和7b的读数，保持两侧的压差尽可能平衡(调节过程中，要求压差表7a和7b的读数差值控制在50Pa以内)，即保证两侧风箱的气体流量处于相对平衡状态。这是因为两侧风箱的结构基本相似，在第二步P-V实验里得到的静压与流量曲线，正常情况下几乎是重合的(但由于风箱制造的误差，不可能完全重合)。按照此原则，逐步增大流量至第一个流量测量的工况。
考虑到管道中气压值的波动幅度以及仪表的精度，根据经验，最低测量气压(表压值)不宜低于150Pa，相邻两组测试工况的静压差(压差表7a和7b的读数)不低于100Pa。当压差表7a和7b的读数达到第一组设定流量工况所对应的静压值(该静压值根据第二步的P-V实验结果确定)时，不再调节气 体管道上的任何阀门，等待整个管道***的气体流动达到相对稳定状态，即压差表的读数跳动幅度不超过±10Pa或±5％压差表读数(两者中取较大值)，这种情况维持超过3分钟后，可以开始采集带钢13的位移值变化情况。
测量时风箱5、带钢13和位移测量***的俯视图如图3所示。当气体通过风箱5的喷嘴16以较高流速冲击带钢13时，由于两侧气流的瞬态不平衡产生的压差，而这种压差在薄带表面形成的力和力矩，是带钢13发生了如图5的三种不同行为方式的振动。一种方式是平移，即一侧的压力(表面气压的面积的积分值)明显高于另一侧时，金属板整体向压力值低的一侧移动，使得带钢13从长度方向出现了C形弯曲。第二种方式是扭摆，也是薄板最为常见的振动形式，这种振动发生的原因是两侧压力没有明显差别，但靠近边缘处的气压分布构成了力矩，这种力矩驱使薄板绕薄板纵向中心线扭转，又由于薄板自身的弹性力回复到中心位置，从而往复扭摆振动。第三种方式是翼动，该方式多见于超宽薄板(通常宽厚比大于2000)，或边缘材料的机械强度明显低于中部，其原因多为薄板边缘的气流发生了涡的脱离，形成了涡激振动。第三种振动方式通常在非常靠近边缘处发生了位移量的差异，需要在带钢13的边缘处密集布置非电磁感应式的探测元件才能监测到，本发明中所述的方法受测量手段的局限，不适用于监测此种振动，故后面不对翼动的带钢振动测量做赘述。
当带钢在气流冲击下发生上述形式的振动时，金属位移探头8将检测到的带钢13与探头端部的距离值转化为电信号，通过金属位移探头信号线缆17传输至位移信号变送器18，将信号放大为4～20mA或0～5V信号，供信号采集电脑19读取。信号采集电脑19通过数据采集卡和转化软件，转为实际的距离值并按照时间顺序和信号通道来储存。根据实验经验，带钢的振动频率在20Hz以下，最大能量频谱带集中在2～4Hz，因此位移值的采集频率不低于200Hz即可。位移测量在气压波动相对稳定后，开始进行数据采集，采集时间不宜少于60s，通常不超过300s。
逐步增大气体流量，重复上述过程。当调节风箱入口调节阀4到极限位置后，需要将风机出口调节阀2的开度增大。
第六步，振动测量数据的后处理。对带钢振动中的位移变化数据以及对应 的时间值，通常采用傅里叶频谱变换方法(简称FFT)。频谱分析的作用主要是分析振动波形中包含怎样的频率分量,具有多大的强度。频谱分析中的振幅为振动的真实振幅经过傅里叶变换后相对的一个模拟信号量幅值大小，表征振动能量强度的大小。经过变换后的典型的能量频谱图通常为双峰或四峰型，较为典型的形式如图8所示。有峰值的频率段，也是气流冲击力与带钢发生共振较为强烈的区域，当对振动采取抑制措施时，应根据频谱分析的结果采取相应的措施，尽可能使带钢避开振动能量强度大的频率段。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种用于测量气体冷却段带钢振动情况的***，其特征在于，包括气体喷吹装置、带钢固定装置和位移测量装置；
所述气体喷吹装置包括依次连接的风机(1)、风机出口调节阀(2)和风道总管流量计(3)，还包括设置在带钢(13)两侧的左风箱(5a)和右风箱(5b)，所述风道总管流量计(3)与左风箱(5a)之间设有左风箱入口调节阀(4a)，所述风道总管流量计(3)与右风箱(5b)之间设有右风箱入口调节阀(4b)；所述左风箱(5a)和右风箱(5b)上分别设有左取压孔(6a)和右取压孔(6b)，所述左取压孔(6a)通过软管连接左压差计(7a)，所述右取压孔(6a)通过软管连接右压差计(7b)；
所述位移测量装置包括多个平行布置在所述带钢(13)一侧的位移探头(8)，所述位移探头(8)通过线缆(17)依次与位移信号变送器(18)和信号采集电脑(19)连接。
2.根据权利要求1所述的用于测量气体冷却段带钢振动情况的***，其特征在于，所述带钢固定装置包括上支承辊(9a)、张力计辊(11)、纠偏辊(12)和下支承辊(9b)，所述带钢(13)的上端通过固定在上固定点(10a)，带钢(13)水平穿过上支承辊(9a)，经张力计辊(11)转向后，变为垂直向下，从左风箱(5a)和右风箱(5b)之间穿过后，再经转向纠偏辊(12)变为水平方向，经下支承辊(9b)后于下固定点(10b)处固定带钢(13)的下部端点。
3.一种用于测量气体冷却段带钢振动情况的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、标定位移测量***，测定相邻探头的最小间距，以及探头到带钢边缘的最小距离；
S2、进行气体喷吹***的P-V实验，建立从左取压孔和右取压孔中取得的静压与气体流量之间的数量关系；
S3、在带钢的一侧安装位移探头；
S4、组装权利要求1所述的测量气体冷却段带钢振动情况的***，并启动***；当带钢在气流冲击下发生振动时，位移探头将检测到的带钢与探头端部的距离值转化为电信号，通过金属位移探头信号线缆传输至位移信号变送器，将信号放大转换，供信号采集电脑读取，信号采集电脑通过数据采集卡和转化软件，将信号转为实际的距离值并按照时间顺序和信号通道来储存；
S5、进行带钢在气体冲击下的振动实验；实验遵循从低流量到高流量的原则，逐渐增大流量，记录数据，直至带钢振幅过大即将触碰到探头的工况；
S6、对振动测量数据进行频谱分析。
4.根据权利要求3所述的用于测量气体冷却段带钢振动情况的方法，其特征在于，所述步骤S1中标定位移测量***的方法具体为：取带钢的一小块作为标定面，用等厚度的一组玻璃片作为测量标尺，将位移探头放置在n块同等厚度d的玻璃片上，探头与标定面的标准高度H＝n*d，以此值去校准电脑上的读数。
5.根据权利要求3所述的用于测量气体冷却段带钢振动情况的方法，其特征在于，所述步骤S1中测定相邻探头的最小间距，以及探头到带钢边缘的最小距离的方法为：放置两个探头，保证两个探头之间的间距足够大，并且探头与带钢边缘的距离足够大，此时的位移的读数为标准读数；将其中一个探头向金属板边缘处缓慢移动，直到读数发生明显变化，记下此时探头中心到带钢边缘的距离E1；将两个探头逐渐向钢板中部逐渐靠近，当读数明显发生变化时，记下此时两个探头的中心距离E2。
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