刘增 李飞

摘 要：针对目前SCR4500连铸连轧生产线涡流探伤仪导向装置对线杆抖动约束效果不理想，容易造成涡流探伤仪检测数据失真，线杆内部缺陷在线实时检测容易出现漏检及误检的情况，本文浅析问题存在的原因，对导向装置进行改进以期解决问题。

关键词：SCR4500;连铸连轧;涡流探伤仪

SCR4500连铸连轧生产线铸造、轧制等生产过程中如果存在异常情况，生产的铜线杆表面和内部可能会存在肉眼不可见的缺陷，这些缺陷主要依靠在线涡流探伤仪和实验室抽样检测作为检测手段，一旦涡流探伤仪检测失真、漏检及误检，则可能会造成严重的质量事故，本文通过对因为线杆振动导致涡流探伤仪检测失真的原因进行分析，设计改进涡流探伤仪导向装置，以解决现有问题。

1 探伤仪导向装置

1.1 涡流探伤仪失真分析

涡流探伤仪内部有一个强磁场和一个感应线圈，当存在缺陷的铜线杆穿越强磁场时，感应线圈内的感应电流会随之发生变化，进而发现线杆表面或近表面存在的裂纹、暗缝、夹渣、开口裂纹等微小缺陷，铜线杆连续通过涡流探伤仪，即可实现在线连续检测。

目前scr4500连铸连轧生产线铜线杆通过探伤仪时振动较大，容易摩擦涡流探伤仪导向器，导向器磨损严重时甚至会摩擦涡流探伤仪探头，使得线杆通过强磁场时距离线圈的间隙不一致，造成涡流探伤仪检测数据失真，同时摩擦探头时会产生错误数据。因此线杆振动是造成涡流探伤仪失真的直接原因。

1.2 振动分析

涡流探伤仪导向器被线杆实际磨损的痕迹表明，铜线杆振动是一种复合振动，根据测量，铅锤方向振动振幅约为4.5mm，水平方向振幅约为2mm，振动周期约为0.135s，峰值周期约为0.0675s。测量时铸造速度为28吨/小时，此时11#轧机转速约为950r/min，轧制周期约为0.0632s，稍提前于振动峰值周期（0.0675s），所以可以认为线杆振动是轧机与线杆一体的自激振动，振动能量来自于轧制过程中因为线杆温度、轧辊冷热交替、无酸清洗液冲击、张力平衡变化等原因造成的轧制力和轧机速度的周期性变化，直接表现为线杆速度的周期性波动。

从振动源头减小振动，只有降低激励能量或是改变系统结构，而连铸连轧生产线生产时，为保证生产连续稳定，要求电机转速、扭矩小范围内稳定，同时轧机结构不能改变，故无法降低激励能量、改变固有频率，因此只能通过柔性约束和消耗振动能量以减少线杆振动时的振幅或振动加速度。

1.3 现导向装置

目前探伤仪导向是三个V型孔导向器，前端两个，后端一个。铜线杆自11#轧台轧制后，8mm直径的铜线杆高速（约17m/s）通过探伤仪导向器，穿过探伤仪，再进入绕线机。V型导向的主要功能是进入探伤仪时对线杆进行导向避免堆线，对线杆振动无任何约束作用，V型孔后端圆柱孔对线杆振动有约束作用，其孔径为12mm，在线杆振动时只会对线杆形成刚性约束，使线杆出线速度下降，线杆损失的速度转化为热能和线杆振动的能量，从而加剧振动的同时磨损导向器，导向器限位孔磨损后无法约束线杆从而造成探伤仪和线杆损伤，严重时导致堆线等情况，生产连续性被打断。

2 改进方案

2.1 改进方案原理

根据以上对涡流探伤仪检测原理，线杆振动和导向装置的分析，可知目前SCR4500生产线涡流探伤仪导向的约束为刚性约束和静约束，摩擦力大，容易造成过约束，不能及时实时根据线杆速度的变化改变约束力，因此改进的方向为设计可以实时反馈、具备柔性约束的导向装置。

根据角动量定律，通过设置导向轮对线杆进行约束，将线杆振动的能量转化为导向轮转动的速度变化，线杆振动时压迫导向轮，对其产生作用力的合力矩，作用在转轴上迫使导向轮角速度变化，使得线杆振动的力转化为导向轮转动的速度变化，同时改变铜线杆与导向装置的摩擦形式，由滑动摩擦转变为滚动摩擦，降低摩擦阻力，避免由此产生的二次振动。而且导向轮转动方向与线杆出线方向一致，不易造成堆线，因此对导向装置的改进首先应该增加导向轮。

此外需要设计一个耗能减振结构，将线杆振动速度的损失转化为两部分，一部分被弹簧蓄能，蓄积的能量作为导向轮实时反馈的动力，另外一部分被阻尼器消耗转化为热能。该减振系统为二阶系统，设置惯性和阻尼并联的振荡环节，同时具有实时反馈，使用弹簧作为机械式反馈机构，同时作为阻尼耗能原件，可以消除异常振动，实现实时反馈，自动调节约束力。

2.2 改进方案

根据上述设计思路结合现行导向装置，导向装置改进的设计核心在于增加导向轮、柔性约束机构、阻尼耗能机构和实时反馈机构，实际运用中因为安装位置约束、生产工艺特殊要求和装置的自动化水平分别设计了两种导向结构，分别为连杆导向结构和四轮导向结构。

2.2.1 连杆导向结构

连杆导向结构的核心在于利用四杆机构实现自动开合以满足进轧生产的动作要求，目的在于避开生产线上现有设备，便于安装和实现自动控制。该结构的导向轮水平以及铅锤方向的振动使用弹簧作为柔性约束，柔性约束允许线杆除在生产线工序进给方向外其他两个方向上有一定量的位移，可以对其分运动进行约束，同时弹簧作为实时反馈机构和阻尼耗能元件，直接实时调节反馈，从而达到简化机构的目的，如图1（a），进轧时，气缸向前推出，连杆带动连杆机构使导向轮张开，铜线杆经过原前端导向器、后端导向器通过涡流探伤仪，进轧后气缸后退，弹簧带动连杆机构使导向轮闭合，导向轮将线杆振动通过连杆机构传递给阻尼轴上的弹簧，从而减小铜线杆的振动，导向轮轴端的一对弹簧约束水平垂直线杆进线方向的振动，同时运行过程中弹簧根据预设弹簧力实时调整导向轮与线杆之间的压力，使得线杆振动在可控范围之内。

2.2.2四轮导向结构

四轮导向结构的核心在于两对导向轮约束线杆的五个自由度，每一个导向轮有独立的阻尼弹簧实现柔性约束和实时反馈，利用丝杆手动实现进轧张开和进轧后闭合。该导向结构简单，运行可靠，反馈灵敏。

如图1（b），使用前预设阻尼弹簧压力，进轧时，调节各个导向轮后端蝶形螺母，拉动调节丝杆迫使导向轮张开，铜线杆经过原前端导向器、后端导向器通过涡流探伤仪，进轧后松开蝶形螺母，弹簧推动滑块使导向轮闭合，导向轮将线杆振动通过滑块直接传递给阻尼弹簧，从而减小铜线杆的振動，弹簧运行过程中根据预设位置实时调整导向轮与线杆之间的压力，使得线杆振动在可控范围之内。

3 实施效果

两种方案试用，连杆导向因为故障率高，维修不便已停止使用，四轮导向运行稳定性好，已持续使用4年，但是安装困难，手动操作复杂等缺陷后续还需要继续改进。

参考文献：

[1]杨叔子等·机械工程控制基础（第五版）·华中科技大学出版社·2004

[2]赵明生等·机械工程师手册（第二版）·机械工业出版社·2006

[3]陆庆乐等·复变函数与积分变换·高等教育出版社·2003

作者简介：

刘增（1989-），男，汉，籍贯：云南玉溪，学历：大学本科，职称：工程师，研究方向：铜加工设备管理。