轧机传动机构安全销状态的在线监控方法

摘要

本发明公开了轧机传动机构安全销状态的在线监控方法，在轧机咬钢和正常轧制过程中，若轧机瞬时冲击性负载转矩为1.1～1.6TdM，电动机回升速率≥300转/分/秒，则安全销正常断裂；若瞬时冲击负载转≥1.6TdM的倍，电动机回升速率≥300转/分/秒，则安全销超极限剪切扭矩剪断；若瞬时冲击负载转矩≥1.6TdM，电动机回升速率＜300转/分/秒，则安全销该断未断；在连轧机组正常轧制过程中，除连轧机组第一个机架之外的其余机架主传动电动机在其上游机架中仍然有钢的情况下出现陡然升速，升速速率≥150转/分/秒以，同时在电动机陡然速升后的700毫秒时间内，电动机输出转矩至＜5％TdN并持续150毫秒以上，则安全销疲劳断裂。

说明书

技术领域

本发明属轧机安全保护技术领，尤其涉及轧机传动机构安全销状态的在线监控方法。

背景技术

中国专利“轧机传动机构安全销断裂的在线诊断方法”，专利号200710191295.5，介绍 了一种轧机传动机构安全销断裂的在线诊断方法。该方法可以在线诊断安全销是发生在轧机 瞬时大负载冲击的断裂，还是疲劳断裂。但是，该方法未能进一步区分安全销是在瞬时大负 载冲击下的正常保护断裂，还是在超极限剪切扭矩下被剪断，并且该方法不能对安全销该剪 断而未剪断的状态进行诊断，该方法还存在对疲劳断裂诊断准确率不高的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种轧机传动机构安全销状态的在线监控方法，本发 明可以对安全销的在线状态进行全面监控，即在线监控安全销是否发生了受大负载冲击而正 常断裂、该剪断而未剪断、疲劳断裂以及超极限剪切扭矩剪断的现象。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种轧机传动机构安全销状态的在线监控方法，其 特征在于，在轧机咬钢和正常轧制过程中，若轧机瞬时冲击性负载转矩达到了主传动电动机 最大容许输出转矩的1.1～1.6倍，主传动电动机实际速度由陡然下降转变成陡然上升，速度 上升率大于300转/分/秒，则轧机传动机构安全销发生了正常保护断裂；若轧机的瞬时冲击 负载转矩大于轧机主传动电动机最大容许输出转矩的1.6倍，电动机速度回升速率大于400 转/分/秒，则轧机传动机构安全销发生了超极限剪切扭矩剪断的不正常现象；若轧机的瞬时 冲击负载转矩大于轧机主传动电动机最大容许输出转矩的1.6倍，电动机速度回升速率小于 400转/分/秒，则轧机传动机构安全销发生了该剪断而未剪断的不正常状态；在连轧机组正 常轧制过程中，除连轧机组第一个机架之外的其余机架主传动电动机在其上游机架中仍然有 钢的情况下出现陡然升速，升速速率在150转/分/秒以上，同时在电动机陡然速升后的700 毫秒时间内，电动机输出转矩降至5％电动机额定转矩以下并能持续150毫秒以上，则轧机传 动机构安全销发生了疲劳断裂。

为了防止轧机传动机构受瞬时大负载冲击而损坏，通常在其传动链上设置保护安全销。我 们知道，对于轧机传动机构的一组新安全销，在投入使用前，其实际剪切扭矩的大小将取决 于多方面的因素，如安全销的材质和加工精度等；在投入使用后，其实际剪切扭矩的大小还 将取决于安装的精度以及疲劳冲击情况。这也就是说，即使轧机传动传动链上设置了保护安 全销，如果安全销使用不当，轧机传动机构保护安全销必然会出现该断不断或不该断而断的 现象。故此，为了使轧机的传动机构保护安全销有效地发挥其安全保护作用，就必须要对安 全销的在线状态进行全面监控，即在线监控安全销是否发生了该剪断而剪断、该剪断而未剪 断、不该剪断而剪断以及超极限剪切扭矩剪断的现象，一旦轧机传动机构安全销发生了上述 现象，轧机控制系统将及时给出相应的故障信息，这样便于设备维护人员对轧机尤其是连轧 机传动机构保护安全销的使用状态进行监管，避免该问题的重复发生，由此使轧机传动机构 保护安全销始终处在受控状态。为此，我们独立地设计了一种轧机传动机构安全销状态的在 线监控方法，该方法不仅能够在线诊断出安全销是瞬时大负载冲击所致的正常断裂还是安全 销疲劳断裂，而且还能诊断出安全销该剪断而未剪断以及超极限剪切扭矩剪断的故障状态。 该方法在2012年1月在马钢小H连轧生产线投入了试运行，实际使用效果很好。

为了获得稳定可靠的安全销状态的在线监控方法，就必须要充分了解在轧机各种事故状 态下轧机传动机构安全销的状态与主传动电动机实际速度和实际输出转矩所呈现出的特征之 间的关系。通过对大量轧机事故状态下主传动电动机实际速度和实际输出转矩特征的研究发 现：(1)在轧机咬钢和正常轧制过程中，若轧机瞬时冲击性负载转矩达到了轧机主传动电动 机最大容许输出转矩的1.1～1.6倍之间时，轧机传动机构安全销发生了断裂，并且在安全销 断裂后，主传动电动机实际速度由陡然下降转变成陡然上升，速度上升率大于300转/分/秒， 则说明轧机传动机构安全销发生了正常保护断裂，如下图1所示；(2)在轧机咬钢和正常轧 制过程中，若轧机的瞬时冲击负载转矩大于轧机主传动电动机最大容许输出转矩的1.6倍(通 常安全销的极限剪切扭矩约为电动机最大容许输出转矩的1.4倍)，并且在负载瞬时冲击之后 的轧机主传动电动机速度回升过程中，电动机速度回升速率大于400转/分/秒，则说明轧机 传动机构安全销发生了超极限剪切扭矩剪断的不正常现象，如下图2所示；轧机的瞬时冲击 负载转矩大于轧机主传动电动机最大容许输出转矩的1.6倍，若电动机速度回升速率小于400 转/分/秒，则说明轧机传动机构安全销发生了该剪断而未剪断的不正常状态，如下图3所示； (3)在连轧机组正常轧制过程中，除连轧机组第一个机架之外的其余机架主传动电动机在其 上游机架(即来料机架)中仍然有钢的情况下出现陡然升速(升速速率在150转/分/秒以上)， 同时在电动机陡然速升后的700毫秒时间内，电动机输出转矩降至5％电动机额定转矩以下并 能持续150毫秒以上，并且安全销未发生正常保护断裂以及超极限扭矩下剪切断裂，则说明 该轧机传动机构安全销发生了因疲劳而出现的非正常断裂，如下图4所示；(4)轧机在瞬时冲 击性负载作用下主传动电动机的实际速度并不是以一条恒定斜率的直线降速，而是以多段不 同斜率的直线形式陡然下降，这就是说，轧机因瞬间轧卡而产生的瞬时冲击性负载在整个轧 机卡阻过程中是一个变化量，这样，诊断传动机构安全销在轧机瞬间轧卡过程中是否发生了 断裂，就必须要计算轧机传动机构安全销在轧机负载冲击的过程中的不同段所承受的最大负 载转矩是否达到了其最小剪切扭矩值(1.1倍电动机最大允许输出转矩)；(5)轧机传动机构 安全销的断裂不仅与轧机瞬时冲击负载的大小有关，而且也与瞬时冲击性负载的作用时间长 短有关，瞬时冲击负载越大，作用的时间越长，则安全销就越容易发生断裂事故，对于小H 型钢轧机而言，较大的冲击性负载若持续40毫秒以上，通常即可使轧机传动机构安全销发生 断裂。以下是轧机数据采集和显示系统所给出的轧机传动机构安全销4种典型状态下主传动 电动机实际速度和实际输出转矩波形。

通过上述对轧机传动机构安全销4种典型状态与主传动电动机实际速度以及实际输出 转矩特征之间的关系的研究，我们可知，要实现轧机传动机构安全销状态的在线监控，关键 是如何在线实时计算轧机传动机构安全销的实际剪切扭矩，即折算到主传动电动机输出轴上 的轧机实际负载扭矩。在充分考虑轧机控制系统的计算能力的前提下，为了获得较为准确有 效的轧机实时负载转矩，马钢小H型钢传动机构安全销状态的在线诊断控制程序可以将主传 动电动机实际速度和实际输出转矩的采样周期设定在50毫秒或以下，并以40-50毫秒为一 个计算周期，即以40-50毫秒为一时间段实时计算轧机实际负载转矩。针对每个时间段或采 样周期(如40毫秒)的轧机实际负载转矩，可以通过电动机转矩公式计算获得。

$T_{\mathrm{di}}-T_{\mathrm{Li}}=\frac{{\mathrm{GD}}^2}{375}\frac{\Delta n_i}{\Delta t_i}$——(1)

式中GD²——轧

机整个传动机构折算到电动机输出轴上的飞轮惯量，牛顿·米²；

Δn_i——两个电动机实际转速采样点之间的速度差(转/分)，即

Δn_i＝n_i-n_i-1；

Δt_i——第i个采样周期时间，对于小H型钢轧机，每个采样周期时间可以 设定为40毫秒；

T_di——第i个采样点的电动机实际输出转矩，牛顿·米；

T_Li——第i个采样点的电动机实际负载转矩，即轧机的实际负载转矩，牛 顿·米。

上式中的GD²可通过轧机传动机构空载起动过程中的电动机实际速度和转矩波形以及电 动机转矩公式计算获得。

根据轧机传动机构安全销上述的4种典型状态的特征，设轧机实际负载转矩为T_L，轧机 主传动电动机的额定输出转矩和最大输出转矩分别为T_dN和T_dM(马钢小H型钢轧机主传 动电动机的最大输出转矩T_dM(＝25kNm)为额定输出转矩T_dN(＝15.5kNm)的1.61倍)， 现以马钢小H型钢连轧机为例，给出轧机传动机构安全销状态的在线监控程序流程图。

附图说明

下面结合附图对具体实施方式进行详细说明：

图1马钢小H型钢15#轧机传动机构安全销在瞬时负载冲击下发生正常保护断裂时的电 动机实际速度和实际输出转矩波形。

图2.马钢小H型钢15#轧机传动机构安全销在超极限剪切扭矩下发生断裂时的电动机 实际速度和输出转矩波形。

图3马钢小H型钢15#轧机传动机构安全销在超极限剪切扭矩下未发生断裂时的电动 机实际速度和输出转矩波形。

图4马钢小H型钢2#轧机传动机构安全销在上游机架仍然有钢的正常轧制过程中发生 疲劳断裂时的电动机实际速度和实际输出转矩波形。

图5轧机传动机构安全销状态在线监控程序的数据采样和计算处理流程图。

图6轧机传动机构安全销状态在线监控程序流程图。

具体实施方式

根据轧机传动机构安全销上述的4种典型状态的特征，设轧机实际负载转矩为T_L，轧 机主传动电动机的额定输出转矩和最大输出转矩分别为T_dN和T_dM(马钢小H型钢轧机主 传动电动机的最大输出转矩T_dM(＝25kNm)为额定输出转矩T_dN(＝15.5kNm)的1.61倍)， 现以马钢小H型钢连轧机为例，详细介绍轧机传动机构安全销状态的在线监控方法。

马钢小H型钢轧机控制系统通过TOSLINE-S20通讯网线以2Mbps的传输速度从轧机主传动 逆变器获得主传动电动机的实际速度和实际输出转矩。这样，由上图5和图6可知，为了在轧 机控制系统中实现轧机传动机构安全销状态的在线监控，在轧机的轧制状态下，轧机控制系统 的传动机构安全销状态的在线监控程序以设定的采样周期对轧机主传动电动机的实际速度和 实际输出转矩进行采样，传动机构安全销状态在线监控程序始终存储当前采样时刻及上一个采 样时刻的主传动电动机实际速度和实际输出转矩值，并在每个采样周期内计算当前和上一个采 样点之间的时间段内主传动电动机实际速度变化率以及当前采样时刻的主传动电动机实际负 载转矩。在完成上述采样和计算后，传动机构安全销状态在线监控程序首先判断当前采样时刻 主传动电动机的实际负载转矩是否处在1.1～1.6倍的电动机最大输出转矩之间或大于1.6倍 的电动机最大输出转矩：(1)若电动机的实际负载转矩处在1.1～1.6倍的电动机最大输出转 矩之间，则说明当前和上一个采样点的时间段内的电动机负载转矩过大，有可能导致传动机构 安全销断裂，这样传动机构安全销状态在线监控程序将判断在该采样时间段内电动机的实际速 度变化率是否小于和等于零，若电动机的实际速度变化率小于或等于零，这表明电动机的负载 转矩仍然大于或等于电动机的实际输出转矩，同时也表明传动机构安全销还没有发生断裂。通 过大量的安全销断裂事故的分析可知，轧机的瞬时负载冲击有时可能会持续数个采样周期，在 这几个采样周期内，负载转矩的大小也将有所不同，有的采样段，负载转矩冲击相当大，有的 则相当小，并且传动机构安全销有时在负载冲击大的采样周期内并没有即刻发生断裂，而是在 后续较小的负载冲击下发生了断裂。鉴于此，一旦对应某个采样点电动机实际负载转矩处在 1.1～1.6倍的电动机最大输出转矩之间时，传动机构安全销状态在线监控程序将在每个采样周 期判断一次电动机实际速度变化率是否仍然小于或等于零，若电动机实际速度变化率变成大于 零的状态，则传动机构安全销状态在线监控程序将判断电动机实际速度变化率是否大于或等于 300转/分/秒，若成立，则说明轧机传动机构安全销在轧机瞬时大负载冲击后发生了断裂，这 样，传动机构安全销状态在线监控程序将立刻封锁连轧机组各轧机主传动逆变器的使能信号， 使连轧机组自由停车，同时该监控程序给出该机架传动机构安全销发生正常保护断裂的信息； 若不成立，则轧机传动机构安全销在整个轧机瞬时负载冲击的过程中未发生断裂，这样，传动 机构安全销状态在线监控程序又开始继续判断下一个采样周期电动机的实际负载转矩是否处 在1.1～1.6倍的电动机最大输出转矩之间；(2)若电动机的实际负载转矩大于1.6倍的电动 机最大输出转矩，则说明当前和上一个采样点的时间段内的电动机负载转矩超出了安全销的极 限剪切扭矩，有可能导致传动机构安全销断裂，这样传动机构安全销状态在线监控程序将判断 在该采样时间段内电动机的实际速度变化率是否小于和等于零，若电动机的实际速度变化率小 于或等于零，这表明电动机的负载转矩仍然大于或等于电动机的实际输出转矩，同时也表明传 动机构安全销还没有发生断裂。这样，传动机构安全销状态在线监控程序将在每个采样周期判 断一次电动机实际速度变化率是否仍然小于或等于零，若电动机实际速度变化率变成大于零的 状态，则传动机构安全销状态在线监控程序将判断电动机实际速度变化率是否大于或等于400 转/分/秒，若成立，则说明轧机传动机构安全销在超极限剪切扭矩下发生了断裂，这样，传动 机构安全销状态在线监控程序将立刻封锁连轧机组各轧机主传动逆变器的使能信号，使连轧机 组自由停车，同时该监控程序给出该机架传动机构安全销在超极限剪切扭矩下断裂的信息；若 不成立，则轧机传动机构安全销在超极限剪切扭矩下未发生断裂，即轧机传动机构安全销发生 了该剪断而未剪断的异常现象，这样，传动机构安全销状态在线监控程序又开始继续判断下一 个采样周期电动机的实际负载转矩是否大于1.6倍的电动机最大输出转矩，同时该监控程序给 出该机架传动机构安全销在超极限剪切扭矩下未发生断裂的信息。

上述控制程序解决了在轧机大负载瞬时冲击下传动机构安全销状态的在线监控，而对于轧 机传动机构安全销疲劳断裂的诊断，考虑到连轧机组第一个轧机(即连轧机组入口轧机)与其 余轧机安全销的疲劳断裂诊断的方式有所不同，故此，在此安全销状态监控程序中分别设置了 连轧机组第一个轧机安全销疲劳断裂诊断单元以及连轧机组其余轧机安全小疲劳断裂诊断单 元。针对连轧机组第一个轧机传动机构安全销疲劳断裂的状态诊断，通过对各种规格轧件在轧 机中抛尾的观察可知：轧机抛尾过程中其主传动电动机的实际速度的变化率通常在80～250转 /分/秒左右，均小于300转/分/秒，其电动机输出转矩陡然下降时间约在250毫秒左右，轧机 抛尾过程中其主传动电动机实际速度和实际输出转矩的变换率与轧机的实际负载扭矩大小成 正比；在轧机传动机构安全销发生疲劳断裂瞬间，轧机主传动电动机实际速度和实际输出转矩 的变化特征有时与轧机抛尾过程中电动机实际速度和实际输出转矩的变化特征相似。故此，为 了确保连轧机组第一个轧机传动机构安全销疲劳断裂诊断的可靠性，我们将该轧机传动机构安 全销发生疲劳断裂的诊断条件设定为：在轧制过程中，当轧机主传动电动机实际速度的变化率 大于或等于300转/分/秒，并且在此之后的300毫秒时间内电动机的输出转矩降至5％电动机额 定转矩以下，同时轧机传动机构安全销没有发生正常保护断裂以及在超极限剪切扭矩下断裂， 则该轧机传动机构安全销发生了疲劳断裂。该安全销状态诊断程序正是按照连轧机组第一个轧 机传动机构安全销发生疲劳断裂时所表现出的上述特征对该轧机安全销疲劳断裂状态进行在 线诊断。同样，对于连轧机组其余轧机传动机构安全销疲劳断裂的状态诊断，该安全销状态诊 断程序根据这些轧机发生安全销疲劳断裂时所表现出的以下四个特征来判定各轧机安全销是 否发生了疲劳断裂：(1)在正常轧制过程中，轧机主传动电动机的实际速度变化率(dn/dt)出 现了大于或等于150转/分/秒；(2)从该轧机主传动电动机实际速度变化率(dn/dt)出现大 于或等于150转/分/秒时刻起，在700毫秒时间内，该轧机主传动电动机的实际输出转矩下降 至电动机额定输出转矩的5％以下，并且持续了150毫秒或以上的时间；(3)该轧机的上游机架 中仍然有钢；(4)该轧机安全销没有发生正常保护断裂以及在超极限剪切扭矩下断裂。在该安 全销状态诊断程序的设计中，鉴于轧机传动机构安全销在正常轧制过程中出现疲劳断裂时，轧 机主传动电动机的实际速度和实际输出转矩的变化特征与轧机正常抛尾时其主传动电动机的 实际速度和实际输出转矩的变化特征很相似。故此，为了防止将轧机抛尾状态误判为轧机传动 机构安全销断裂状态，将上游机架中仍然有钢作为连轧机组除第一个轧机之外的其余轧机传动 机构安全销疲劳断裂监控的条件之一；通过对大量轧机传动机构安全销断裂事故的研究可知： 轧机传动机构安全销发生断裂的形态主要有两种，一种是轧机传动机构安全销发生了瞬间剪 断，并且安全销的剪切口断面比较平整，在这种情况下发生安全销剪断后，轧机主传动电动机 的实际速度上升率通常在400转/分/秒以上，并且主传动电动机输出转矩会迅速(通常在小于 几十毫秒时间内)降至为主传动电动机自身的空载转矩(通常在电动机额定输出转矩的1.5％ 左右)；另外一种是轧机传动机构安全销在轧制过程中出现断裂，但安全销的剪切口没有被瞬 间平齐剪断，即安全销的剪切口在断裂后其传动侧和操作侧在一段时间(通常在200～250毫 秒)内仍然存在动态接触的现象，由此导致轧机主传动电动机输出转矩在安全销发生断裂的 200～250毫秒后才能降至为电动机自身的空载转矩，但是，即使在这种情况下，轧机主传动电 动机在安全销断裂后的实际速度其上升率通常仍然在200转/分/秒以上，另外由于将上游机架 中仍然有钢作为连轧机组除第一个轧机之外的其余轧机传动机构安全销疲劳断裂监控的条件 之一，故此，对于连轧机组除第一个轧机之外的其余轧机，为了提高轧机安全销疲劳断裂诊断 的命中率，该安全销状态诊断程序将非抛尾期间检测到轧机主传动电动机实际速度上升率大于 或等于150转/分/秒作为这些轧机安全销发生疲劳断裂的判断条件。这样，当连轧机组任何一 个轧机的传动机构安全销出现疲劳断裂，轧机传动机构安全销状态在线监控程序将立刻封锁连 轧机组各轧机主传动逆变器的使能信号，使连轧机组各机架自由停车；或者该安全销状态诊断 程序及时给轧机控制系统发出信号，使连轧机组在轧完本根轧件后停车，以防下一根轧件在轧 机传动机构安全销发生断裂的轧机入口处出现卡钢，同时该监控程序给出该机架传动机构安全 销发生疲劳断裂的信息。