JP6844552B2 - 圧延機の異常振動検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧延機で金属板の圧延中に発生するチャタリングの検知に好適な圧延機の異常振動検出方法に関する。

金属板の製造における冷間圧延機やテンションレベラーなどの圧延設備では、異常振動（チャタリング）が発生すると金属板表面に幅方向のマーク（チャタマーク）が生じ、金属板の長手方向に縞状模様となることが知られており、これまで、このような異常振動を検出する技術として種々の提案がなされてきた。
特許文献１では、金属圧延機各部の１か所異常に振動検出器を設置し、振動の加速度及び振動のエネルギーが一定値を超えた時に異常信号を発するようにしている。

特許文献２では、圧延機各部の１か所異常に振動検出器を設置し、検出した振動周波数がミル固有振動数、ギアの噛み合い不良、ベアリング不良、スピンドルとロールのカップリングのガタ、ロール疵より発生する固有の振動周波数をチャタマーク発生原因毎の基本周波数とし、振動の実測値の周波数分析を行った結果が、チャタマーク発生原因毎の基本周波数の整数倍の周波数において設定値を超えたときにチャタリング発生と定義している。

特許文献３では、振動センサの固有振動数領域の振動を測定してミクロ的なスリップを検知するようにしている。
特許文献４では、鋼帯圧延機に設けられた振動センサで検出した運転中の振動値を周波数解析し、圧延機の軸受の傷発生を示す周波数と照合して異常有無を検知するようにしている。
特許文献５では、圧延機のスタンド間における鋼板張力値の変動を読み込み、張力値の変動を周波数解析し、圧延機の異常発生時鋼板の固有振動数を含む周波数帯域における各周波数の強度を求め、それが所定の閾値異常になったときに異常と判断している。
特許文献６では−、圧延機の入出側の小径ロールに設置した振動計により検出した振動値のうち、鋼板の弦振動の周波数に一致する成分が予め設定した閾値を超えた場合に異常と判定している。

特開昭５０−８４４５号公報 特開平８−１０８２０５号公報 特開平７−１２６４１号公報 特開２０１０−２３４４２２号公報 特開２０１４−４６１２号公報 特開２０１６−１５３１３８号公報

ところで、上記特許文献１に記載された先行技術では、設置した振動計から得られる振動加速度に対し、周波数解析等はせずに閾値を設定する方法が提案されているが、得られる振動加速度は主に低周波数の振動強度が支配的となり、周波数の高い側の振動強度の変化を捉えることは難しいという課題がある。
また、特許文献２〜６に記載された先行技術のように、設備的に予め予測される周波数に着目して振動監視する方法も提案されているが、本発明者等が冷間圧延機で発生するチャタマークについて調査したところ、設備的に予め予測される周波数以外でも、チャタマークが発生するケースがあり、特性の周波数のみを監視していてはチャタマーク発生を捉えられないという課題がある。なお、そのようなチャタリングは、操業中の板破断を起因としたロールの微小疵や圧延機の附帯設備が発生する微小振動がロールに多角形摩耗を引き起こすことを原因としており、予め周波数を予見することが不可能であるという課題がある。さらに、そのようなチャタマークを引き起こす振動は、例えばベアリング故障等で発生する振動強度に比べて非常に小さいことが経験上分っている。

なお、そのような、チャタマークを異常振動として検出するために周波数を特定せずに閾値を設けた場合には、通常発生しているチャタマークに繋がらないギアの噛み合い振動、ベアリング振動や振動ノイズを異常と判断してしまうという課題がある。
そこで、本発明は、上記先行技術の課題に着目してなされたものであり、チャタマークに繋がる異常振動を正確に判定することができる圧延機の異常振動検出方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る圧延機の異常振動検出方法の一態様は、金属板の冷間圧延時に、圧延スタンドの１か所以上に設置した振動計により振動信号を収集し、圧延速度の変動が少ない定速状態であるときに収集した振動信号に対して所定周期毎に高速フーリエ変換による周波数解析を行い、得られた各周波数成分のスペクトル値に対して平均化処理を行う。

本発明の一態様によれば、チャタマークを発生する異常振動を的確に検出することができる。

本発明を適用し得る圧延設備の概略構成を示すシステム構成図である。 振動信号処理計算機で実効する異常振動検出処理手順の一例を示すフローチャートである。 圧延速度の変化を示す特性線図である。 高速圧延時における周波数解析結果を示す波形図であって、（ａ）は平均化処理前の周波数解析結果、（ｂ）は平均化処理誤の周波数解析結果を示す。 低速圧延時における周波数解析結果を示す波形図であって、（ａ）は平均化処理前の周波数解析結果、（ｂ）は平均化処理誤の周波数解析結果を示す。

以下、本発明に係る鋼塊転回装置の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図面は模式的なものであって、現実のものとは異なる場合がある。また、以下の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであり、構成を下記のものに特定するものでない。すなわち、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

先ず、本発明を適用し得る圧延システム構成について図１を伴って説明する。
異常振動の検出対象となる冷間連続圧延機（コールドタンデムミル）１０は、４つの圧延スタンドＳＴ１〜ＳＴ４が所定間隔を保って一列に配置されている。
各圧延スタンドＳＴｉ（ｉ＝１〜４）は、ミルハウジング１１内に、金属板（鋼帯）１２を圧延するための一対のワークロール（ＷＲ）１３及びワークロール１３に圧下力を作用させるための一対のバックアップロール（ＢＵＲ）１４を備えている。
各圧延スタンド間には、テンションメータロール１５とパスラインロール１６とが設けられている。

そして、各圧延スタンドＳＴｉのミルハウジング１１の上部に振動計１７が設けられていると共に、テンションメータロール１５及びパスラインロール１６にもそれぞれ振動計１８が設けられている。これら振動計１７及び１８は、圧電素子型センサが好適であるが、これに限定されるものではなく、任意の振動計を適用することができる。
また、冷間連続圧延機１０の出側における圧延スタンドＳＴ４のワークロール１３の回転速度を検出して圧延速度を検出する圧延速度検出部１９が設けられている。この圧延速度検出部１９としては、ワークロール１３の回転速度を検出する場合に限らず、メジャリングロールのような接触式板速検出器やレーザードップラー法を使用した非接触式板速検出器を適用するようにしてもよい。

各振動計１７及び１８で検出した振動検出信号ＳＶ及び圧延速度検出部１９で検出した圧延速度検出信号Ｖｒは、振動信号処理計算機２０に入力される。
この振動信号処理計算機２０は、各振動計１７及び１８から入力される振動検出信号ＳＶについて個別に異常振動検出処理を行う。
この異常振動検出処理は、所定のサンプリング周期Ｔ１で収集した振動検出信号ＳＶに対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）方式の周波数解析を行って振動検出信号ＳＶに含まれる周波数成分とその大きさを表すスペクトル値を求める周波数解析処理を複数回実行する。そして、振動信号処理計算機２０は、複数回の周波数解析処理結果である各スペクトル値を平均化処理してチャタマークを発生するスペクトル値を抽出し、抽出したスペクトル値と閾値とを比較して異常振動であるか否かを判定する。

ここで、周波数解析を行うサンプリング周期Ｔ１は、実装されている計算機の能力と、要求される周波数解析範囲及び分解能により決定されるが、圧延機のチャタリングは０〜１０００Ｈｚで発生することを考慮すると、サンプリング周波数は２０００Ｈｚ以上が要求され、かつ５Ｈｚ以下の周波数分解能を持つことが好ましく、そうした場合にはサンプリング周期Ｔ１は、０．２秒以上にすることが好ましい。ただし、サンプリング周期を長くしすぎた場合には後で実施する平均化処理においてサンプル数が少なくなるため、サンプリング周期Ｔ１は、０．２〜１秒の範囲とすることが好ましい。

平均化処理は、一定圧延速度で一定時間以上圧延している区間（平均処理区間と称する）で実施する。平均化処理は、ごく一般的な算術平均処理であり、平均化処理区間でえられているサンプリング周期Ｔ１毎の周波数解析結果（Ｎ回分）を周波数毎に加算し、サンプリング回数Ｎで除した値を平均値とする。
ここで、一定圧延速度とは圧延速度が例えば±１ｍ／ｍｉｎ以内の変動幅で圧延していることが望ましい。これは圧延速度の変動が大きい区間で平均化した場合には、速度に応じて周波数の変化する振動について得られる周波数応答はブロード化してしまうためである。
また、一定時間以上とは、一定圧延速度で少なくとも１０点以上の周波数解析結果が得られるような時間とすることが望ましい。例えばサンプリング周期Ｔ１を１秒とした場合には一定時間が１０秒以上一定圧延速度で圧延していることが必要となる。

次に、異常振動検出処理について図２のフローチャートを伴って具体的に説明する。
この異常振動検出処理は、振動検出信号ＳＶのサンプリング周期Ｔ１に余裕時間を加えた作動周期でメインプログラムに対するタイマ割込処理として実行される。
この異常振動検出処理は、図２に示すように、先ず、ステップＳ１で、圧延速度検出器１９で検出した圧延速度Ｖｒ（ｎ）を読み込み、次いでステップＳ２に移行して振動検出信号ＳＶ（ｎ）を読み込んで振動検出信号記憶領域に記憶する振動検出信号読込処理を起動する。この振動検出信号読込処理は、振動計１７又は１８から出力される振動検出信号ＳＶをサンプリング周期Ｔ１の間収集して記憶部２１に形成された振動検出信号記憶領２２に記憶する。

次いで、ステップＳ３に移行して、圧延速度フラグＦが“０”にリセットされているか否かを判定し、Ｆ＝“０”であるときには、ステップＳ４に移行する。このステップＳ４では、ステップＳ１で読み込んだ圧延速度Ｖｒ（ｎ）を基準圧延速度Ｖｒｂとして一次記憶部に記憶し、次いでステップＳ５に移行して圧延速度フラグＦを“１”にセットしてから割込処理を終了する。
一方、ステップＳ３の判定結果が圧延速度フラグＦが“１”にセットされているときには、ステップＳ６に移行して、基準圧延速度ＶｒｂからステップＳ１で読み込んだ圧延速度Ｖｒ（ｎ）を減算した絶対値が予め設定された速度偏差ΔＶ（例えば１ｍ／ｍｉｎ）を超えているか否かを判定する。この判定は、金属板１２の圧延速度Ｖｒが定速であるか否かを判定するものである。このステップＳ６の判定結果が、｜Ｖｒｂ−Ｖｒ（ｎ）｜＞ΔＶであるときには、定速状態ではないものと判断してステップＳ７に移行し、周波数解析結果記憶領域の解析結果を消去してから前述したステップＳ４に移行する。

また、ステップＳ６の判定結果が、｜Ｖｒｂ−Ｖｒ（ｎ）｜≦ΔＶであるときには、金属板１２の圧延速度Ｖｒが変動が少ない定速であると判断してステップＳ８に移行する。
このステップＳ８では、振動検出信号記憶領域に記憶されている前回の振動検出信号ＳＶ（ｎ−１）を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）方式の周波数解析を行い、振動信号に含まれる周波数成分とその大きさを表すスペクトル値でなる解析結果を得、この解析結果を記憶部２１に形成された解析結果記憶領域２３に記憶してからステップＳ９に移行する。

このステップＳ９では、解析結果記憶領域に所定数Ｎ個（例えばＮ＝１０）の解析結果が蓄積されたか否かを判定する。このステップＳ９の判定結果が、解析結果の記憶数がＮ個に達していない場合にはそのままタイマ割込処理を終了する。
また、ステップＳ９の判定結果が、解析結果の記憶数がＮ個に達したときには、ステップＳ１０に移行して、各解析結果の平均化処理を行ってからステップＳ１１に移行する。この平均化処理は、各解析結果の周波数毎にスペクトル値を加算した合計スペクトル値を個数Ｎで除して平均値を算出する。
ステップＳ１１では、平均化した周波数解析結果からチャタマークを発生させるチャタリング原因周波数のスペクトル値を抽出し、このチャタリング原因周波数のスペクトル値と予め設定した正常時のチャタリング原因周波数のスペクトル値であるスペクトル値閾値と比較する。

ここで、チャタリング原因周波数は、冷間連続圧延機１０の圧延速度によって変化する。すなわち、金属板１２を冷間連続圧延機１０で圧延する場合の圧延速度は、図３に示すように、停止状態から圧延開始すると、約８００ｍ／ｍｉｎの高速圧延速度まで１０秒程度で一気に増速した後高定速圧延状態となり、その後約２００秒を超えた時点で約６００ｍ／ｍｉｎの低速圧延速度まで減速した後低定速圧延状態となり、この低定速圧延状態から２７０秒を超えた時点で一気に減速されて停止される。このように、圧延速度は、高定速圧延状態と低定速圧延状態の２段階に変化し、これに応じてチャタリング原因周波数も変化する。すなわち、高定速圧延状態でのチャタリング原因周波数は５１０Ｈｚとなり、低定速圧延状態でのチャタリング原因周波数は４００Ｈｚとなる。

したがって、冷間連続圧延機１０が正常であるときに、高定速圧延状態のチャタリング原因周波数５１０Ｈｚにおけるスペクトル値をスペクトル閾値として求めておくと共に、低定速圧延状態のチャタリング原因周波数４００Ｈｚにおけるスペクトル値をスペクトル閾値として求めておき、基準圧延速度Ｖｒｂに基づいてチャタリング原因周波数のスペクトル閾値を決定する。
このステップＳ１１の比較結果が抽出したスペクトル値がスペクトル閾値を超えているときにはチャタリングが発生していると判断してステップＳ１２に移行し、アラームを発信してからステップＳ１３に移行する。また、ステップＳ１１の判定結果が、抽出したスペクトル値がスペクトル閾値以下であるときには正常と判断してステップＳ１３に移行する。
このステップＳ１３では、周波数解析結果記憶領域及び振動検出信号記憶領域の記憶データを消去してからステップＳ１４に移行し、圧延速度フラグＦを“０”にリセットしていからタイマ割込処理を終了する。

次に、本発明に係る異常振動検出方法について説明する。
この異常振動検出方法では、圧延速度Ｖｒの変動が少ない圧延状態を一定時間継続している状態で異常判定を行う。このため、前述した図２のフローチャートに示すように、振動計１７又は１８から振動検出信号を読み込む度に圧延速度検出部１９から圧延速度Ｖｒ（ｎ）を読み込んで定速圧延状態であるか否かを判断している。
したがって、図３に示すように、時点ｔ１で冷間圧延を開始し、時点ｔ２で高定速圧延状態に移行した場合を想定すると、時点ｔ１から時点ｔ２までの間では、圧延速度Ｖｒが急勾配で増加している。このとき、図２の異常判定処理を開始したときに圧延速度フラグＦは“０”に初期化されるので、ステップＳ１で読み込んだ圧延速度Ｖｒ（ｎ）が基準圧延速度Ｖｒｂとして記憶される（ステップＳ４）。このとき、圧延速度フラグＦが“１”にセットされることにより、次回のタイマ割込時には、ステップＳ３からステップＳ６に移行し、読み込んだ圧延速度Ｖｒ（ｎ）が基準圧延速度Ｖｒｂに対して速度偏差ΔＶ（±１ｍ／ｍｉｎ）以内の定速状態であるか否かを判定する。

このとき、圧延速度Ｖｒの加速状態では、｜Ｖｒｂ−Ｖｒ（ｎ）｜＞ΔＶとなり、周波数解析結果記憶部には解析結果が記憶されていないが、記憶データが消去されて、読み込んだ圧延速度Ｖｒ（ｎ）が再度基準圧延速度Ｖｒｂとして記憶される。
この状態が繰り返されて圧延速度が高定速圧延状態となって、圧延速度Ｖｒの変動が少なくなった時点から、読み込んだ振動検出信号ＳＶ（ｎ）の解析を開始する。この場合、ステップＳ２で読み込みを開始した振動検出信号ＳＶ（ｎ）については読み込みが完了するまでに０．２〜１秒掛かるので、前回のタイマ割込処理で記憶した振動検出信号ＳＶ（ｎ）について高速フーリエ変換方式の周波数解析を実行する（ステップＳ８）。

このときの周波数解析結果は、図４（ａ）に示すように、０〜１０００Ｈｚの周波数範囲で、周波数毎に多数のスペクトル値が発生している。ここで、高定速圧延状態における圧延速度Ｖｒ＝８００ｍ／ｍｉｎにおけるチャタリング原因周波数５１０Ｈｚについては近傍の振動によるスペクトル値に埋もれており、チャタリング原因周波数のスペクトル値を抽出することができない。
このため、本実施形態では、圧延速度Ｖｒが定速を維持している状態で、振動検出信号ＳＶをサンプリングする毎に、複数Ｎ回（Ｎ＝１０）周波数解析を実行し、解析結果を周波数解析結果記憶領域に記憶して行く。

そして、周波数解析結果記憶領域に複数Ｎ個の周波数解析結果が記憶されたときに、ステップＳ９からステップＳ１０に移行して、記憶された複数Ｎ個の周波数解析結果における各周波数毎のスペクトル値を平均化処理する。すなわち、各周波数分析結果の周波数におけるスペクトル値を個別に加算した合計スペクトル値を記憶数Ｎで除する算術平均処理を行って平均スペクトル値を算出する。
このように、Ｎ個の周波数分析結果を周波数毎のスペクトル値を平均化処理することにより、チャタリング原因周波数５１０Ｈｚにおける平均スペクトル値は、チャタリングを生じさせる振動が連続して起きているので、チャタリング原因周波数の平均スペクトル値は図４（ｂ）に示すように、ピークがはっきりと表れる。これに対して、チャタリング原因周波数の前後の周波数では、振動が不規則であるため、平均化すると平均スペクトル値が小さくなる。

したがって、図４（ｂ）からチャタリング原因周波数５１０Ｈｚの平均スペクトル値を抽出し、この平均スペクトル値を正常時のスペクトル値であるスペクトル閾値と比較する（ステップＳ１１）。これにより、異常振動であるか否かを判別することができ、チャタリング原因周波数５１０Ｈｚの平均スペクトル値がスペクトル閾値以下であるときには正常と判断して周波数解析結果記憶領域及び振動検出信号記憶領域の記憶データを消去し（ステップＳ１３）、圧延速度フラグＦを“０”にリセットする（ステップＳ１４）。

このため、次のタイマ割込タイミングで、新たな基準圧延速度Ｖｒｂが設定されて、振動検出信号ＳＶの読み込み処理と周波数分析処理及び平均化処理が実行される。
なお、振動検出信号記憶領域に１又は２以上の振動検出信号が記憶されている状態で、圧延速度Ｖｒ（ｎ）が基準圧延速度Ｖｒｂから速度偏差ΔＶを超えて変動した場合には、それまでの記憶された振動検出信号及び周波数分析結果が消去されて、読み込み中の振動検出信号から新たに周波数分析が開始される。

その後、時点ｔ３で圧延速度Ｖｒが減速を開始すると、周波数解析が中断され、時点ｔ４で低定速圧延状態となって、定速状態が一定時間継続されたときに周波数解析が実行され、周波数解析結果が複数Ｎ個となった時点で、平均化処理が実行されてチャタリング原因周波数４００Ｈｚの平均スペクトル値と正常時のスペクトル値であるスペクトル閾値と比較して、異常振動の検出が行われる。
この場合も、平均化処理前の周波数分析結果は、図５（ａ）に示すように、ある程度ピーク値を判断可能であるが、平均化処理を行うことにより、図５（ｂ）に示すように、チャタリング原因周波数４００Ｈｚにおける平均スペクトル値がより明確に判別することができる。

このように、本実施形態によると、圧延速度が定速状態を一定期間維持している状態で、振動検出信号を所定のサンプリング周期でサンプリングし、サンプリングした振動検出信号を周波数分析して周波数毎のスペクトル値を得る周波数分析処理を行う。この周波数分析処理を複数回繰り返し、複数の周波数分析結果を平均化処理することにより、チャタリング原因周波数における平均スペクトル値を得ることにより、チャタリング原因周波数のスペクトル値を正確に検出することができる。そして、この平均スペクトル値をスペクトル閾値と比較することで、チャタリングが生じる異常振動が発生しているか否かを正確に判断することができる。

なお、上記実施形態では、振動検出信号ＳＶのサンプリング周期を１秒とし周波数分析を行うことを１０回繰り返す場合について説明したが、これに限定されるものではなく、上述したようにサンプリング周期Ｔ１は０．２秒以上に設定すればよく、また平均化を行う分析結果数は１０個に限定されるものではなく、任意に設定することができる。
また、上記実施形態では、振動検出信号を収集する毎に、圧延速度Ｖｒも収集する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、所定数の振動検出信号を連続的に収集し、その間に所定間隔で圧延速度Ｖｒを収集して、圧延速度の変動があった時点で、再度振動検出信号の収集を開始するようにしてもよい。

この場合には、サンプリング周期Ｔ１の振動検出信号を収集する毎に、周波数分析処理を実行し、周波数分析結果がＮ個に達したときに、周波数分析結果を平均化処理すればよい。
また、上記実施形態では、圧延速度を最終スタンドＳＴ４で検出する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、各圧延スタンドＳＴ１〜ＳＴ３に個別に設けるようにしてもよい。

１０…冷間連続圧延機、１１…ハウジング、１２…金属板、１３…ワークロール、１４…バックアップロール、１５…テンションメータロール、１６…パスラインロール、１７，１８…振動計、１９…圧延速度検出部、２０…振動信号処理計算機、２１…振動検出信号記憶領域、２２…周波数分析結果記憶領域

Claims (2)

1. 金属板の冷間圧延時に、圧延スタンドの１か所以上に設置した振動計により振動信号を収集し、圧延速度の変動が少ない定速状態であるときに収集した振動信号に対して所定周期毎に高速フーリエ変換による周波数解析を行い、得られた各周波数成分のスペクトル値に対して平均化処理を行い、
   前記平均化処理において、複数Ｎ個の周波数解析結果の周波数におけるスペクトル値を個別に加算した合計スペクトル値をＮで除する算術平均処理を行うことを特徴とする圧延機の異常振動検出方法。
2. 前記平均化処理を行ったスペクトル値が予め得られている該当する定速圧延速度における正常時のスペクトル値を超えたときに異常と判定することを特徴とする請求項１に記載の圧延機の異常振動検出方法。

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