JP6999451B2 - 振動低減装置および板厚計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、動吸振器を用いた振動低減装置に関するものである。また、本発明は、該振動低減装置を適用した板厚計測装置に関するものである。

鋼板の製造ラインにおいて、製造設備や計測装置の振動を低減することは、品質並びに生産性を向上する上で非常に重要である。例えば、鋼素材を連続的に圧延して厚板などの鋼板を製造するラインには、鋼板の板厚を計測するための板厚計が設置されるのが一般的である。ここで、板厚を精度良く計測するためには、板厚計が振動することなく据え付けられている必要がある。従って、板厚計を据え付けるための架台構造物に振動が発生し、板厚計が振動している場合、板厚計の計測精度が低下したり、振動の程度によっては計測自体が不可能になったりする結果、製造される鋼板は板厚がばらついたものとなる。

このような振動の問題を解決する方法として、動吸振器（同調質量ダンパ：Tuned MassDamper）による振動低減技術が知られている。例えば、動吸振器および振動センサーからなる振動吸収装置を用いて圧延機の振動を抑制することが、特許文献１に記載されている。ここでは、錘をばねおよびダンパを介して圧延機に取付ける動吸振器が用いられている。

特開平８－２４７２１１号公報

上記の特許文献１に記載の技術では、振動低減の対象とする圧延機の振動特性に合わせて動吸振器のパラメータである質量、ばね定数および減衰係数を調整する必要がある。ここで、質量およびばね定数については重錘およびばねの選定により設計通りに装置を設定することが可能である。

しかしながら、減衰の役目を担うダンパは、摺動部分の摩擦の状況により特性が大きく変わるため、減衰係数を調整することが難しい。動吸振器を用いて振動を低減する対象は、上記した圧延機や、圧延された鋼板に用いる板厚計などであり、これらの対象はいずれも過酷な環境に設置されているのが通例である。具体的には、高温環境にあったり、鋼板の製造に供する様々な装置から発生する振動を受ける環境にある。特に、振動低減の対象となる装置に加わる振動の向きは必ずしも一定ではないことが問題になる。従って、制振対象物における振動の向きがダンパの伸縮方向に沿わずに、ダンパの伸縮方向と振動の向きとにずれが生じる場合もある。その場合は、減衰係数および振動特性が変化するため、設計通りの減衰係数を実現することが困難になる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、設置環境の影響を受けることなしに、所期した減衰能を確実に発揮することのできる振動低減装置を提供することにある。また、本発明の別の目的は、振動の低減能を有する高精度の板厚計測装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その要旨構成は次のとおりである。
１．制振対象物に付加される質量体と、前記質量体および前記制振対象物の間に介在するばねおよびダンパとからなる動吸振器を有する振動低減装置であって、
前記ダンパは、前記質量体および前記制振対象物の各々に、球面軸受を介して取付けられる振動低減装置。

２．前記ダンパが、伸縮式のオイルダンパである前記１に記載の振動低減装置。
３．前記制振対象物は、鋼板の製造ラインの製造装置群および計測装置群から選ばれる１以上の装置である前記１または２に記載の振動低減装置。

４．前記１、２または３に記載の振動低減装置をそなえる板厚計測装置。

本発明に係る振動低減装置によれば、制振対象物の設置環境の影響を受けずに制振対象物の振動の振幅を所期した設計通りに低減することができる。また、本発明に係る板厚計測装置は、計測中の振動振幅を可能な限り小さくすることができる結果、計測装置の振動に起因する計測精度の低下は回避され、品質管理あるいは製造条件制御に対する悪影響を排除して高品質の鋼板を製造するのに寄与する。

本発明に係る振動低減装置の構成を示す概略図である。 球面軸受を示す図である。 本発明に係る振動低減装置を鋼板製造ラインにおいて計測装置の振動低減に適用した際の構成を示す概略図である。 振動の周波数を横軸として振動振幅比を評価した結果を示すグラフである。 振動振幅比の最大値を比較例１で正規化して比較した結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の振動低減装置について具体的に説明する。図１に、本発明に係る振動低減装置１を振動低減の対象である構造物、すなわち制振対象物２に取り付けたときの構成を模式的に示す。
まず、制振対象物２において共振による振動が支配的である場合、図１に示すように、制振対象物２は、基礎Ｂに固定したばね７およびダンパ８にて支持される、重錘６に代替することができる。振動低減装置１は、この重錘６に付加される重錘３と、この重錘３および重錘６間に介在するばね４およびダンパ５とからなる動吸振器にて構成される。重錘３は重錘６の振動方向と同一方向に自由に移動できるように、例えばリニアスライダ等を介して重錘６に載置され、かつばね４、重錘３およびダンパ５が重錘６の振動方向に並ぶ配置にて重錘６に取付けられている。特に、ダンパ５は、重錘３および重錘６の両方に対して、球面軸受９を介して取付けられている。

球面軸受９は、転がり軸受と違い転動体がなく、図２に示すように、外輪９ａと内輪９ｂとは球面接触、すなわち滑り接触面が球面である滑り軸受である。重錘３側の球面軸受９では、その内輪９ｂにダンパ５から延びる連結棒９ｃの先端を支持させ（図２（ａ）参照）、同様に、重錘６側の球面軸受９では、その内輪９ｂにダンパ５の摺動軸５ａの先端を支持させる。このように球面軸受９を適用することによって、重錘６の振動方向が摺動軸５ａの伸縮方向との間にずれが生じた場合に、例えば図２（ｂ）に連結棒９ｃの場合を例示するように、そのずれ角を球面軸受９の内輪９ｂの傾動によって吸収することができる。

なお、球面軸受９は、図２に示すように、例えば重錘３に対して外輪９ａを保持するフランジ形状の取付け台座１５を介してボルト１５ａにて固定される。

ここで、振動低減装置１の重錘３の質量ｍと制振対象物２である重錘６の質量Ｍとの比ｍ／Ｍをμとすると、動吸振器の最適設計法である定点理論に基づいて振動低減装置の動吸振器としてのパラメータである、質量ｍ、ばね４の定数ｋおよびダンパ５の減衰係数ｃを下記のように設定することによって、動吸振器の原理により制振対象物２の振動振幅を極力小さくすることができる。
記
ｍ＝μＭ ・・・（１）
ｋ＝ｍＫ｛（１／（１＋μ）｝²／Ｍ ・・・（２）
ｃ＝２ｍ｛３μＫ／８Ｍ（１＋μ）³｝^1/2 ・・・（３）

振動低減装置１では、重錘３の質量、ばね４のばね定数およびダンパ５の減衰係数にて上記のパラメータを調整することになる。そして、振動低減装置１を制振対象物２に取り付けた状態において、それぞれのパラメータが設計通りに機能することが重要となる。
ここで、鋼板の製造ラインにおける各製造装置または計測装置は一般的に剛性が高く、これら装置類を制振対象物と考えた場合、ばね定数Ｋが大きいことになる。上記の式（３）のとおり、ばね定数Ｋが大きい場合には、振動低減装置の減衰係数ｃを大きくする必要があり、大きな減衰を得やすい伸縮式のオイルダンパを用いることが望ましい。
しかしながら、伸縮式のオイルダンパは、粘性流体を封入するために摺動部分が存在する。そのため、該ダンパが減衰すべき振動方向とダンパの伸縮方向との間にずれが生じた場合、摺動部分での摩擦の発生状況が変化して減衰係数および振動特性が変化することが問題になるのは、既述のとおりである。この点、本発明では上記のとおり、ダンパの接続部分を球面軸受で支持していることにより、制振対象物２の振動方向とダンパ５の伸縮方向とにずれが生じた場合であっても、このずれを球面軸受が吸収して振動方向の運動をダンパ伸縮方向の運動に滑らかに変換することが可能であり、設計通りの減衰特性を発揮させることができる。

以上の作用により、本発明の実施形態に係る振動低減装置１では、装置の設置環境の影響を受けることなく動吸振器のパラメータが設定通りに機能し、制振対象物における振動の振幅を極力小さくすることができる。

次に、図３に、本発明の振動低減装置１を、鋼板１３の通板ラインにおいて連続的に品質を計測している計測装置１１に適用した際の構成を示す。
例えば熱間圧延を経た鋼板１３は、図３（ａ）に矢印で示す向きに通板される過程において、計測装置１１によって様々な情報、例えば板厚を連続的に計測され、品質管理あるいは製造条件の制御などに利用されている。この計測装置１１は、例えば熱間圧延後で高温の鋼板１３の通板ラインから適切な距離を保つように、工場床に固定された架台１２上に設置されている。

ここで、架台１２の基礎部分１４に衝撃的な振動が発生すると、架台１２の共振により架台１２下側を支点として計測装置１１が鋼板１３の通板方向に大きく振動することになるが、図３のように振動低減装置を設置することにより、この振動を低減することができる。すなわち、重錘３をリニアスライダ１０により計測装置１１の振動方向と同じ方向に自由に移動できるように設置し、ばね４および、両端の各々が球面軸受９を介して架台１２および重錘３に取り付けられたダンパ５により、重錘３を支持する。以上の構成によって、上述したように架台１２の振動方向とダンパ５の伸縮方向とにずれが生じた場合であっても、動吸振器の振動低減効果を設計通りに得ることができ、計測装置１１の振動振幅を可能な限り小さくすることができる。その結果、計測装置の振動に起因する計測精度の低下は回避され、品質管理あるいは製造条件制御に対する悪影響を排除して高品質の鋼板を製造することができる。

本発明の効果を確認するために、図３に示した厚板の製造ラインで連続的に板厚を計測している板厚計測装置において、本発明の実施形態に係る振動低減装置を用いて検証実験を行った。
板厚計測装置１１および架台１２の振動特性を事前の振動測定により調査し、板厚計測装置１１の振動を質量Ｍ＝３０００ｋｇ、ばね４のばね定数Ｋ＝５．７×１０⁷Ｎ／ｍ、ダンパ５の減衰係数Ｃ＝１．７×１０⁴Ｎ／（ｍ／ｓ）の１自由度系の振動で表されることを確認した上で、振動低減装置１の設置スペースの制約から振動低減装置の質量ｍ＝１５０ｋｇ（質量比μ（ｍ／Ｍ）＝０．０５）として、上記した式（２）および式（３）に基づいて、ばね定数ｋ＝２．６×１０⁶Ｎ／ｍおよび減衰係数ｃ＝５．３×１０³Ｎ／（ｍ／ｓ）を算出し、これら算出値に従って振動低減装置１を設計そして製作した。

次いで、比較例１として振動低減装置１を用いない条件で振動測定を実施し、基礎部分の振動振幅に対する板厚計測装置１１の振動振幅の比を評価した。次に、比較例２として振動低減装置１のダンパの接続部分に球面軸受９を用いずに、減衰付加すべき振動方向とダンパ５の伸縮方向に０．８°のずれを故意に生じさせた条件で振動測定を実施し、それぞれ振動振幅比を評価した。
一方、発明例として、ダンパ５の接続部に球面軸受９を用いて支持し、比較例２と同様に減衰付加すべき振動方向とダンパ５の伸縮方向に０．８°のずれを故意に生じさせた条件で振動測定を実施し、振動振幅比を評価した。

各事例について、周波数を横軸として振動振幅比を評価した結果を図４に示す。比較例１では、板厚計測装置１１および架台１２の構造の固有振動数である２２Ｈｚで大きく振動している。それに対して、比較例２および発明例では、振動低減装置１の効果により比較例１よりも振動振幅比を小さく、すなわち振動を低減できている。
さらに、振動振幅比の最大値を比較例１の値で正規化して比較した結果を図５に示す。ここでは、縦軸の振動振幅比の最大値が１よりも小さい時に振動低減の効果があることを意味し、値が小さいほど振動低減の効果が大きい。図５に示すように、比較例２では比較例１に対して振動を５３％低減できているが、発明例では比較例１に対して振動を７８％低減できていて、振動低減の効果が大きいことがわかる。比較例２では、減衰付加すべき振動方向とダンパの伸縮方向とにずれがあるため、ダンパの摺動部分で摩擦が大きくなり、設計よりも過大な力が発生した結果、振動低減効果が損われた。
一方、発明例では球面軸受を用いているため、減衰付加すべき振動方向とダンパの伸縮方向とにずれがある場合でも、設計通りの減衰特性を発揮することが可能となり、最大限の振動低減効果を実現することができた。その結果、板厚計測装置の振動が格段に低減でき、製造する厚板の精度を向上することが可能となった。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明の実施においては、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述および図面により本発明は限定されることはない。

本発明は、構造物の振動低減に有用であり、特に鋼板の製造ラインにおける計測各装置の振動低減に適していることは勿論、その他の製造各装置の振動低減にも適合する。

１ 振動低減装置
２ 制振対象物
３ 重錘
４ ばね
５ ダンパ
６ 重錘
７ ばね
８ ダンパ
９ 球面軸受
１０ リニアスライダ
１１ 計測装置
１２ 架台
１３ 鋼板
１４ 基礎
１５ 取付け台座
１５ａ ボルト

Claims (2)

1. 鋼板の製造ラインの計測装置群から選ばれる１以上の装置である制振対象物に付加される質量体と、前記質量体および前記制振対象物の間に介在するばねおよびダンパとからなる動吸振器を有する振動低減装置であって、
   前記ダンパが、伸縮式のオイルダンパであって、該ダンパは、前記質量体および前記制振対象物の各々に、滑り接触面が球面である球面軸受を介して取付けられ、前記ばね、前記質量体および前記ダンパが前記制振対象物の振動方向に直列に並ぶ配置にて前記制振対象物に取付けられている振動低減装置。
2. 請求項１に記載の振動低減装置をそなえる板厚計測装置。

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