[發(fā)明專利]高速薄板軋機(jī)自激振動(dòng)預(yù)測(cè)與抑制的工藝方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710000637.4
• 申請(qǐng)日: 2017-01-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106734194B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郜志英;管奔;李強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類號(hào): B21B1/22
• 分類號(hào): B21B1/22;B21B37/46;G06F17/50
• 代理公司: 北京市廣友專利事務(wù)所有限責(zé)任公司 11237
• 代理人: 張仲波

1.一種高速薄板軋機(jī)自激振動(dòng)預(yù)測(cè)與抑制的工藝方法，其特征在于：該工藝方法包括軋機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型、動(dòng)態(tài)軋制過(guò)程模型、自激振動(dòng)機(jī)理模型、臨界軋制速度模型和預(yù)測(cè)與抑制自激振動(dòng)的工藝措施，該工藝方法具體過(guò)程如下：

首先，通過(guò)軋機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型考慮軋件的塑性變形和上下輥系的非對(duì)稱性，建立機(jī)架-輥系-軋件互相耦合的垂直振動(dòng)子結(jié)構(gòu)模型，分為靜位移部分的靜力學(xué)方程和振動(dòng)部分的動(dòng)力學(xué)方程；然后，通過(guò)動(dòng)態(tài)軋制過(guò)程模型在考慮垂直振動(dòng)的金屬秒流量修正方程的基礎(chǔ)上，運(yùn)用SLAB計(jì)算法得到軋制壓應(yīng)力沿接觸弧長(zhǎng)分布規(guī)律的解析解，經(jīng)積分運(yùn)算和TAYLOR展開(kāi)得到軋制力的增量形式模型；再根據(jù)由結(jié)構(gòu)模型與過(guò)程模型通過(guò)動(dòng)態(tài)軋制力與動(dòng)態(tài)輥縫相耦合建立的自激振動(dòng)機(jī)理模型，通過(guò)LAPLACE變換得到頻域特征方程；進(jìn)而運(yùn)用ROUTH穩(wěn)定性判據(jù)，根據(jù)軋制速度與軋機(jī)自激振動(dòng)誘發(fā)條件之間的關(guān)系建立的臨界軋制速度模型；最后采用預(yù)測(cè)與抑制自激振動(dòng)的工藝措施，基于臨界軋制速度實(shí)施，通過(guò)不同工藝條件下軋制速度的穩(wěn)定性裕量及前滑值的異常變化實(shí)現(xiàn)對(duì)自激振動(dòng)的評(píng)估預(yù)測(cè)，并進(jìn)而提出相應(yīng)的工藝調(diào)整和優(yōu)化措施，以通過(guò)提高臨界軋制速度實(shí)現(xiàn)對(duì)自激振動(dòng)的有效抑制；

具體原理如下：

(1)軋機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型：高速薄板冷軋裝備為四輥或六輥軋機(jī)，建立包括牌坊和輥系的垂直子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型：

其中M，C，K表示由結(jié)構(gòu)參數(shù)等效的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；X表示各質(zhì)量單元的加速度、速度及位移列向量；P表示載荷列向量，若不考慮各單元可能受到的外部激勵(lì)干擾，則載荷列向量中的非零元素即為工作輥與軋件之間的軋制力，即：

P＝P_s+P_var

其中P_s表示軋制過(guò)程中設(shè)定的穩(wěn)態(tài)軋制力，P_var表示軋制過(guò)程中由于各種參數(shù)波動(dòng)所引起的軋制力波動(dòng)量，若各質(zhì)量單元的位移量為X＝X_s+Y，其中X_s,Y分別表示穩(wěn)態(tài)位移量和動(dòng)態(tài)波動(dòng)量，則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型分成穩(wěn)態(tài)部分的靜力學(xué)方程和振動(dòng)部分的動(dòng)力學(xué)方程，即：

前者用于靜態(tài)特性的分析，后者用于動(dòng)態(tài)特性的分析；

(2)動(dòng)態(tài)軋制過(guò)程模型：確定軋制壓應(yīng)力的方法歸納起來(lái)有三種，即實(shí)測(cè)法、經(jīng)驗(yàn)公式法和理論計(jì)算法，動(dòng)態(tài)軋制過(guò)程模型的思路如下所述：

第1步：通過(guò)塑性變形條件建立張力、變形抗力及軋制壓應(yīng)力的關(guān)系式；

第2步：綜合考慮輥縫的動(dòng)態(tài)波動(dòng)量及其波動(dòng)速率，基于金屬秒流量方程求得出入口速度的表達(dá)式；

第3步：將塑性變形條件代入受力平衡方程得到軋制壓應(yīng)力分布表達(dá)式，并將其沿著接觸弧進(jìn)行積分，可以到軋制力的表達(dá)式；

第4步：運(yùn)用泰勒展開(kāi)可得軋制力的增量形式波動(dòng)量模型：

其中h_cvar，h_evar，v_rvar分別表示輥縫波動(dòng)速率、輥縫波動(dòng)量、入口厚度波動(dòng)量以及軋輥速度波動(dòng)量；分別表示后張力波動(dòng)量和前張力波動(dòng)量，其中α_i(i＝1～6)表示上述各參數(shù)波動(dòng)因子對(duì)動(dòng)態(tài)軋制力的影響系數(shù)；

(3)“結(jié)構(gòu)-工藝”耦合的自激振動(dòng)機(jī)理模型：

設(shè)軋件的出口厚度波動(dòng)量模型為：

h_var＝S_var+Y_h

其中S_var表示由軋輥偏心、油膜厚度波動(dòng)及零點(diǎn)漂移等引起的輥縫波動(dòng)量；Y_h＝Y(jié)_uw-Y_bw表示由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)所引起的上下工作輥彈跳位移差；

將軋制力的增量模型與結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)力學(xué)方程相耦合得到自激振動(dòng)機(jī)理模型：

其對(duì)應(yīng)的頻域模型以及特征方程分別為：

A_z·Z(s)＝0；|A_z|＝∑γ_isⁱ＝0

運(yùn)用Routh穩(wěn)定性判據(jù)即能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析及失穩(wěn)條件的判定；

(4)臨界軋制速度計(jì)算模型：系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是特征方程的全部根具有負(fù)實(shí)部；

Routh穩(wěn)定判據(jù)：排列特征方程的系數(shù)并計(jì)算獲得Routh陣列，若Routh陣列的第一列系數(shù)不改變符號(hào)，將不會(huì)出現(xiàn)具有正實(shí)部的特征根，系統(tǒng)穩(wěn)定，否則系統(tǒng)將不穩(wěn)定；

取軋輥線速度v_r及任意工藝參數(shù)ξ為待定量，基于“結(jié)構(gòu)-工藝”耦合自激振動(dòng)模型的特征方程，代入各結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù)得到系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件為：

r_i,1(v_r,ξ)＞0(i＝1,2,…,23)

即得臨界軋制速度關(guān)于相關(guān)工藝參數(shù)ξ的計(jì)算模型；

(5)預(yù)測(cè)與抑制自激振動(dòng)的工藝措施：

i.降低軋制速度：任何時(shí)候，只要小于其臨界值則不會(huì)振動(dòng)，也即使用保守的較低速度軋制總是安全的，并且若一旦發(fā)生了自激振動(dòng)只要馬上降低軋制速度使之低于其臨界值，則軋機(jī)馬上會(huì)穩(wěn)定下來(lái)，不再振動(dòng)；

ii.采取間斷升速措施：無(wú)外激擾動(dòng)時(shí)，當(dāng)軋制速度達(dá)到臨界速度甚至高于臨界速度時(shí)，采取時(shí)間斷升速的措施能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)發(fā)散性振動(dòng)的有效抑制；有外激擾動(dòng)時(shí)，一定程度上能夠減緩振動(dòng)，對(duì)振動(dòng)幅值和發(fā)散速度有所抑制，為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供反應(yīng)時(shí)間和操作空間，但不會(huì)改變危險(xiǎn)的發(fā)散振動(dòng)性質(zhì)，必須通過(guò)降速或其它措施抑制振動(dòng)；

iii.調(diào)整壓下負(fù)荷分配：作為一個(gè)非常靈活的可調(diào)工藝手段，過(guò)去只是服務(wù)于軋機(jī)強(qiáng)度冗余度、主電機(jī)負(fù)荷冗余度、基本凸度比滿足板形良好條件；基于自激振動(dòng)機(jī)理模型及臨界軋制速度計(jì)算模型，壓下負(fù)荷分配成為一個(gè)新的重要的軋機(jī)自激振動(dòng)的防范和抑制技術(shù)手段；

iv.改善軋制區(qū)潤(rùn)滑摩擦：軋制區(qū)摩擦與軋制乳化液和軋輥表面粗糙度都相關(guān)，而且兩者都可以較靈活地調(diào)整變化，因此摩擦也可以作為一個(gè)離線的軋機(jī)自激振動(dòng)的防范手段，對(duì)于非常易于發(fā)生自激振動(dòng)的規(guī)格，在其他手段都已用足的時(shí)候，通過(guò)調(diào)整軋制油和軋輥粗糙度來(lái)抑制軋機(jī)自激振動(dòng)發(fā)生；

v.調(diào)整前后張力：通過(guò)前后張力的適度調(diào)整也使得臨界軋制速度提高而使發(fā)散性的失穩(wěn)振動(dòng)得到抑制，但是需要注意的是張力對(duì)臨界軋制速度的影響不是很大，需要較大幅度的調(diào)整張力才能實(shí)現(xiàn)抑制目標(biāo)，而張力的調(diào)整幅度要求一般都不是很大，因此通過(guò)張力調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)抑制有其局限性；

vi.前滑值：通過(guò)討論壓下負(fù)荷分配、摩擦系數(shù)及前后張力對(duì)臨界軋制速度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著出口厚度減小、入口厚度增大、摩擦系數(shù)增大、后張力減小、前張力增大，臨界軋制速度相應(yīng)減小，而均伴隨著前滑值的增大；也即，前滑值作為一個(gè)次生的工藝狀態(tài)量，無(wú)法直接給定或者調(diào)整，但是軋機(jī)自激振動(dòng)的發(fā)生總是與前滑值的異常增大如影隨形，這在理論上提供了一個(gè)用于觀察、預(yù)報(bào)、防范軋機(jī)自激振動(dòng)的工藝指標(biāo)。