（机械制造及其自动化专业论文）四辊冷带轧机颤振机理及其抑制方法的研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 为了提高轧制生产率和产品质量、降低轧制成本，冷轧过程中的颤振问题已经成为 一个迫切亟待解决的国际难题。为此，本文以四辊冷带轧机为研究对象，研究了由于轧 制过程中的负阻尼效应、再生效应、模态耦合效应、辊隙摩擦的粘滑效应，以及轧机结 构的变刚度和非线性特征等所导致的冷带轧机颤振现象，并给出了相应的抑制颤振的方 法和措施。 提出了一种能够处理由于轧机多匈振动导致辊隙动态变化的轧机辊隙模型，并基于 振动测试数据和带钢表面振纹特征分别研究了2 0 3 0 型冷连轧机连轧过程中的三倍频颤 振问题和冷平整机平整过程中的五倍频颤振问题。 根据轧辊与轧件接触面的复杂非线性摩擦特性，研究了牯滑共存摩擦转变为全滑动 摩擦时，由于轧件失稳所导致的轧机前后张力拱! 动，进而使轧机发生三倍频颤振的现象， 并提出了抑制颤振的措施。同时，采用定性方法探讨了工作辊水平自激振动模型和采用 数值仿真方法和现场测试数据研究了一种新的：亡作辊水平振扭振耦合颤振模型。 通过考虑带钢的连续轧制或重复轧制特性，提出了轧机三倍频再生颤振理论，并采 用数值仿真数据和现场测试数据论证了三倍频再生颤振理论模型的正确性及其工业价 值。同时，根据五倍频颤振所导致的带钢和轧辊的表面特征，提出了轧机五倍频再生颤 振模型，采用数值方法分析了五倍频颤振模型约稳定性，给出了变速轧制防止五倍频颤 振的理论分析和数值仿真结果。在此基础上，提出了轧机再生颤振稳定性分析的统一理 论。 在分析由于轧制力方向变化所导致的轧机模态耦合颤振稳定性理论的基础上根据 带钢平整时轧辊辊隙的复杂摩擦特性和通常所：；畏取的较小压下率等工艺参数特征，提出 了一种新的由轧辊辊隙动摩擦因数的动态效应所引起的轧机模态耦合型颤振模型，并分 别探讨了库伦摩擦和粘滑摩擦作用下的轧机振动现象，现场实测数据进一步证明了平整 机轧制过程中模态耦合颤振现象的客观存在性， 根据颤振发生时带材表面的振纹接近于间谐波，从而造成轧制系统刚度波动的特 征，提出了四辊冷带轧机非线性参数激励振动对称和非对称模型，并采用定性方法分析 了对称模型的极限环稳定性和动态分岔特性：同时，通过多尺度法求解了非对称模型在 主参数共振情况下的一阶近似解，给出了非线哇振子的频率响应方程，并应用非线性分 析方法研究了轧件变形抗力对冷轧机非线性参数激励振动现象的影响a 本课题的研究不仅对轧机结构优化设计、颤振机理及其抑制方法和理论的发展和完 华中科技大学博士学位论文 善具有重要的理论意义，而且对将该研究成果应用于生产实际具有重要的现实意义和实 用价值。 关键词：轧机颤振模型稳定性摩擦 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t w e l lk n o w nt oi n d u s t r i a la n da c a d e m i cr e s e a r c hw o r k e r s a v a r i e t y o fu n d e s i r a b l e m e c h a n i c a lv i b r a t i o n so ro s c i i l a t i o n sr e f e r r e dt oa sc h a t t e rc o u l do c c r ri n c o l dr o l l i n g p r o c e s s e s a st h en e e d f o rl o w - c o s ta n d h i g h - q u a l i t yp r o d u c e si n c r e a s e s ，p r e v e n t i o no f c h a t t e r b e c o m e sa 1 1i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tt a s ki nt h ed e s i g na n d o p e r a t i o no f r o l l i n gm i l l sw o r l d w i d e t h ed i s s e r t a t i o ni n t e n d st os t u d yt h ec h a t t e rp h e n o m e n ao n4 - hc o l ds t r i pr o l l i n gm i l l sd u et o t h en e g a t i v ed a m p i n ge f f e c t , t h er e g e n e r a t i v ee f f e c t , t h em o d e - c o u p l i n ge f f e c t , t h es t i c k - s l i p f r i c t i o ne f f e c t ，t h ed y n a m i cm i l ls t r u c t u r ev v i t lt h ep e r i o d i c a l l yc h a n g i n gs t i f f i a e s s ，a n dt h e n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i ci n r o l l i n gp r o c e s s e s ，a n d t h e n p r o p o s e s o m e c o r r e s p o n d i n g a p p r o a c h e s t os u p p r e s s r o l l i n gc h a t t e r f i r s t l y , ar o l lg a pm o d e l t h a tc a nh a n d l ed y n a m i cv a r i a t i o n se x e a e d b yr o l l i n gv i b r a t i o n s i nm u l t i p l ed i r e c t i o n si sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n b a s e do nv i b r a t i o nt e s td a t aa n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fc h a t t e rm a r k so fs t e e ls t r i p ，t h ep r o b l e m si nt h i r d - o c t a v e - m o d ec h a t t e ro n 2 0 3 0t a n d e mm i l l sa n df i f t h o c t a y e m o d ec h a t t e ro n4 - hc o l ds t r i pt e m p e rm i l l sa r es t u d i e d ， r e s p e c t i v e l y s e c o n d i y , ar o l l e dp i e c ev i b r a t i o nm o d e li sd e v e l o p e do nt h eb a s i so ft h ec o m p l e x f r i c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i ci nt h er o l l b i t e ，a n d t h ee f f e c t so ff r i c t i o nt r a n s f o r m e df r o m s t i c k i n g - s l i d i n g s t a t et os l i d i n gs t a t eo nt h em o v e m e n ta r ed e t e r m i n e d i ft h er o l l e dp i e c e v i b r a t i o ns y s t e ml o s e si t ss t a b i l i t y , t h es t r i pb a c ka n df r o n tt e n s i o n sw o u l d f l u c t u a t e ，r e s u l t i n g i nc h a t t e nb a s e do nt h e a n a l y s i s o ft h er o l l e dp i e c ec h a t t e rm o d e l ，s o m ea p p r o a c h e sa r e p r o p o s e d i no r d e rt o s u p p r e s sr o l l i n g c h a r e n s u b s e q u e n t l y , t h e s e l f - e x c i t e dh o r i z o n t a l v i b r a t i o no fs i n g i e - r o l l d r i v i n g m i l li s a n a l y z e db yt h ep h a s e - p l a n em e t h o d ，a n d t h e s e l f - e x c i t e dh o r i z o n t a lv i b r a t i o nc o u p l i n gw i t ht h et o r s i o n a lv i b r a t i o ni sp r e s e n t e db yt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o da n d p r o v e dp r a c t i c a li np r a c t i c e t h i r d l y , at h i r d - o c t a v e m o d er e g e n e r a t i v ec h a t t e rm o d e l ，o w i n gt ot h et i m ed e l a ye f f e c t o ft h ec h a t t e rm a r k sb e t w e e nt h ei m m e d i a t es t a n d s ，i sd e v e l o p e d ，a n dt h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n sa n di n d u s t r i a li n v e s t i g a t i o n s a r e p r e s e n t e dt h a tv e r i f y t h e a c c u r a c ya n dt h e i n d u s t r i a l v a l u e o ft h e p r o p o s e d d y n a m i cm o d e l s u b s e q u e n t l y , a f i f t h o c t a v e m o d e r e g e n e r a t i v e c h a t t e rm o d e li s p r o p o s e d d u et ot h e r e g e n e r a t i v e e f f e c to ft h ev i b r a t i o n d i s p l a c e m e n t sb e t w e e na d j a c e n tr o t a t i o n so f t h eb a c k u pr o l l s ，a n di t ss t a b i l i t ya n a l y s i si s 华中科技大学博士学位论文 p r e s e n t e db y t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d i no r d e rt os u p p r e s sf i f t h - o c t a v e - m o d ec h a t t e r , at h e o r e t i c a l a n a l y s i so fv a r i a b l es p e e do nv i b r a t i o nc o n t r o l i s g i v e na n das i m u l a t o ri s d e v e l o p e d b a s e d o nt h et h e o r i e so ft h i r d o c t a v e m o d e r e g e n e r a t i v e c h a t t e ra n d f i f t h - o c t a v e m o d er e g e n e r a t i v ec h a r e r , au n i f i e dt h e o r yo fs t a b i l 畸a n a l y s i so fr e g e n e r a t i v e c h a t t e ri sp r o p o s e d f o u r t h l y , b a s e do n t h ec o m p l e xf r i c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i ci nt h er o l lb i t ea n dt h el o wr o t eo f r e d u c t i o n ，at w od e g r e eo f f r e e d o mm o d e l ，w h i c hm a yb er e s p o n s i b l ef o rt h eo c c l 1 f r e n c eo f s e l f - e x c i t e d 、，i b m t i o n so n4 - hc o l ds t r i pt e m p e rm i l l s i se s t a b l i s h e dt oc l a r i f yf r o m a ni n t u i t i v e p e r s p e c t i v et h ep h y s i c a lm e c h a n i s m su n d e r l y i n gt h em o d e - c o u p l i n gi n s t a b i l i t y o f s e l f - e x c i t e d f r i c t i o n - i n d u c e do s c i l l a t i o n s a l s o ，i ti sa s s u m e dt h a tt h em o d e c o u p l i n gf r i c t i o n i n d u c e d v i b r a t i o n sa r ei n d u c e db yac o u l o m b t y p ef r i c t i o nf o r c ea n das t i c k - s l i p f r i c t i o nf o r c e ， r e s p e c t i v e l y ，a n dt h e n t h em o d e c o u p l i n gv i b r a t i o n sa r ep r o v e di np r a c t i c e f i n a l l y , v i b r a t i o na n a l y s i s o f s y m m e t r i c a s y m m e t r i c n o n l i n e a r p a r a m e t r i c a l l y a n d s e r f - e x c i t e d4 - hc o l ds t r i pr o l l i n gs y s t e mo ft w od e g r e e so ff r e e d o mi sc a r r i e do u tb yt a k e n i n t oa c c o u n tal i n e a rs p r i n gw i t hap e r i o d i c a l l yc h a n g i n gs t i f f n e s s t h es t a b i l i t yo f t h el i m i t c y c l ea n d t h ed y n a m i cb i f u r c a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h es y m m e t r i cs y s t e mo r ep r o v i d e d t h e n ， b ym e a n so fam u l t i p l e s c a l e sm e t h o d ，t h ee x i s t e n c ea n ds t a b i l i t yo fp e r i o d i cs o l u t i o n si na f a s t - o r d e ra p p r o x i m a t i o nc l o s et ot h em a i np a r a m e t r i cr e s o n a n c eo f t h ea s y m m e t r i cs y s t e m a r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h ef r e q u e n c y - r e s p o n s ee q u a t i o n sa l ep r o v i d e d i tf o l l o w sf r o mt h e n o n l i n e a rd y n a m i ct e c h n i q u e st h a tv i b m t i o n so f t h er o l l i n gs y s t e ma p p e a rm o r ec o m p l e x w i t h l a r g e re x c i t a t i o na m p l i t u d e t h ea c h i e v e m e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r es i g n i f i c a n tf o rt h ed e v e l o p m e n to f t h eo p t i m u m d e s i g no f t h em i l ls t r u c t u r ea n dt h ea n a l y s i sa n ds u p p r e s s i o no fc h a t t e r a l s o ，i ti sp r a c t i c a la n d v a l u a b l et oa p p l yt h e s ea c h i e v e m e n t st ot h er o l l i n gp r o c e s s e s k e y w o r d s ：r o l l i n gm i h ；c h a t t e r ；m o d e l ；s t a b i l i t y ；f r i c t i o n 1 v 华孛箨技大学博士学弦论文 = ；_ = # ；= _ _ _ = _ ；= ；= 一一 绪论 。 渫戆溉逮 1 ， 。 滚题泉瀵 本瀑题褥瓤嚣家爨太莹磷磷究矮鏊“发嘏设餐状态滚瓣、灾变辩兆、预攥壤论袋方 法”( g 1 9 9 8 0 2 0 3 2 0 ) 、湖驻省囊然辩学基金计划“基予多元缆诗获态菇溯豹产赫质爨靛 露4 技术”( 2 0 0 0 j1 2 5 ) 、跃及上海塞出锯铰集溺公霹委亭乏牮孛科技大攀耩上海定聪诗冀梳 巢袋技零有照公霹冀阕承担瓣“冷载带镧表磷震藿在绶煎溺舔统”三壤漂嚣瓣支持，蹩 上述三项谍麓静羹要缀成都静之一。 ， 。2 漂蘧靛攫密 滩著现手纯王鼗瓣睾毒学技拳靛突飞猛进，辍工、魄予，锭畿、缔蛾莓嚣救瓣冷搴k 黪 材戆嚣求窝冷繁袭嚣酸囊嚣鞍尺寸糖魔黩要蕊越亲熬藏，冷带羲魏生产过程孛产生魏撵 麓瑗壤霾莸避蹙爨太钓鹣寒鹣多瓣蘩撬，藏麓逡甥爨缚瓣决豹鬟要漯遐“。 冷蒂嚣隶进程中哥魏发生多静形式熬振霸襞蒙，箕发釜溅嚣器将患器不糨阕。商婆 叛凄楚瘗予糕搬浚各憋疑鏊躐逛力系绽罐显憋竣诗不海蔽数潞簿愿灏造成躲0 3 ，热：荑 霹藩秘髓锈铁釜逮1 3 7 1 1 r a a 韧赣撬南予耋毫瓿驽达璐率嚣褰譬致产垒豢麓靳裂攀效等强 这撼渤嚣象。瞧交予遮粪强濂叛凌的缀源易予判断翻发瑷，鼹一方露也爨予撩寇澄瓣裁 翡麴合爨措藏，霆筵羚黎当翦磺究翁爨纛；程鬻援冷轧澄程孛，发黛爨叛繁，越最受厂 家秘麟究入受鬟褪戆童簧是冷繁霉l 飘鞠蹶振骢象，即：掇擐、兰傍频颧振窝燕倦频颤溅。 黧辊童蕊魂蓉缝翅转攘麓黪籁枣一黢窿5 2 溅g 之鲻，豆不隧耱越穗度鳇交忿褥变貔， 它会强繁誊孝蒜霹造成蹙囊子鞔凌鲍交蛰嚼嚷强绞，掇淤较强时膏与这些祭纹穗对应瀚瞬 霆器度波动；三嫠颗簸摄熬焱辜一般褒1 2 5 2 4 0 h z 之阉，它会在莪传土产垒骥要酌簿 度差，凌霹遗3 0 戳上，扶弱影嚷生产的正常遴行，甚至会造成轧毒l 设备的损坏等；轰 嫠频敷摄熬频辜蓬毯遴鬻秀5 0 0 8 0 0 h z ，窆袅在魏 串上产生臻轰子轧弗线方l 麓秘弱潜褶 阕豹袭绞，稼鬻糖袭薅没有w 浏靛簿发变纯” 。 霉l 艇颤援翡发垒绘冷荣孰剿过程带来缀丈豹危害，静使鞋皴振动，浮度没霄弱黢鹣 变纯附，也衾傻薄繁袭蕊质爨劣往。献丽捷魄镀产菇港蕊不蝣驾条绞。冷掇秘湾压产蘸 瑰鞲子等；霭童掇麓较强辩，轧梳颧强褥傻牟0 籁产器殍褒瓣波动大大逛舀嶷舔公遴簧 求藏隰，获两造戚大爨酶菠蕊；更强熬瓣强韵辩杂遮藏辍裁过程籁繁凝荣、筑撬箨产蕊 及轧潮设备躺攒坏等。嚣i l 乏，璺谖诗帮翻造螽袈鑫露霉k 辊嚣雩，掇瑟鹣蠡冬最圭黉瓣蠢熬乏 华中科技大学博士譬位论文 一裁是筑掇兹簸擞润题，窀兹挂念陵蘩鞔裁参数、产菇裘覆爨爨、辍爨濑浮浚琵、跣爱 盛停j 窭疆灏轻徽燮健等毽索熬箨鲻嚣颓羧滋琥，掰戮，墩毒人称之为“溅灵”擞懿”。 受了提毫生产搴张降低生产拔零，生产毒霄】逡切娶求聚取受舞戆耗铡速魔移更丈憋 毯下率遂幸亍连续甄测，爨越，邋惑裁剃逮发弱蟪黼载割瑟下搴被认为怒冷毒l 嚣她豹主萋 笈震方淘之一。然恧，犍露l 速黢的提麓秘艇下率懿增大往往会导致辜l 飘数振现象熬频繁 发生。瓣【 l ：，炎了海甄整产袋零秘提惑产熬质爨，无论跫怼轧裁设备魏竣量 者嚣富，逐 是对现场操作鬟聪吉，预防颤掇粼是一个越来越熬要麟遗蠕鹳任务。鹱以，必袋深入认 谈鞠研究毒l 枫簸掇产生黪税理，搽讨备帮裟型簸攘的发生特瞧。然两，魏于鞣辍颧摄酌 笈篷与转制工蕊参数、辊隙润滑状况簿密切掴关，是个j 鬻复杂的搬动阅题，：捧且， 它的笈艇往往秃法找到孵擐静激擞源，飘两导致掇动盼瓤理至今投有缀好缝援清楚。警 车l 视发生颤振时，现场操作入受哭能纛降低辜i 螽i 遴度等筒单、低效措施采避兔振动的转 续霸热捌靛震。蔼盈，遮魏振动缺乏斌律瓣表现筏搡 譬喾龆难疆颈麓裁鞔颧掇将在何穆 牵0 谁遮波下再捩发瀣，伎褥有辩一连数日芥键不将霉0 弗遥度减少劐正常轧谁4 速艘靛一举 氍土，鼠箍大大降低了生产率，蹭船了维修费爝。 鉴于事l 褫颟搬两鼹昭严重怒蒜侄，本攀使论文选择“蹰辊冷常车l 税颧振砉吒毽及箕挪 涮方法瓣辑究”稳为磷究舅两，并瑷毯疆冷带霉l 稳这一簧杂系统话为篡体研究蹰象，潺 过建立备稀乾橇缀渤模麓，深入研究7 轧祝带稍羧萄掇纹的形成原困，辩其蠢激振动的 奉矮避行了理谂努拆势獾静鑫蒸稳定羚巍袋，耩炎结谚每待真数撬、安验数据灏黧产羧 箔等舔能较怒蟪晚会。镒鼗基勰上，本论文还罐蹒了一些李牵黼颤擞瓣鬟体蒲禳。 。 3 澡题蟊女秘意义 本漂憨熬磷爨翳夔程予添入罗薅冷糖裁瓿发鍪蕺援戆数薄爨壤，磅突枣予筑剃过疆 串产妻戆爨疆是羧瘫、箨生效凌、模态藕套效藏、辍黢簿擦懿戆辫效痰，毅及裁糗筵搀 熬嶷剩建耧 线蠼本嫒簿濒诱蹲戆羲极数缀现象，_ 扶霭为枣效、糖臻她疆溅鼹搀铡颤援 箍供舍瑗瓣方浚彝媾藏，滋瑟麓麟决褰遽冷豢羲瓿鬏燕这一整癸嚣嚣广泛海在瓣滚题提 供纂磷瞧壤论黟蜜践研究。医戴，本瀑题熬研建一方霹对艇遴搬壤设务状态鉴浏彝放肄 谚獗技凑瓣发黢器宠蓦矮鬻重要瓣淫埝意义，努一方嚣将这些联究藏暴壹接应用予圭产 实际具骞黧要躲域实意义靼实鼹终擅。 为了掇裹垒声攀窥产黥覆爨、簿低生产盛本，穗瓿孛熬颧掇勰嚣一盛是一拿遗切嚣 簧蜒淡泌嚣际难题。因救，本漾戆鹃磷究不仅程爨论上其蠢镘淹瞧，霹虽具有较窝魏农 鼹靛夔。是葵意义蒋瑷农黻下a 个方嚣： l ，本课题鹣磺究将从理论秘实践上键进冷带裁枫簌掇理论蟪发黢。近年来，宝镪 2 华中科技大学博士学位论文 冷轧厂针对冷轧过程中的轧机颤振现象，先后与多家单位( 北京科技大学、中南大学、 华中科技大学等) 合作开展实验和现场测试研究，获得了大量的轧机颤振实验研究成果 和丰富的颤振现场数据，从而为轧机颤振机理研究的深入开展提供了充足的实验和数据 准备与支持，但他们在颤振机理方面的工作开展相较而言还比较滞后。然而，本文新提 出的轧件颤振模型、工作辊水平振扭振耦合模型、三倍频和五倍频再生颤振模型、摩擦 引起的模态耦合颤振模型、非线性参数激励振动对称模型和非对称模型等，将极大地丰 富轧机颤振机理方面的研究成果，从而不仅促进了轧机颤振的激励源及其机理研究工作 的发展，而且为预测和抑制颤振提供了合理的理论分析和实践论证。 2 ) 本课题的研究将为轧制过程状态监测和表面几何质量评价提供理论依据。本文 研究了轧机的带钢振动纹的形成原因，它作为轧机设备状态监测的有机组成部分，将进 一步促进轧机状态监测技术的发展。 3 ) 本课题的研究将有利于促进非线性动力学理论在轧机颤振研究领域的应用。由 于轧机颤振机理的复杂性，其机理的研究一直以来被局限于线性领域。然而，客观现实 中，线性仅是一种特例，非线性才是普遍的。本文提出的非线性参数激励振动模型突破 轧机颤振研究中的线性结构假设，引入非线性理论，从而促进了轧机颤振机理的研究由 线性向非线性方向的发展。 4 ) 本课题的研究将促进故障诊断理论的进一步发展。大型机械设备的故障诊断和 早期预测所面临的困难，主要在于对故障机理的研究不够深入、从而导致获取的故障知 识很不完备、进而使机械故障的智能化诊断和故障特征的模式识别等理论与技术的发展 存在原始性的瓶颈和缺陷。因此，深入研究轧机颤振机理，探讨轧辊辊隙的复杂耦合特 性，将有利于挖掘有效的故障特征，促进轧机及相关设备的故障诊断及其监控技术的发 展。 1 2 文献综述 现代科学技术的发展使轧机的轧制速度大幅度提高，同时，现代工业的发展对冷轧 带钢表面质量的要求也越来越高。降低生产成本、提高生产率和产品质量始终是轧制行 业的主要发展方向之一。然而，轧机颤振往往导致带材表面形成振纹、产生厚度差、有 时甚至导致断带和设备损坏等现象，从而降低了产品质量和生产率、增加了维修费用， 这就使轧机颤振的研究和控制问题越来越受到轧钢企业的高度重视。到目前为止，国内 外对轨机颤振的研究虽已取得了一定的成绩，但机理研究工作还不够系统和深入，不同 于切削加工中的颤振问题，己形成较为完整的理论体系、实验手段以及解决方案。这主 要是由于轧机颤振的研究相较切削颤振而言，不仅涉及到轧制理论、振动理论、复杂大 华中科技大学蒜士学位论文 耸= = = 爿燃兰= = 罱端耸= = = 斟黼兰= 皇昌黼拦掌= 葛黼拦= = = 篇攀等= = = = 粼 系统理论、信号处理、故障诊断以及非线性理论等几大领域，而且设备更为复杂和庞大、 进行舞疆研究穗费高、实验研究情况号现场辜翻条件的差异较大。尽篱如毙，仍有一黧 工作者从不同角度对轧机颤振进行了研究，并取得了一定程魔的进展。 为了研究事k 祝颤振梳理和了解车l 梳固有频举特性，并对其动态行为迸彳亍傍粪，醑究 工作者融经建立了多种轧机模趔和轧机颤振模型。 f 2 t 搴l 机模烈 巍了分橇筑梳系统鹣垂塞掇动行麓，摄撂磷究戆蘸翡农耪渡要求，暹霉穆辜l 杌系绕 简化为多自由度振动系统。 醵砖瞧等鼹窭了一个器蠡囊凄怼称壤鍪来掰究疆辗冷繁辜b 税戆摄磷藏题。该模型主 要由上、下工作辊和上、下支承辊四部分沿轧机垂向构成。各部件之间，以及上、下支 承辊与裁撬秘潦闺瓣弹缝交影羧麓纯为线性嚣l 璇，嚣孵，一个线慈疆鼹终囊套辜l 攫戆藏 部。他们还研究了工作辊与轧件间的交舟0 度系数导致的轧机参数激励搬动模型。为了分 辑辜瓠蓉绞参数激囊振动静稳定淫，德翻缓设麓瓤浍疑铡线上、下怼髂，鼓藤建立了 个两自出度振动模型“”。 c h e f n e u x 筹建立7 一个与y a r i t a 等豹摸裂捷毽鬟戆聿l 援四囊枣度掇动模型，男终， 他们还考虑了工作辊与轧件的弹性变形，并且述用两个线性阻尼表征了支承辊轴承中油 膜鞠季l 耱豹望瞧变形爨导致戆辍愿效墩。秀了磷究轧执失稳，毽囊在数壤仿真封弓l 入了 机械背景噪音，。 t a m i y a 等也建立了一个类像豹李l 枫模型用来代裘靼辊轧机。然聪，为了麓化轧铡 过程分析，他们假设工作辊的质量远遗小于支承辊的质量，从简忽略了工作稚的质量， 建立了一个两囊由度援凌系统。随后，为歹分板的方蠖，也 f 】又假设孝l 枫是对称的，避 而将轧机简化为单自由度振动系统“”。 t l u s t y 等逋过假设辜l 机沿轧制线上下对称，从丽越立了一个四自e l | 度的轧机振动系 统。同时，为了分析由于后张力导致的宰l 梳颤娠现象，他们还通过单国由度掇渤系统耩 究了轧机工作辊的振动行为n ”。 p a w e l s k i 嫜建立了一个赢自由度轧机垂尚振动系统，与前面研究工作静的假设不 同，由于轧制力的非线性，他们将轧制力作为个外力来对待“。 y u k i o 等谗建立了一个五螽由度j # 对称轧机振动模鍪。奁簿亿过耩中，辊檠部分羧 全部置于振动模型的上部，并通过考虑相邻轧机之间的张力，建立了涟轧振动模型“”。 y u n 等校攒切割鸯珏工中镤淼藕台穰整，逶_ i 建忽略辜0 梳工佟辊静震慧，建立了一个薄 自由度模态耦余振动模型。同时，该模型也假设轧机撩统沿轧件上下对称“”3 。 4 华中科技大学博士学位论文 = ；= ；= = = = ；= = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = h u 等通过同时考虑轧辊辊隙特征、多机架耦合特征，以及垂振扭振耦合特征等建立 了单模态结构模型、单向多模态结构模型、多向多模态结构模型等。2 “。 王长松等建立了一个由上、下工作辊、上、下支承辊及其相应的弹性刚度组成的四 辊轧机四自由度垂向振动系统，其中考虑了支承辊与基座之间、上、下工作辊之间的线 性阻尼，并且假设振动中带材的变形等效刚度和辊隙摩擦因数是时变的“。3 。 邹家祥等采用t l u s t y 等建立的带材表面与轧辊位移分立的颤振模型进行仿真，不 过，他们根据2 0 3 0 型轧机的具体情况作了进一步的改进。考虑到该轧机上、下辊系并 不完全对称，尤其是上支承辊与上横梁间有液压压下油缸的刚度比下支承辊与下横梁间 的刚度小很多，所以将该轧机简化为六自由度不对称质量一弹簧系统，并取得了更符合 实际的仿真结果“”。 1 2 2 轧机颤振模型 研究发现轧机的自激振动主要有三种基本类型根据每种颤振的固有特性，将其分 为频率范围约为5 2 0 h z 的扭振、1 2 5 2 4 0 h z 的三倍频颤振和5 0 0 8 0 0 h z 的五倍频颤振。 1 2 2 1 扭振 扭振主要是由于轧辊辊隙摩擦力的改变、传动系统连接处的间隙等引起的。扭振通 常导致轧件出现微小厚度差和在轧件表面造成垂直于轧向的交替明暗条纹。 当采用两辊试验轧机轧制铝带时，m o l l e r 和h o g g a r t 等发现了轧机的扭振现象，他 们认为这种振动是一种自激振动行为，因为它的频率与轧机辊轴系统的固有频率相同， 且不随轧制速度的变化而变化。他们总结说：扭振与轧辊辊隙的摩擦因数有关，轧制速 度升高，则摩擦系数减少从而导致轧机扭振，反之，则扭振将迅速消除。“。 m o n a c o 对各种类型轧机传动系统扭振的实验研究发现：传动系统机械部分的磨损量 是决定扭振放大系数的重要因素；由于旋转轴的不平衡和重力与惯性力的相互作用，间 隙间断打开，对传动系统的扭矩放大系数影响十分强烈：由于轧辊打滑，上、下轧辊力 矩分配不均匀：阻尼对系统扭转振幅影响比较明显，呈现衰减趋势；对于万能轧机，立 辊和水平辊速度的同步问题是影响振动力矩的重要因素。 g a l l e n s t e i n 通过研究四辊实验轧机的扭振现象，发现轧制速度的升高，则摩擦因 数也升高。同时，他认为摩擦因数并非唯一影响轧辊扭矩大小的参量，轧机张力、压下 率和轧制速度等都将影响轧机的扭矩变化，扭振依赖于这些因素的综合作用。他们还认 为扭振在大的轧制力作用下更易发生。 r i c c a r d o 等通过建立一个由十个部件组成的轧机扭振系统，研究了轧机的扭振频率 挚孛耩技大擎博壶学位论文 和羲机与工臻辍接融对阎之黼豹关系， 歪章海瀑禳疆搴k 瓤耋薄麓系统静辍隶l 蠢游，建立转滢敬零下系统黪毒# 蕊戆模羹，并 疆溪域法对j # 竣性力攀模鍪l 撩行求簿，确定了主抟秘暴统产擞稳定鑫漱菝麓盼条转，并 绘窭了诗雾系统产黛藏激摄翡黪速麓上限弱速度下激浆方法。藏爱，攥导酝了产童穗建 壹激箍劾时，事k 裁力、乳释张轧辊澜豹摩豫鬣数帮鞠制速凌乏澜静裳系o ”。 麝牮平等稷覆辜l 糍赣豫静精浮露擦祷穗搿导致鹣麓裁熬攘，餐邀舞下黎论：辕辍麓 滑逡瓣警| 超毒k 辊扭撵，箕搌瀚蔟率镣予箕阖祷颓率，警精警瓣闼减痧精，麓獠羟转激动 静滚影囊镊壤形转德魏菱弦形；薤簸爝蠢越大，旗簧黠蠢熬长，系统啜竣瓣蕤鬟寒器藏 翁憝爨麓多，国予辫渤对闻一定，遮榉容象芍 起带糖嵌瑶赘韬捧素嚣凝瑶祭绞泌“。 2 ，2 ，乏三穗颡簸藏 兰嵇菝颡摄是褰逮靛援掰遴蘩豹凝严耋鹊紫摄润越。窟攘鼗突然发生，程晁秒煮遨 邃遮剿最大攥毽，菸攘导致毒k 终袁聪形成太黝鼯度麓氍慕、嚣张力瓣波动，滋嚣霹熊罨 曩襞释靛鼗袋。 y a r i t a 蹲凝究了个殴糕毒l 褫中粒颠攮瓣题，熬越邀了轧瓠系绽稳定粼麓式，擞攘 该刿制燕，毽 嚣谈受遴没暴黻猿少黪壤西数、逡攘入援厚爱蠛藏少恕鼙簿爱。鎏基下爨 一定瓣壤热入瑟窝爨酾殍度蒋爨藏鼹糖毒蕺撅“。 c h e f n e a x 莓鼓麓三嫠羧凝擐怒漱予稳锣税浆耀淤 鸯熬燮豫导致敬一秽魏激巍磷避 象，躐少莪潮遽发熬够按铡灏掭，搴l 械的缝擒决定了虢氍对籁缀静敏感瞧，褥且谈为蒋 l 羲鬏铷运褰楚蹬一憨够爨史熬攘翡方法“。 t a m i y a 簿谈蠢筑嘏静三傣颁熬强是一辩瀣予帮口“蘑张办变位靳转辗鞴潆变健乏惩 麴秘能莲导致鼹自激攘骢现浆。逶避研究一个篱化羰掇模黧瀚蓐张力簸应，憩髓认麓由 于纛张力与率k 鬻垂豢瀛动之瓣的9 酽糖移可辱致张力产奎的转裁力覆使茕辊懿掭动禚 蓬壤式。在璁罄磴土，缝翻提出了一姥减少瓤振发建盼方法“。 旗子t a m i y a 颤掇横墼，t l u 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在一定的工作辊直径对支承辊直径之比的条件下，某轧制速度使轧辊表面振痕的数目均 为整数时，这一速度即为容易引起振痕的临界速度。在一定的速度范围内，出现的临界 速度越多，表示产生振痕的概率越大。在此基础上，他提出了一些抑制颤振的方法，如： 改变轧制速度、仔细匹配支承辊直径、在最后机架采用最大的支承辊直径、避免损坏的 支承辊激励、避免轧辊磨削时的颤振、避免外部振动等”1 。 n e s s l e r 等则将轧机的支承辊视为弹性体，用有限元法研究了辊系的弯曲振动特性， 认为板面及辊面的印痕是在轧制过程中辊系振动无数次后磨蹭出来的，轧机五倍频颤振 振纹的形成与支承辊的第三阶弯曲固有频率有关，并因此而认为振纹的形成与上、下支 承辊的辊径差相关，避开临界速度能有效地防止颤振。”。但n e i b 等对该观点进行了批 评，并通过实验研究发现支承辊的弯曲固有频率皆大于1 7 0 0 h z ”。 j o h n s o n 等研究了两自由度和四自由度轧机振动系统，认为工作辊和支承辊间的变 形导致振动系统出现非线性，从而触发系统的高阶谐振现象，进而使小振幅发展成为大 华中科技大学博士学位论文 振幅，最终形成五倍频颤振1 。 随着现代检测技术的提高，h o f m a n n 等通过在轧机上安装轧件表面质量激光监控器 发现轧机五倍频颤振使轧件表面形成形波( f o r mw a v e ) 现象“。 h u 等则通过数值仿真方法研究认为轧机的五倍频颤振滞后于三倍频颤振，由于五 倍频颤振主要发生在支承辊上，从而对轧件厚度影响不大，并且认为五倍频颤振可能是 由于轧机的外部激励在适当的条件下所导致的”“。 钟掘等通过研究带钢表面振纹的产生机理，发现平整机驱动电机的谐波转矩通过机 电耦合成为平整机主机座谐波振动的激励源。他们认为：现有湿平整工艺与设备，其多 元参数融合于辊缝产生一种辊缝负阻尼；现有结构的平整机系统存在一种对工作辊辊 缝动力状态撮敏感的模态，在负阻尼条件下，系统出现以此阶特性表现的自激振动；这 阶自激振动与板面振纹最相关。“3 。 邹家祥等通过对轧机机械系统、液压系统、传动系统、计算机控制系统以及轧制工 艺等4 6 个参数实旌在线同步动态综合测试，为揭示轧机振动特性、状态及其起因提供 了重要依据。其中，对轧机辊隙摩擦特性的研究，进一步揭示了引起轧机振动的原因和 有效的控制措施，提出了抑制颤振的润滑条件，丰富了轧机辊隙的动力学研究内容1 。 特别是他们开展的大量轧机颤振实验研究和测取的丰富颤振现场数据，为轧机颤振机理 研究的深入开展提供了充足的实验和数据支持。 来五星则主要对轧制过程监测和表面质量评价进行了系统的研究与实践，重点研究 了带钢振动纹的形成规律，轧制过程检测信号及特征提取，多通道监测技术及表面几何 质量测评技术，并成功开发了一套冷轧带钢轧制过程监测及表面几何质量评价系统m 1 。 除此之外，国内外许多研究工作者围绕轧机的各种颤振问题，在轧辊辊隙润滑、轧 机的振动测试，以及颤振抑制等方面作出了大量的研究成果m “。 1 3 本文的主要内容安排 本文以四辊冷带轧机为研究对象，主要从轧机颤振机理的角度出发，研究了由于轧 制过程中的负阻尼效应、再生效应、模态耦合效应、辊隙摩擦的粘滑效应，以及轧机结 构的变刚度和非线性本质等所导致的轧机颤振现象，并提出了相应的抑制颤振的方法和 措施。全文总共包括七章，除第一章绪论和第七章全文总结外，其它五章的内容安排如 下： 第二章主要研究了轧机振动时辊缝变化所导致的轧制力、扭矩、轧速等的变化特征， 以及这些变化对轧机系统稳定性的影响，并建立了轧制过程的数学模型；在此基础上， 采用振动测试数据和带钢表面振纹形貌特征分别研究了2 0 3 0 型冷连轧机连轧过程中的 s 华中科技大学博士学位论文 三倍频颤振问题和冷平整机平整过程中的五倍频颤振问题。最后，讨论了与轧机的三倍 频和五倍频颤振频率范围一致的轧机振动系统的固有频率特征。 第三章主要分析了轧辊与轧件接触面的复杂非线性摩擦特性，提出了一种新的轧件 振动模型，采用定性方法和能量机制研究了粘滑共存摩擦转变为全滑动摩擦时，由于轧 件失稳所导致的轧机前、后张力波动，进而使轧机发生三倍频颤振的现象，并提出了抑 制颤振的措施。最后，还采用定性方法探讨了工作辊水平自激振动模型和采用数值仿真 方法研究了一种新的工作辊水平振扭振耦合模型。 第四章主要研究了四辊冷带轧机三倍频再生颤振的产生机理，提出了轧机三倍频再 生颤振模型，并对其进行