（机械电子工程专业论文）钢轨万能轧制孔型及轧制参数优化关键技术研究.pdf

中文摘要 摘要 铁路技术朝着安全、高速、重载和自动化牵引方向发展，要求钢轨具有高精 度、高平直度、高强度和高表面质量。钢轨是复杂断面型钢，万能轧制变形过程 既有强迫宽展又有自由流动，孔型设计的合理性和轧制参数设置的准确性是影响 万能线钢轨轧制精度的最关键因素。 传统孔型设计步骤：依靠经验初步设计_ 试轧进行修正一满足s l n 精度要求 后定型。孔型开发周期长、成本高且轧制精度也受到孔型设计精度限制。研究钢 轨万能轧制过程金属流动规律，优化孔型设计对提高钢轨轧制精度具有决定性的 作用。钢轨万能轧制线是一个多变量强耦合控制系统，由于没有轧制参数优化模 型和经验公式作指导，现只能依靠操作工的经验设置轧制表参数，根据试轧结果 凭感觉修改轧制表，结果造成轧制精度偏低、废品率偏高。在孔型固定的条件下， 求出各轧制参数的设定范围、给出各轧制参数的建议值对提高钢轨的轧制精度具 有重要现实意义。 本文以国有某大型钢铁企业轨梁厂钢轨万能s l n 生产线为研究背景，通过对 某规格钢轨万能轧制过程金属流动复合分析、连轧关系对轧制过程金属流动影响 分析，较全面掌握钢轨轧制过程金属流动规律，为孔型优化设计提供了理论指导 和科学依据；针对高速钢轨万能轧制线多变量强耦合的特征，以钢轨断面轧制精 度为目标，将优势区间控制算法与神经网络相结合，在不影响轧制生产安全的基 础上，构建轧制参数优化模型，实现了轧制参数的优化。 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 根据轧制原理及相关理论，以应力平衡方程、密席斯( v o nm i s e ) 屈服 准则、普朗特劳斯( p r a n d t l r c h s s ) 增量理论、同性硬化准则为基础，利用m a r c 软件对钢轨万能轧制仿真分析，获得钢轨万能轧制过程金属流动规律。 ( 2 ) 利用对力能轧机和轧边机的连轧过程仿真分析，研究速度匹配对轧制过 程金属流动的影响；利用对轧边机力矩进行监控和调整，得到较优的张力控制， 实现更合理的轧制负荷分配。 ( 3 ) 利用1 和2 研究成果对轧制孔型进行优化。 ( 4 ) 在不影响钢轨轧制生产安全的基础上，依靠西门子s 7 4 0 0 p l c 对外的 t c p i p 通信接口，实现了s l n 过程数据的在线采集与监控。 ( 5 ) 提出将生产现场采集的大量轧制过程数据与钢轨断面尺寸检测数据建立 对应关系，数据预处理后利用优势区间控制算法求出特定生产条件下u 1 e l 、u 2 e 2 机架辊缝及轧制力的优势区间，利用神经网络求出特定生产条件下u f 机架辊缝及 重庆大学博士学位论文 轧制力的设定值，实现了轧制参数优化。 实践表明：( 1 ) 把轧制过程金属流动规律及连轧关系分析结果运用到孔型设 计和优化，缩短了孔型开发时间、节约了孔型开发成本；( 2 ) 轧制参数优化模型 能够满足轧制精度的需要，提高钢轨尺寸精度达标率。 关键词：钢轨，三维流动，数据采集，参数优化，优势区间 i i 英文摘要 a bs t r a c t t h et e c h n o l o g yo ft h er a i l w a yd r a w st h ed e v e l o p m e n to fd i r e c t i o nt o w a r d ss a f e ， l l i 曲- s p e e d ，h e a v i l yl o a d e da n da u t o m a t a b l e ，r e q u i r e st h er a i lt oh a v eh i 曲p r e c i s i o n , l l i g hs t r a i g h td e g r e e ，h i g hs t r e n g t ha n dh i g hs u r f a c eq u a l i t y t h er a i li st h ec o m p l i c a t e d s e c t i o ns t e e l ，w i d ee x h i b i t i o nf o r c e da sw e l la sh a sf r e e d o mt h a tf l o w st or o l lt h ec o u r s e o fd e f o r m i n gu n i v e r s a l l y , t h er a t i o n a l i t yo ft h ep a s sd e s i g n e da n dt h ea c c u r a c yo ft h e r o l l i n gp a r a m e t e r sa r et h em o s tk e yf a c t o ro f t h er o l l i n gp r e c i s i o no fr a i lo fu n i v e r s a l l i n e d e s i g nt h es t e p si nt r a d i t i o n a lp a s s ：r e l yo ne x p e r i e n c et od e s i g nt e n t a t i v e l y _ 研 r o l l i n ga n dr e v i s e - - + f i n a l i z et h ed e s i g na f t e rm e e t i n gt h er o l l i n gp r e c i s i o n p a s s d e v e l o p m e n tp e r i o di sl o n g ，a n dt h ec o s ti sh i g l l a n dt h er o l l i n gp r e c i s i o no ft h ep a s si s r e s t r i c t e db yt h ed e s i g n i n gp r e c i s i o n s t u d y i n gt h em e n t a lf l o w i n gl a wa n do p t i m i z a t i o n o fd e s i g n i n go ft h ep a s so ft h er a i lu n i v e r s a lr o l l i n gh a sd e c i s i v ee f f e c to nt h e i m p r o v e m e n to fr o l l i n gp r e c i s i o n t h eu n i v e r s a lr o l l i n gl i n eo fr a i li sas t r o n gc o u p l i n g c o n t r o ls y s t e m 、析t l lm a n yv a r i a b l e s b e c a u s et h er o l l i n gp a r a m e t e r sd o n th a v ea n y o p t i m i z em o d e lo re m p i r i c a lf o r m u l at od og u i d a n c e ，c a no n l yd e p e n do ne x p e r i e n c e w o r k e r st os e tu p ，t h e na c c o r d i n gt ot h er e s u l tr e v i s i n gt h ep a r a m e t e r s t h i sr e s u l t si n t h el o wr o l l i n ga n dh i g hr e j e c t i o nr a t e u n d e rp a s sf i x e dt e r m s ，w o r ko u tt h es e t t l e m e n t r a n g ea n dr a t i o n a lv a l u eo ft h er o l l i n gp a r a m e t e r s t h i sh a sr e a l i s t i cm e a n i n gi n i m p r o v e m e n to fr o l l i n gp r e c i s i o no f t h er a i l t h i sp a p e rr e g a r d su n i v e r s a lr o l l i n gp r o d u c t i o nl i n eo fr a i lo far a i lr o o fb e a m f a c t o r yo fs t a t e - r u nl a r g e - s c a l ei r o no fs t e e le n t e r p r i s ea st h eb a c k g r o u n do fs t u d y i n g ， t a k eo nk i n do fr a i l sa sa l le x a m p l e ，c o m p l e xt h em e n t a lf l o w i n ga n a l y s i s ，a n da n a l y z e t h ei n f l u e n c eo fr o l l i n go nt h em e n t a lf l o w i n gd u r i n gr a i lu n i v e r s a lr o l l i n g t h e ng r a s p t h em e t a lf l o w i n gl a w so ft h er a i lu n i v e r s a lr o l l i n gi na l la l l r o u n dw a y t h i so f f e r st h e t h e o r e t i c a ld i r e c t i o na n ds c i e n t i f i cb a s i sf o ro p t i m i z a t i o nd e s i g no fp a s s t ot h e c h a r a c t e r i s t i co fs t r o n gc o u p l i n go fc h a n g e a b l eq u a n t i t yo fu n i v e r s a lr o l l i n gl i n eo fr a i l a tah i g hs p e e d ，r e g a r dr o l l i n gp r e c i s i o no fs e c t i o no fr a i la st h eg o a l c o m b i n et h eb l o c k o fa d v a n t a g ec o n t r o l l i n ga l g o r i t h m sw i t hn e u r a ln e t w o r k c o n s t r u c tt h eo p t i m i z a t i o n m o d e l so fr o l l i n gp a r a m e t e ro nt h eb a s i so fs a f e t yi nt h ep r o d u c t i o n t h i sh a sr e a l i z e d r o l l i n gt h ea u t o m a t i co p t i m i z a t i o no f t h ep a r a m e t e r t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： i i i 重庆人学博士学位论文 ( 1 ) a c c o r d i n g t or o l l i n gp r i n c i p l e sa n dr e l e v a n tt h e o r i e s ，b a s eo ne q u i l i b r a t e e q u a t i o n 诵t l lt h es t r e s s ，v o nm i s es u r r e n d e rc r i t e r i o n , p r a n d t l r e u s si n c r e m e n tt h e o r y , a n ds a m es e xt u r ns c l e r o t i cc r i t e r i o n , t h r o u g hm a r cb e i n gs o t t w a r eu n i v e r s a lt or o l l a r t i f i c i a la n a l y s i st or a i l ，o b t a i nt h em e t a lf l o wl a w o fr a i lu n i v e r s a lm l l i n g ( 2 ) b y a r t i f i c i a l a n a l y s i s o fu n i v e r s a l r o l l i n g m i l la n d e d g i n g m i l lw h e n c o n t i n u o u s l yr o l l i n g ，s t u d yp a c em a t c hh a v i n gi n f l u e n c eo nt h em e n t a lf l o w i n go ft h e r a i lu n i v e r s a lr o l l i n g c o n t r o la n da d j u s tt h em o m e n to ft h em a c h i n e ，r e c e i v em o r e e x c e l l e n tt e n s i o nc o n t r o l ，r e a l i z em o r er a t i o n a lr o l l i n gl o a dd i s t r i b u t e d ( 3 ) o p t i m i z et h er o l l i n gp a s s0 1 1t h eb a s i so f1a n d2r e s e a r c hr e s u l t s ( 4 ) o nt h eb a s i so fs a f e t yi nt h ep r o d u c t i o n ，d e p e l l do ns i e m e n ss 7 - 4 0 0 p l ct c p i p c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c et ot h eo u t s i d e ，h a v er e a l i z e dt h eg a t h e r i n ga n dc o n t r o l l i n gt h e d a t ao nt h el i n ew h e nr o l l i n g ( 5 ) s e tu pc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e nd a t ao fr o l l i n ga n dt h es i z eo ft h er a i l s e c t i o n , u t i l i z et h eb l o c ko fa d v a n t a g et oc o n t r o la l g o r i t h m st oa s kt h ei n i t i a lv a l u eo f r o l l e rs e w i n ga n dr o l l i n gs t r e n g t hp e rf r a m e w o r ku n d e rt h ep a r t i c u l a rw o r k i n gc o n d i t i o n o u ta f t e rt h ep r e c o n d i t i o n i n go ft h ed a t a , a n dt h e nu t i l i z et h en e u r a ln e t w o r kt oc a r r yo n t h ed e v i a t i o nt or e v i s et oi n i t i a lv a l u e ，h a sr e a l i z e dt h er o l l i n gp a r a m e t e r st oo p t i m i z e p r a c t i c es h o w s ：( 1 ) t h er e s u l to fm e n t a lf l o w i n gl a wa n dr o l l i n gm e t a lr e l a t i o n a n a l y s i si sa p p l i e dt op a s sd e s i g na n do p t i m i z a t i o n , h a ss h o r t e n e dp a s sc o n s t r u c t i o n p e r i o da n ds a v e dt h ec o s to ft h ed e v e l o p m e n to fp a s s ；( 2 ) t h er o l l i n gp a r a m e t e r o p t i m i z a t i o nm o d e lc a nm e e tt h ed e m a n do fr o l l i n gp r e c i s i o n ,i m p r o v et h es i z e p r e c i s i o no fr a i lt os t a n d a r do r i g i n a l l y k e y w o r d s ：r a i l ，t h r e ed i m e n s i o n a lf l o w ，d a t ac o l l e c t i n g ，p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n , o p t i m i z er a n g e i v 学位论文独创性声明 士 学位论文 在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签字日期矽乒应、7 签字日期：纱p 7 j 2 、7 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的士学位论文提 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名： 导师签名： 年月 日 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书竹，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年 月一日。 说明：本声明及授权书! 逝装订在提交的学位论文最后一页。 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 钢铁行业是本次金融危机十大振兴行业之一，铁路是重点投资行业，国务院 批复的铁路投资额已经达到2 0 0 0 0 亿元。铁路技术朝着安全、高速、重载和自动 化牵引方向发展，要求钢轨具有高精度、高平直度、高强度和高表面质量，新颁 布的铁路用轨标准对钢轨的质量和性能提出了更加严格的要求i l ，2 】。 先进的设备和工艺决定着实物质量水平，以二辊孔型轧制为标志的传统钢轨 生产线很难满足高质量钢轨的生产需要。2 0 0 4 年1 2 月底，国有某大型钢铁企业完 成对钢轨的冶炼、连铸、轧制、精整生产工艺的全面改造，标志着我国钢轨生产 水平进入一个新的时代，并达到了国际先进水平【3 1 引。 万能轧制线主要有步进梁式加热炉、高压水除鳞设备、二辊开坯机( b d i ) ， 二辊粗轧机( b d 2 ) 、万能粗轧机( u 1 ) 、第一轧边机( e 1 ) 、万能中轧机( u 2 ) 、 第二轧边机( e 2 ) 、万能精轧机( u f ) 组成。钢轨轧制流程如图1 1 所示： i 步进式加热炉 u f 万能精轧机组 上t l 高压水除鳞 高压水除鳞 上t b d l 开坯机u 2 e 2 万能中轧机组 上t b d 2 粗轧机 高压水除鳞 u i e i 万能粗轧机组 i 图1 1 钢轨轧制流程 f i g 1 1t h ep r o c e d u r eo fr a i lr o l l i n g 步进粱式加热炉加热方坯在轧制前进行加热炉加热的目的是：( 1 ) 提高钢的 塑性；( 2 ) 使钢坯内外温度均匀；( 3 ) 改变金属的结晶组织。采用步进梁式加热 炉对方坯进行加热，不受坯料的厚度及弯曲度限制，具有加热质量好、脱碳层小、 加热制度灵活、加热速度快、加热均匀、钢坯底面无黑印或划伤缺陷等特点，并 且能够比较精确计算和控制坯料在炉内的加热速度和加热时间，加热操作灵活， 易于与轧钢节奏匹配，有利于实现整个加热过程自动化。 重庆大学博士学位论文 多点高压水除鳞氧化铁皮是造成钢轨轧制过程中产生表面缺陷的重要原因。 用高压水清除钢坯加热后和轧制过程中产生的表面氧化铁皮是提高产品表面质量 的重要措施。采用轧制过程中多点除鳞的方法，达到了较好的除鳞效果。 轧机性能( 1 ) 高刚度两辊开坯机、粗轧机。采用闭口牌坊式，轧机的上辊 设置有压下装置，压下采用一个电机传动蜗轮蜗杆机构带动上辊压下，具有定位 精确、自锁性能好等特点。为了处理在轧制过程中出现的“卡钢”事故，在压下接轴 和轴承座之间设置有两个液压回松装置。上下轧辊通过液压缸锁紧，下轧辊可通 过液压缸、楔铁块进行轴向调整；上辊采用液压平衡，液压缸通过平衡梁安装在 机架横梁上。( 2 ) 优质高效的万能轧机、轧边机。除主传动外，轧机上其余机构 均靠液压实现驱动，包括：液压压下机构、水平辊立辊的平衡、下辊的轴向调整、 轧辊锁紧、机架锁紧、机架横移、液压回松等，全液压控制技术实现了机构的高 精度、快速响应及过载保护，其中的液压压下组成了钢轨工艺控制技术中最核心 的部分。另外，采用预应力连接杆，减小了轧机的弹性变形，提高了轧机的刚度； 通过液压辊缝控制系统对轧机当量刚度进行控制，消除轧制偏差，保证产品轧制 质量。 孔型系统及道次分配b d l 机架布置有箱形孔、梯形孔、帽形孔、采用可逆式 轧制，共轧制7 道次，完成对轧件断面不同部位金属量的分配；b d 2 布置有轨形 切深孔、轨形延伸孔和先导孔，共轧制3 道次，为轧件顺利进入万能粗轧机组做 准备；u 1 e 1 组成万能粗轧机组，采用可逆式轧制3 道次，第1 道次u 1 、e 1 均压 下，第2 道次1 1 1 压下、e 1 空过，第3 道次e 1 横移更换孔型，u 1 、e 1 均压下， 形成2 机架连轧；u 2 e 2 组成万能中轧机组，采用单道次2 机架连轧；u f 采用半 万能单道次精轧。在万能轧机( u 1 u 2 ) 上，从4 个垂直方向上给钢轨轨头和轨底 加压，其上下面加工是由2 个水平轧辊完成，左右两面( 轨底面及头部踏面) 是 靠2 个立辊加工，整个过程要求对称轧制，同时控制轨腰、轨底和轨头厚度变化。 而轧边机( e 1 e 2 ) 主要由水平辊的垂直压力用来控制轨底和轨头翼缘端部的尺寸 和形状，轨腰也得到轻微的加工，并消除万能轧制过程所产生的自由宽展和确保 钢轨的上下腿、上下头部的对称。最后，在半万能( 或全万能) 精轧机上规整成 形。 钢轨是复杂断面型钢，万能轧制变形过程既有强迫宽展又有自由流动，孔型 设计的合理性和轧制参数设置的准确性是影响钢轨轧制精度的关键因素。传统孔 型设计步骤：依靠经验初步设计_ 试轧进行修正_ 满足轧制精度要求后定型，孔 型开发周期长、成本高且轧制精度也受到较大限制。钢轨万能轧制线是一个多变 量强耦合控制系统，由于没有轧制参数设定模型或经验公式作指导，只能依靠操 作工的经验设置轧制表参数，根据试轧结果凭感觉进行轧制参数修正，结果造成 2 1 绪论 轧制精度偏低、废品率偏高。掌握钢轨万能s l 锘a j 过程金属流动规律，优化孔型设 计；通过轧制过程参数与钢轨断面尺寸对应关系，建立轧制参数设定模型，从而 提高钢轨轧制精度、降低生产成本对企业的生存和发展具有重要意义。 1 2 相关技术研究现状 1 2 1 万能轧制过程变形机理研究现状 钢轨万能轧制孔型结构复杂，精确的孔型设计是保证轧制精度的最关键因素。 用合理的分析方法，找出轧制过程金属流动规律、流动大小，为孔型的设计和优 化提供依据是钢轨万能轧制过程变形机理研究的重要内容。由于轧制过程伴随很 大的塑性变形，既有材料非线性又有几何非线性，变形机理十分复杂，再加上复 杂的边晃条件使其难以用数学关系式加以描述，人们只能通过采取简化、假设、 借助于实验、经验数据、模型等将难以精确求解的实际工程问题变为数学力学问 题，以求解一些重要的变形参数，相应地产生了各种近似程度和适用范围有所不 同的数值解析方法，常见的有有限差分法、有限元法、边界元法等，其中有限元 法被越来越多地引用到塑性加工问题的分析中，这种方法不需要过多的假设条件， 并能给出变形过程中金属流动，它适用于以大变形和非线性的材料行为为特征的 塑性加工问题。基于型钢( 主要是钢轨和h 型钢) 万能轧制过程金属流动的研究， 近年来国内外涌现了很多研究成果 1 3 - 3 0 。 日本东京大学利用刚塑性有限元研究了h 型钢的轧制过程、利用弹塑性有限 元研究矫直机中轧件的变形等【1 3 1 。德国阿亨大学塑性成型研究所采用有限元模拟 了工字钢轧制时变形区中各截面上的变形情况【l4 。波兰地质冶金大学的 m g l o w a e k i 等人采用生成平面应变有限元模拟了钢轨的轧制过程【l5 1 。 文献 1 6 1 应用大变形有限元m a r c 软件，以冷轧铅为材料模型，对钢轨的万 能轧制成品前道次的轧制过程进行了三维弹塑性有限元模拟，得到了轧制变形区 钢轨内部应力、应变的分布以及钢轨轧后残余应力分布。文献【1 7 】对半万能成品孔 型和万能成品孔型轧制高精度钢轨的产品尺寸精度和形状精度进行了研究，在实 验室进行半万能成品孔型和万能成品孔型轧制高精度钢轨的实验，证明两种成品 孔型均能轧出高精度钢轨。文献 18 】对钢轨万能轧制法中，使用半万能成品孔和全 万能成品孔轧制高精度钢轨产品尺寸和形状精度进行了分析研究，对两者轧制高 精度钢轨进行了实验对比。并借助有限元分析软件a n s y s l s 2 d y n a ，对采用全 万能成品孔轧制6 0 k g m 高精度钢轨的变形情况进行了模拟。文献 2 5 】为了简化钢 轨万能轧制过程的三维几何模型，首先把带箱形孔型立辊简化为等效的平辊，然 后分别给出轨腰、轨头及轨基的运动学许可速度场，求出在此速度场下相应变形 区的塑性变形功率以及速度间断面上消耗的功率，根据刚塑性体的变分原理求解 重庆大学博十学位论文 出了轧制力和轧制力矩的近似解。文献 2 6 1 研究了h 型钢轧制过程仿真中的几何模 型、材料模型和边界条件的设定问题，重点研究了断面上网格的合理分布。利用 该优化模型对h 型钢轧制过程进行了仿真，分析了h 型钢轧制过程中的金属流动、 残余应力分布及立辊的水平压下偏差对轧件变形和轧制力的影响。文献 2 7 】用有限 元分析软件m s c s u p e r f o r m 2 0 0 4 对h w 4 0 0 x 4 0 0 x 1 3 x 2 1 桩型h 型钢的稳态万能轧 制过程中的宽展进行了全道次模拟。分析了轧件的万能轧制不同阶段，宽展在各 孔型中的变化规律。文献 2 8 】采用显示动力学有限元软件l s 2 d y n a ，对h 型钢万 能轧制进行了仿真计算，在仿真结果的基础上，根据轧制平面内的节点位移矢量 分布情况，分析了轧件断面内金属流动规律。 上述研究对分析型钢万能轧制过程金属流动规律，制定轧制规程具有重要帮 助。但钢轨万能轧制过程属于严重不对称轧制，必须结合现场实际情况，对轨头、 轨腰及轨底等各部位金属三维流动做具体研究分析，获得每道次、各部位、每个 方向的流动趋势和流动大小，才能对孔型设计和优化提供理论指导和科学依据。 1 2 2 轧制参数优化技术研究现状 参数优化本质上是一种以数学为基础，用于求解各种工程问题优化解的应用 技术。作为一个重要的学科分支，它一直受到人们的广泛重视，并在诸多工程领 域得到迅速推广和应用，如系统控制、人工智能、模式识别、生产调度和计算机 工程等【3 1 石1 1 。 轧制参数优化技术的研究是与轧钢生产发展的实际需要密切相关的。早期以 单体机械设备为主的轧钢生产过程，主要解决诸如辊缝、s l n 力、宽展、温度、 弹跳、速度等轧制过程参数近似计算问题。这个时期轧制理论的提出了卡尔曼方 程和奥罗万方程，以及以这两个方程为基础附加一些假设条件推导出的一些轧制 力公式、宽展公式等，并逐渐形成了以工程法为核心的传统轧制参数优化理论体 系。随着轧制设备大型化、高速化、连续化，采用轧制过程优化控制技术已取得 了明显的经济效益和社会效益。国内外对相关研究问题开展了大量的研究工作， 但多局限于对h 型钢和带钢厚度控制，对万能轧制钢轨的轧制参数优化则很少有 文献报道。 文献 3 2 】根据1 7 8 0 m m 热轧厂的设备装备特点，利用碳钢的l 2 控制参数，进 行离线的模拟轧钢，逐步确定各道次、各机架的压下负荷分配系数、轧制速度、 学习系数、温度系数等关键参数，制订了合理的轧制工艺。文献【3 3 】提出使用b p 、 r b f 混合网络建立的多神经网络来预报热连轧轧制力。文献【3 4 利用有限元分析， 研究了出炉温度、轧制速度、传送时间和道次间隙时间对粗轧轧制时间的影响， 并建立了相应的经验公式。文献 3 5 1 建立了带钢5 机架连轧的并联神经网络结构， 应用技术采用l e v e n b e r g m a r q u a r d t 算法对神经网络进行训练，为每一钢种建立了 4 1 绪论 神经网络轧制力模型。 应用方面，宝钢2 0 5 0 过程计算机控制级中对精轧过程预设参数计算模型的改 进，对预设定模型的主要原理及设定控制方法进行了研究，主要包括压下分配模 型原理及其负荷规程的简化和自动分配的实现、轧制力模型及其强度基本项的扩 展、辊缝模型及其完善温度模型等方面进行了优化和完善，进一步提高了轧制的 自动化水平。马钢h 型力能轧机液压自动辊缝控制系统，由德国曼涅斯曼一德马 克一萨克公司在英钢联莱肯比h 型厂的辊缝控制系统基础上进行完善而成。控制 系统由三部分组成：监测控制层用作系统的协调及系统设定，并进行相应的逻辑 识别；位置控制系统是一个液压伺服系统，用作精确的位置控制；自动辊缝控制 系统作为系统的反馈修正以完成控制功能。 这些研究成果为h 型钢的轧制过程自动化和轧制操作规程提供了科学的依 据，但用于钢轨复杂非线性大变形轧制过程控制存在一定的局限性：( 1 ) 不能根 据轨梁厂现有的生产工艺和设备特点，建立相应的模型；( 2 ) 模型只是限于某一 轧机某一道次进行建模分析，计算收敛速度慢，计算结果无法参与轧制过程控制， 现场可操作性差。( 3 ) 在万能轧制生产线没有一个对外开放的数据平台接口，使 一些后续的钢轨轧制相关研究不能顺利进行。 1 3 论文的研究内容和意义 研究内容来源于重庆大学与某大型钢铁集团公司轨梁厂签订的一个基础性研 究课题“万能线钢轨规格控制仿真技术研究”，通过万能轧制过程金属流动研究，为 钢轨万能轧制孔型的设计和优化提供理论指导；对钢轨万能轧制过程数据进行数 据挖掘研究，为轧制表参数的设置提供指导。 1 3 1 研究的主要内容 根据现场实际条件，建立合理的钢轨万能轧制过程仿真模型，连轧( 万能 轧机和轧边机) 关系模型，分析轧制过程金属流动规律，轧制速度匹配对轧制过 程金属流动的影响。 结合轧制过程控制系统( t c s ) 研究连轧制过程万能轧机、轧边机的力矩变 化，对轧制过程轧制负荷的分配提出建议。 在不影响现场生产的条件下，对轧制过程数据进行监测和数据采集。 对轧制过程数据进行数据挖掘，剔除异常数据，保留正常的数据，对影响 轧制精度的关键轧制参数给出建议值或优势区间，为轧制表的动态设定提供指导 作用。 1 3 2 研究的意义 论文以影响高速钢轨万能线轧制精度的两个最关键因素一l 型设计和轧制 5 重庆大学博士学位论文 参数优化为研究核心，对轧制孔型系统设计和优化、轧制表参数的设定提供理论 指导和科学依据。 利用钢轨万能轧制过程金属流动分析、连轧过程轧制力矩的变化进行轧制 孔型的优化设计，缩短了孔型开发周期、降低了孔型开发成本，同时为复杂断面 型钢的孔型设计提供了借鉴作用。 利用基础自动化数据平台上的对外数据通讯接口，把轧制过程中很多重要 的信号开放出来，实时采集基础自动化数据，实时监n 车l n 设备运行状态，实时 故障报警，对减少设备异常造成钢轨轧废发挥了重要作用。 利用轧制过程轧制参数数据挖掘，获得了轧制表参数设定的建议值，改变 了轧制参数完全依靠操作工个人经验设定的局面，避免了轧制参数设置偏差过大 造成的大量钢轨轧废，同时轧制参数优化控制模型还为其他类型的多步骤、多参 数控制系统提供了借鉴作用。 由于之前是通过人工调度电话来通知各机架操作室的操作工来调整这些可 控参数的预设值，而现在直接使用本系统分析出的各参数的优势区间及建议值来 动态的预设或修正这些参数的值，从而缩短调度时间，可以及时修正各可控参数 预设值，提高了生产效率。同时对节约成本、人力、物力等也具有重要意义。 6 2 钢轨轧制过程金属流动复合分析 2 钢轨轧制过程金属流动复合分析 钢轨万能s l n 成形是一个非常复杂的三维弹塑性变形过程，既是物理非线性， 又是几何非线性，而且轧件的运动造成接触状态不断发生变化，因此，采用滑移 线理论、上限分析法等传统的初等分析法对钢轨轧制变形过程分析均难以获得满 意的结果。弹塑性有限元法求解金属塑性成形问题时尽管比较复杂，但是能够比 较正确的反映客观实际，同时能够计算出变形过程中质点的流动规律，所以钢轨 的万能轧制过程可以用有限元法进行模拟分析【1 3 - 3 0 。 钢轨轧制过程中，轧件受到轧辊孔型挤压作用，按照最小阻力定律进行三维 流动，其中在x 、y 方向的流动使金属按照设计的孔型获得一定的断面形状及尺 寸，各部位z 方向的流动速度差是造成钢轨轧制过程中轧件发生弯曲的关键因素。 课题组用m s c m a r c 有限元分析软件数值模拟了钢轨万能轧制过程，利用轧制稳 定阶段的带状云图及带状云图的切片图分析了轧制过程金属三维流动趋势，用定 量分析研究了s l n 后钢轨的轨高、头宽、腰厚、底宽尺寸的具体变化。针对现场 不同工况造成轧制过程摩擦系数波动，研究了摩擦系数对轧制过程金属流动的影 响。 2 1m a r c 仿真软件简介 m s c m a r c 是m s c s o f t w a r e 公司于1 9 9 9 年5 月收购m a r c 公司的产品，是 功能齐全的高级非线性有限元软件，体现了近4 0 年来有限元分析的理论方法和软 件实践的完美结合：( 1 ) m a r c 具有极强的结构分析能力，可以处理各种线性和非 线性结构问题，具有丰富的结构单元、连续单元和特殊单元的单元库；( 2 ) m a r c 的结构分析材料库提供了模拟金属、非金属、聚合物、岩土、复合材料等多种线 性和非线性复杂材料特性的材料模型；( 3 ) m a r c 采用具有高数值稳定性、高精度 和快速收敛的高度非线性问题求解技术，它还提供多种加载步长自适应控制技术， 自动确定分析加载步长，以提高计算精度和求解效率；( 4 ) m a r c 的网格自适应技 术以多种误差准则自动调节网格疏密，既保证计算精度，同时也使非线性分析的 效率大大提高；( 5 ) 支持全自动网格重划分，用来纠正过渡变形后产生的网格畸 变，确保大变形分析的顺利进行l 吲。 美国、日本、德国、意大利、韩国等国著名的钢铁企业、研究所都是m a r c 软 件的用户，如新日钢铁、神户钢铁、川崎制铁、日本钢铁研究所、德国材料科学 研究院等，国内的宝山钢铁公司、北京科技大学、东北大学、重庆大学、华东冶 金学院、包头钢铁学院、北京钢铁研究总院、重庆钢铁设计院、清华大学、上海 7 重庆人学博士学位论文 交通大学等单位都是m a r c 软件的用户，主要用于产品加工过程仿真、结合分析和 优化设计。m a r c 有限元分析软件求解流程如图2 1 所示。 读入数据、空问 分配、数据检查 i 计算等效节 叫点载荷矢量 = 二 i 组集矩阵 = 二 二 i 矩阵求解 l 应力计算 星 l 结果输出 l 网格自适应 是 下一个增量步 y 弋 ( 停止) 图2 1 求解流程图 f i g 2 1t h ef l o wd i a g r a mf o ra s ka n ds o l v e 2 2 钢轨轧制过程弹塑性有限元分析理论 有限单元法己成为工程数值分析的有力工具。利用它已成功地解决了一大批 有重大意义的问题，同时它本身也是一个快速发展的学科领域。有限元法( f e m ) 是将连续体离散成有限单元组成的结构，单元与单元之间仅在节点处以铰链连接。 应用力学的变分原理或其它方法，建立节点位移和节点载荷的代数方程组，应用 边界条件，求解这些方程组，就可以得到未知节点的位移，进而求得单元节点上 其它的物理量。 由于钢轨塑性成形是一个非常复杂的过程，同时也受到数学上处理问题的限 制，获得塑性成形问题的精确解是非常困难的，因此，实际求解时通常需要做某 些假设近似处理。这里采用以下基本假设 1 3 - 3 0 , 6 3 】： ( 1 ) 材料是各向同性的均匀连续体 假设变形体内各质点的组织、化学成分相同，各质点在各方向上物理性能和 力学性能是相同的，是不随坐标的改变而改变的。并假设变性是连续的，即整个 变形内不存在任何空隙，因此，应力、应变、位移等是连续函数。 8 2 钢轨轧制过程金属流动复合分析 ( 2 ) 体积力为零 作用于物体的外力可以分为两类，即表面力和体积力。所为表面力就是作用 在物体表面的力。表面力可以是集中力，但更一般的是分布载荷。体积力是作用 在物体每个质点的力，例如重力、磁力、惯性力等。体积力与物体的质量成正比， 所以又称质量力。对于塑性成形而言，除了高速锤锻造、爆炸成形等少数情况外， 体积力相对于表面力是很小的，可以忽略不计。 ( 3 ) 变形体在表面力作用下处于平衡状态 工模具或变形体作为整体处于平衡状态，当把这个整体划分为有限单元体作 为基本研究对象时，每个单元体仍处于平衡状态。而变形体处于平衡状态的充分 和必要条件是：作用于变形体的整体以及从整个变形体中分离出来的每个单元体 上的外力系的矢量和必定为零，并且，外力系对任一点的总力矩也必定为零。 ( 4 ) 初始应力为零 内力是物体内各质点之间的相互作用力，是材料本身所具有的特性。在外力 作用下，物体内原有的内力将发生变化，即产生抵抗外力作用的附加内力，这种 附加的内力会改变物体的形状，当附加内力达到一定值时，就可以产生塑性流动。 由于这里研究的是金属在外力作用下的变形问题，因此，与变形无关的内力将不 予考虑，也就是说，物体在受外力作用之前处于自然平衡状态，附加内力为零， 即初始应力为零。 ( 5 ) 体积不变假设 塑性变形时，体积虽有微量变化，但与塑性变形量相比是很小的，可以忽略 不计。 钢轨万能轧制过程中，轧件靠轧辊孔型的挤压在库仑摩擦力的带动下实现连 续轧制。变形过程是典型的几何非线性和边界条件非线性的弹塑性变形，所以轧 制过程分析数据均采用修正的拉格朗r 法( 即u p d a t e dl a g r a n g e 简称u l ) 优化处 理。轧制过程满足应力平衡方程，并且遵循屈服准则、流动准则、硬化准则等三 大准则。 2 2 1 应力平衡方程 在外力作用下，变形体内部各点的应力状态一般是不同的。由于假设变形体 是连续的，因此，应力状态的变化是连续的，同时变形体是处于静力平衡状态的， 则应力状态的变化必须满足下列平衡微分方程： 堕+ z ：堕+ z ：o ( 2 1 ) 瓠j j 瓠j i 其展开式可表示为 9 重庆大学博十学位论文 孥+ 堕+ 监+ x ：0 一十一十一r a 2 撖 砂 瑟 生+ 堡+ 堕+ 】，：o 出 砂 瑟 坠+ 堡+ 堡+ z ：o 礅 动 现 式中，置为单位体积的体积力沿坐标轴的分量。忽略体积力，则置= 0 ，平 衡方程就为： 笠：堕：0( 2 2 ) 瓠j融j 它是求解塑性成形问题的基本方程之一 2 2 2 屈服准则 屈服准则是描述不同应力状态下，变形体内某点由弹性变形状态进入并使塑 性变形状态继续进行所必须遵守的条件，因此，又称为塑性条件或屈服条件。 简单拉伸试验是建立塑性理论的基础之一，在许多方面，简单拉伸试验的结 果可以推广到复杂应力状态。在单向应力状态下，材料有弹性状态进入塑性状态 的判断依据可以有单向拉伸或单向压