（机械设计及理论专业论文）冷轧平整机轧辊表面振纹产生机理及试验研究.pdf

鼍 ， 0 、 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人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已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：! 复盎 e t 期：趁丝： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 、 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：漆忿导师( 签名) ：桫日期加加r 1 ， ， _ i 、 _ 一 j j j ， 水 ) 士 气 。 k - ， 武汉理t 大学博十学位论文 摘要 汽车工业是工业发达国家国民经济的支柱产业，汽车工业对钢板质量和品种 要求越来越高，促使钢铁生产厂家不断革新工艺技术和改进质量。平整机是汽车 钢板生产工艺中采用小压下量的冷轧机，平整机在高速生产轧制中有时会出现原 因不明的颤振。某冷轧厂平整机支撑辊在使用一段时间后，辊面常出现明暗相间 的振纹，然后在平整过程中将振纹印在带钢表面上，严重影响了带钢表面质量和 生产效率。解决平整机的振动问题是提高国产化汽车板带材质量面临的一个重要 课题。 本文以该平整机为研究对象，以轧制理论、线性振动理论、非线性振动理论、 振动诊断理论及轧制过程摩擦与润滑理论为依据，进行了以下研究工作： ( 1 ) 建立平整机主传动系统动力学模型，并得到模型元件的等效转动惯量 和等效扭转刚度，分别用集中质量法和有限元法计算该动力学模型固有特性，并 对两种方法计算结果进行比较。计算并分析主传动系统的模态柔度与能量分布。 分别计算了无阻尼和有阻尼时各轴段的扭矩放大系数，验证了主传动系统动力学 特性。 ( 2 ) 建立平整机垂振系统动力学模型，并得到模型元件的等效质量和等效 刚度，分别用集中质量法和有限元法计算该动力学模型固有特性，并对两种方法 计算结果进行比较。计算并分析垂振系统的模态柔度与能量分布，根据分析结果 对平整机垂直系统动态优化设计提出合理建议。 ( 3 ) 建立平整机工作辊水平运动方程和水平动力学模型，并对该模型进行振 动仿真和稳定性分析，从理论上分析其工作界面负阻尼的产生原因。通过相图、 p o i n c a r e 截面、最大l y a p u n o v 指数等多种方法来描述由负阻尼导致的水平摩擦自 激振动特性。根据工作辊水平和垂直运动之i 日j 的影响关系，建立平整机上辊系模 态耦合振动系统的动力学模型和数学模型，由数值仿真得出工作辊在轧制界面动 摩擦和模态耦合的作用下产生自激振动的行为。 ( 4 ) 结合轧制界面油膜厚度模型和工作辊水平动力学模型，建立平整机轧制 力和垂直动态刚度随工作辊水平颤振速度变化的数学模型，得出水平摩擦颤振速 度、轧制界面和垂直动态刚度之间存在祸合关系的结论。根据上述数学模型和平 整机垂振动力学模型，数值仿真结果显示，该耦合关系导致平整机垂振系统的自 激振动行为，并由此影响带钢振纹的生成。 武汉理t 大学博士学位论文 基于以上研究内容和成果，利用建模分析，结合现场振动测试信号的分析结 果，验证上述关于平整机振动机理分析的正确性，为生产现场抑制平整机振动及 振纹产生提供理论指导。同时，依据振纹产生机理提出抑振工艺措施，实践表明， 这些措施为解决带钢表面振纹的产生起到良好效果。 关键词：平整机；颤振；振纹；负阻尼；自激振动；摩擦 i i f 。 j 7 、 ， 毒 7 “ 、 ， j 武汉理上人学博十学位论文 a b s t r a c t a u t o m o t i v ei n d u s t r yi ss u p p o r t i n gi n d u s t r yi nt h o s ec o u n t r i e sw i t ha d v a n c e d i n d u s t r y m o r ea n dm o r er e q u i r e m e n tf o c u s e do nq u a l i t ya n dv a r i e t yo fa u t o m o b i l e l e a f - s p r i n g , t h u sr e s u l ti ni r o na n ds t e e lp r o d u c t i o ne n t e r p r i s ec o n t i n u o u s l yr e f o r m t e c h n i ca n di m p r o v eq u a l i t y t e m p e rr o l l i n gm i l lak i n do fc o l dr o l l i n gm i l lw i t hs m a l l q u a n t i t yo fr e d u c t i o n ，i ti su s e di np r o d u c t i o nt e c h n o l o g yp r o c e s so fa u t o m o b i l e l e a f - s p r i n g s o m e t i m e sd o u b t f u lv i b r a t i o no c c u r e dw h e nt e m p e rr o l l i n gm i l lr u n sw i t h 1 1 i 曲s p e e d i no n ec o l dr o l l i n gp l a n t ，l i g h ta n ds h a d ec h a t t e rm a r ka p p e a r e do nt h e s u r f a c eo fb a c k u pr o l lo ft h et e m p e rr o l l i n gm i l la f t e ra p e r i o do fu s a g e ，t h ec h a t t e r m a r km a yb ei m p r e s s e do nt h es u r f a c eo f s t r i ps t e e l ，t h u ss e v e r e l ya f f e c t e dp r o d u c t i o n e f f i c i e n c ya n ds u r f a c eq u a l i t yo fs t r i ps t e e l s o l v i n gp r o b l e mo ft e m p e rr o l l i n gm i l l v i b r a t i o ni sa ni m p o r t a n ts u b j e c tf a c e dd u r i n gt h ec o u r s eo fi m p r o v eq u a l i t yo f d o m e s t i cs t r i ps t e e l t h es t u d y i n gw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h et h e o r yo fr o l l i n g ，l i n e a r v i b r a t i o n s ，n o n l i n e a rv i b r a t i o n s ，d i a g n o s i so f v i b r a t i o n s ，f r i c t i o na n dl u b r i t i o ni nr o l l i n g , t h et e m p e rr o l l i n gm i l lw a sr e g a r d e da sr e s e a r c ho b j e c t ，t h ef o l l o w i n gs t u d y i n gw o r k w a sp r o c e e d e di nt h ed i s s e r t a t i o n ： ( 1 ) t h ed y n a m i cm o d e lo ft o r s i o n a lv i b r a t i o ni sc r e a t e d ，t h ee q u i v a l e n tm a s sa n d t h ee q u i v a l e n tr i g i d i t yo ft h em o d e le l e m e n t sa r eo b t a i n e d u s i n gl u m p e dm a s sm e t h o d a n df i n i t ee l e m e n tm e t h o dt oc a l c u l a t et h en a t u r ec h a r a c t e r i s t i co ft h em o d e l ，t h e r e s u l t sc a l c u l a t e db yt h ea b o v et w om e t h o d sa l s ob ec o m p a r e d m o d a lf l e x i b i l i t ya n d e n e r g yd i s t r i b u t i o no ft o r t i o n a lv i b r a t i o ns y s t e ma r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d t o r q u e a m p l i f i e df a c t o ro fe a c hs h a f ti sc a l c u l a t e du n d e rc o n d i t i o no fd a m p i n ga n du n d a m p i n g ， t h u sv e r i f i e dt h ed y n a m i cc h a r a c t e ro ft o r s i o n a lv i b r a t i o ns y s t e m ( 2 ) t h ed y n a m i cm o d e lo fv e r t i c a lv i b r a t i o ni sc r e a t e d ，t h ee q u i v a l e n tm a s sa n d e q u i v a l e n tr i g i d i t yo ft h em o d e le l e m e n t sa r eo b t a i n e d u s i n gl u m p e dm a s sm e t h o da n d f i n i t ee l e m e n tm e t h o dt oc a l c u l a t et h en a t u r ec h a r a c t e r i s t i co ft h em o d e l ，t h er e s u l t s c a l c u l a t e db yt h ea b o v et w om e t h o d sa l s ob ec o m p a r e d m o d a lf l e x i b i l i t ya n de n e r g y d i s t r i b u t i o no fv e r t i c a lv i b r a t i o ns y s t e ma r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d b a s e do nt h e i l l 。 武汉理工大学博+ 学位论文 a n a l y s i sr e s u l t s ，r e s o n a b l es u g g e s t i o na b o u td y n a m i co p t i m u md e s i g no ft e m p e rr o l l i n g m i l l sv e r t i c a lv i b r a t i o ni sp r o p o s e d ( 3 ) t h eh o r i z o n a le q u a t i o na n dt h eh o r i z o n a ld y n a m i cm o d e lo ft e m p e rr o l l i n g m i l l sw o r k i n gr o l la r ec r e a t e d ，v i b r a t es i m u l a t i o na n ds t a b i l i t ya n a l y s i so ft h em o d e l a r ep r o c e e d e d ，t h er e a s o nw h i c hc a u s e dn e g a t i v ed a m p i n go ft h er o l l i n gi n t e r f a c ei s a n a l y z e d t h ec h a r a c t e ro fh o r i z o n a lf r i c t i o ns e l f - e x c i t e dv i b r a t i o nc a u s e db yn e g a t i v e d a m p i n gi sd e s c r i b e dt h r o u g hp h a s ep i c t u r e ，p o i n c a r es e c t i o n ，m a x i m u ml y a p u n o v e x p o n e n t ，e t ，a 1 a c c o r d i n gt ot h ei n f l u e n c eo fh o r i z o n a la n dv e r t i c a lm o v e m e n to ft h e w o r k i n gr o l l ，t h ed y n a m i cm o d e la n dm a t h e m a t i cm o d e lo ft h et o pr o l ls y s t e mm o d a l c o u p l i n gv i b r a t i o ns y s t e ma r ec r e a t e d ，t h ec o n c l u s i o no fw o r k i n gr o l l ss e l f - e x c i t e d v i b r a t i o nc a u s e db yt h ee f f e c to fr o l l i n gi n t e r f a c ed y n a m i cf r i c t i o na n dm o d a lc o u p l i n g i sd r a w nt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ( 4 ) c o m b i n e dw i t hw o r k i n gr o l l sh o r i z o n a ld y n a m i cm o d e la n do i lf i l mt h i c k n e s s m o d e la tt h ee n t r a n c eo fr o l l i n gd e f o r ma r e a ，t h em a t h e m a t i cm o d e lo ft e m p e rr o l l i n g m i l l sr o l l i n gf o r c ea n dd y n a m i cr i g i d i t yc h a n g ew i t hw o r k i n gr o l l sh o n z o n a lc h a t t e r v e l o c i t yi sc r e a t e d t h ec o n c l u s i o no fc o u p l i n gr e l a t i o n s h i pa m o n gh o r i z o n a lc h a r e r v e l o c i t y , r o l l i n gi n t e r f a c ea n dv e r t i c a ld y n a m i cr i g i d i t yi sd r a w n a c c o r d i n gt ot h e a b o v em a t h e m a t i cm o d e la n dv e r t i c a ld y n a m i cm o d e lo ft h et e m p e rr o l l i n gm i l l ，t h e s i m u l a t er e s u l ts h o w st h a tt h ec o u p l i n gr e l a t i o n s h i pr e s u l ti ns e l f - e x c i t e dv i b r a t i o no f t e m p e rr o l l i n gm i l l sv e r t i c a lv i b r a t es y s t e m ，a n dt h e r e f o r ei n f l u e n c e dg e n e r a t i o no f c h a t t e rm a r ko nt h es u r f a c eo f s t r i ps t e e l b a s e do nt h ea b o v es t u d y i n gr e s u l t sa n dc o m b i n e dw i t ht h ea n a l y s i sr e s u l to ft h e l o c a lt e s t i n gs i g n a l ，t h ec o r r e c t i o no ft e m p e rr o l l i n gm i l l sv i b r a t i o nm e c h a n i c sw h i c h a n a l y z e di nt h ef r o n t a lc h a p t e r si sv a l i d a t e d ，a l lo ft h e s ep r o v i d et h e o r e t i c sg u i d ef o r r e s t r a i n i n gc h a t t e rm a r ka n dv i b r a t i o no ft e m p e rr o l l i n gm i l li np r o d u c t i o nf i e l d a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c t i o nm e c h a n i s mo fc h a t t e rm a r k ，t e c h n i c sm e a s u r e sa r ep u t f o r w a r dt or e s t r a i nv i b r a t i o na tt h es a m et i m e ，p r a c t i s er e s u l ts h o w st h a tt h e s em e a s u r e s t a k eg o o de f f e c to nr e s t r a i n i n gc h a t t e rm a r ko nt h es u r f a c eo f s t r i ps t e e l k e yw o r d s ：t e m p e rr o l l i n gm i l l ；c h a t t e r ；c h a t t e rm a r k ；n e g a t i v ed a m p i n g ； s e l f - e x c i t e dv i b r a t i o n ；f r i c t i o n i v 、 j 9 “ 武汉理一j ：人学博士学位论文 目录 第1 章引言1 1 1 课题研究的目的和意义1 1 2 课题概述3 1 3 国内外研究现状及发展趋势4 1 3 1 有关轧机系统扭转和垂直振动的研究4 1 3 2 有关轧机振动系统的耦合现象的研究7 1 3 3 有关轧机自激振动的研究8 1 3 4 有关轧机振动理论的研究1 0 1 3 5 有关轧机振动原因的研究1 0 1 3 6 有关轧机振动模型的研究1 1 1 4 论文的组织结构安排1 3 第2 章平整机传动系统动力学建模及固有特性计算1 4 2 1 多自由度线性系统的振动分析1 4 2 1 1 固有频率与模态1 4 2 1 2 主坐标与模态叠加法1 6 2 1 3 模态阻尼方法1 7 2 2 连续系统振动的分析方法1 9 2 2 1 集中质量法1 9 2 2 2 结构振动的有限元法2 0 2 3 主传动系统扭振动力学模型的建立2 4 2 4 主传动系统扭振数学模型的建立2 6 2 4 1 扭振系统自由振动方程的建立2 6 2 4 2 转动惯量与扭转刚度的计算和等效2 8 2 5 平整机主传动系统固有特性的计算与仿真2 9 2 5 1 固有频率和主振型的计算2 9 v 武汉理下大学博士学位论文 2 5 2 能量分布与模态柔度的计算与分析3 1 2 5 3 利用有限元方法分析平整机主传动系统固有特性3 3 2 6 扭矩放大系数的计算3 4 2 6 1 扭矩加载形式的确定3 4 2 6 2 无阻尼时扭矩放大系数的计算3 6 2 6 3 有阻尼时扭矩放大系数的计算3 8 2 7 本章小结3 9 第3 章平整机垂直系统动力学建模及固有特性计算4 0 3 1 冷轧六辊平整机垂直系统动力学建模与仿真4 0 3 1 1 垂直振动动力学模型4 0 3 1 2 固有频率和主振型的计算4 1 3 1 3 利用有限元方法分析平整机垂直系统固有特性4 4 3 2 非稳态轧制辊隙模型4 5 3 2 1 非稳态轧制界面几何特征4 5 3 2 2 屈服准则和变形区内应力分布4 7 3 2 3 轧制力和轧制力矩4 8 3 3 垂振影响因素分析5 0 3 3 1 垂向振动方程及力学模型建立5 0 3 3 2 张力对垂振的影响5 1 3 3 3 接触弧长变化对垂振的影响5 3 3 3 4 压下率，变化引起的轧制压力变化量妲5 5 3 3 5 摩擦因数对垂振的影响5 5 3 4 本章小结5 7 第4 章平整机水平摩擦自激振动的研究5 8 4 1 金属车l sr j 过程中摩擦的特点与分类5 8 4 i 1 金属轧制过程中摩擦的特点5 8 4 1 2 金属c e l s f j 过程中摩擦的分类5 9 v l 矗 “ 武汉理t 大学博十学位论文 4 2 自激振动及轧机自激振动影响因素6 l 4 2 1 自激振动产生机理和特征6 1 4 2 2 自激振动系统中的能量转换关系6 2 4 2 3 非线性振动的定性分析方法6 3 4 2 4 轧机自激振动的影响因素6 8 4 3 平整机平整界面的摩擦状态分析7 0 4 3 1 轧辊与轧件接触面切向力与接触面相对速度的关系7 0 4 3 2 平整机水平振动动力学和数学模型的建立7 1 4 4 平整机水平摩擦振动仿真及稳定性分析7 5 4 4 1 水平振动系统自激振动仿真7 5 4 4 2 水平振动系统的稳定性分析7 7 4 4 3 辊系模态耦合振动模型建立与仿真7 8 4 5 本章小结8 0 第5 章平整机水平颤振对垂振影响的研究8 1 5 1 轧制界面润滑油膜形成与油膜厚度影响因素8 1 5 1 1 润滑油膜的形成和轧制力模型8 l 5 1 2 混合润滑油膜厚度模型及其影响因素8 3 5 2 乳化液性能与轧机动态特性的关系8 7 5 3 # l n 力和动态刚度随工作辊水平颤振速度变化的数学模型i 8 9 5 4 平整机水平颤振对垂直系统振动影响的仿真9 0 5 5 本章小结9 2 第6 章平整机现场振动测试与振纹抑制措施9 3 6 1 平整机工艺参数调整与测试9 3 6 1 1 平整机工艺参数调整9 3 6 1 2 测试内容9 5 6 1 3 测试方案9 6 6 2 测试结果9 7 v l l 武汉理上人学博二e 学位论文 6 3 测试结果分析1 0 3 6 4 振纹抑制措施1 0 4 6 5 本章小结1 0 5 第7 章总结与展望10 6 7 1 全文总结1 0 6 7 2 研究展望1 0 7 参考文献10 8 致谢1 14 攻读博士学位期间发表的论文和参与的科研项目1 15 v i i i 、 节 口 、 口 钿 武汉理工大学博： = 学位论文 第1 章引言 1 i 课题研究的目的和意义 各种机械的运转过程总是伴随各种各样的振动，从力学观点来看，振动是由 于振动物体受到动力作用而产生的一种运动【l 】。任何物体只要具有质量和弹性就 有产生振动的可能。按振动产生的原因分为自由振动、受迫振动和自激振动三大 类：机械系统受到干扰而破坏了其平衡状态后，由系统的弹性恢复力来维持的振 动称为自由振动；当系统有阻尼时，由于振动过程中只有能量消耗而无能量输入， 振动将逐渐衰减。由外界持续激励力引起和维持的振动称为受迫振动；系统在一 定条件下没有外部激励力而由系统本身产生的交变力激发的一种周期性振动称 为自激振动。一方面，振动是可以被利用的。振动可以被用来完成输送、筛分、 密实、捣固、研磨、粉碎等各种工艺过程，并出现各种振动机械；另一方面，振 动在大多数情况下是有害的，当振动量超出允许范围后，振动将会严重影响机器 的工作性能，并产生巨大噪音，污染环境，损害人们健康。 随着现代化工业的高速发展，各行业对冷轧带钢的需求量不断增大，对带钢 表面质量要求和产品精度要求也越来越高。高速轧制中常出现种种原因不明、表 现形态多样的轧机振动现象，如轧机颤振、轧件表面振纹、轧辊表面周期印痕等 等。这些现象一方面增加板带厚度误差、严重影响产品质量；另一方面加速辊面 磨损、缩短换辊周期、增加设备运行维护的工作量和费用。轧机剧烈振动甚至造 成大量的废品、断带、轧机停产或轧制设备损坏等事故，严重威胁生产安全并造 成巨大的经济损失。 轧机振动是轧制生产中普遍存在的问题，轧机振动的研究已有几十年历史。 轧机振动的研究涉及到轧制理论、振动理论、信号处理、故障诊断以及非线性理 论等几大领域，国内外研究者针对生产中出现的各种轧机振动问题，从理论和试 验两方面做了大量研究工作。现有研究结果表明，引起轧机振动的外部原因主要 是轧制过程参数扰动。这些外部参数包括轧制速度、前后张力、温度、变形区接 触面润滑摩擦状态润滑液特性、轧入板带厚度波动等。轧机振动的内部原因大多 在于机械结构的振动特性以及控制器的动态特性。在结构动态设计时未能充分考 虑子结构的模态频率在系统敏感频带的分布、耦合和影响，使得机械结构固有特 武汉理t 大学溥十学位论文 性不佳，存在先天性结构设计缺陷。或者系统关键部位结构因磨损、机械结构的 间隙而使动力学特性变坏都会使系统的稳定性变差。 随着轧制设备的大型、高速、连续和自动化，大量新技术被采用，使轧机振 动出现了许多新问题。轧机系统以及轧制过程中存在各种非线性和复杂的耦合关 系，例如机械传动问隙、轧制界面负阻尼、机电参数的交互作用、工作辊的扭振、 垂振和水平振动通过轧制界面相互耦合等，这些耦合关系导致轧机振动的原因更 加复杂。 平整机实际上是采用小压下量的冷轧机，之所以称为平整是因为它主要用来 改善薄带钢的板型而不是用来改变厚度的。平整机是典型的复杂机电系统，其动 力学状态与各子系统间的耦合作用密切相关，在平整过程中的轧制压力、前后张 力、变形抗力、摩擦力的耦合具有一定的随机性，这些都导致平整机常表现出一 些奇异的振动行为。平整机许多传动件的运动频率在工作过程中连续变化，如开 卷、卷取等子系统，这种特性对系统构成频率扫描激振，平整机系统则表现为不 同时间以不同阶固有频率响应的瞬态振动，钢带开卷过程的不稳定性也是系统随 机激励源之一。这些随机振动表现为钢带表面振痕间距存在多样性和不确定性。 激起平整机产生振痕的因素很多，国内外学者在此方面做了大量的研究工 作，包括自激振动、强迫振动、以及轧制速度、车l a , j 张力等工艺参数、工艺润滑 等对轧机振动的影响。研究发现，除平整辊安装不当、不适当地研磨平整辊及轴 承座孔等机械缺陷可以激起平整机产生振痕外，平整过程中的张力过大、润滑不 良等因素也可以引起振痕。除此以外，平整机结构动力学特性存在问题也是引起 振动的一个重要因素。因此，分析研究平整机产生振痕的原因并进行有效控制， 从而提高产品的质量与精度非常重要。目i i 抑制平整机振动的措施主要通过增加 系统的阻尼、调节前后张力和控制平整速度来实现。 尽管轧机动力学得到了多方面的研究，取得了许多成果，但平整机颤振是一 个非常复杂的振动问题，并且它的发生往往无法找到明显的激振源，从而导致振 动的机理至今没有很彻底地搞清楚。平整技术的发展以避免平整机颤振为目标， 解决平整机的振动问题，是提高国产化板带材质量面临的一个重要课题。因此， 为了降低生产成本和提高产品质量，无论是对轧制设备的设计者还是对现场操作 者而言，预防颤振都是一个越来越重要而迫切的任务。研究平整机的颤振机理， 建立更准确的振动数学模型，探讨各种类型颤振的产生条件和特性，掌握其振动 规律，有效预防和控制轧机振动，为实际生产提供理论指导，对轧制生产具有非 常重要的现实意义【2 剖。 2 武汉理t 大学博+ 学位论文 1 2 课题概述 通过冷轧而变成纤维状组织的带钢，在退火工序中由于再结晶而具有新的结 晶组织。这种退火后的带钢几乎完全成为软质状态，因此不适用于加工，只要稍 稍给予轻度冲压加工，带钢表面就会产生拉伸应变和不规则的滑移线，明显有碍 外观。这种退火带钢必须通过平整机进行平整轧制，即通过轻度的冷车l j j h 工( 压 下量为0 5 _ 4 ) 来消除材料的屈服平台，防止加工时的拉伸应变，提高材料的 强度极限、降低屈服极限，以及扩大塑性加工范围，并使带钢表面获得需要的粗 糙度和光泽，矫正板材形状。 平整机是采用小压下量的冷轧机，由于平整压下率很小，难以测准其厚度差， 因此用与压下率成比例的带钢长度变化率即延伸率来表示平整率【7 1 。 某钢铁公司冷轧厂平整机是一种六辊冷轧机，其结构示意图如图1 1 所示。在 生产过程中发现，平整机支撑辊在使用一段时间后，表面常出现明暗相间的条纹， 条纹与轧辊轴线平行，间距均匀，约为1 2 3 m m ，然后在平整过程中将振纹印在带 钢表面上，如图1 2 所示。通常情况下看不见这些印痕，但用油石打磨后振纹清晰 可见，有这种表面质量问题的带钢不能作为高级轿车等高档产品的面板用材。 图1 1平整机实际外形图1 2 平整后带钢上的振纹 为了保证正常生产，目前该厂靠采取频繁换辊的措施来保证生产带钢的表面 质量，但这无疑大大增加了非轧制时间，降低了生产效率，也增加了生产成本。该钢 铁公司对此给予了高度重视，将带钢表面质量问题列为重要科研课题之一。 武汉理上人学博十学位论文 1 3 国内外研究现状及发展趋势 1 3 1 有关轧机系统扭转和垂直振动的研究 根据轧机的受力特点，可将s l - 宅r t j l 部件按两种不同的载荷传递系统进行振动 分析。一种，受载系统是轧钢机的主传动系统，包括轧辊、连接轴、齿轮座、减 速器、主电机等，这个系统的外载倚主要是轧制力矩和主电机磁场作用在电枢上 的扭矩；另一种，受载系统是轧机工作机座系统，包括轧辊、轴承座、压下螺丝、 压下螺母( 或液压压下油缸系统) 、弯辊装置、机架牌坊等，这个系统的外载荷 主要是轧制力、弯辊力、平衡力等。轧机主传动系统的振动形式主要是扭转振动， 而工作机座的振动形式主要是垂直振动。 轧机传动系统在外载荷作用下发生扭转振动，传动零件的扭矩波幅超过一定 值和一定时间会发生疲劳损伤，降低零件的使用寿命。剧烈的振动还会引起零件 的突然断裂和巨大噪声。通常用扭矩放大系数t a f ( t o r q u ea m p l i t u d ef a c t o r ) 来 评定机械传动系统对某一外加载荷的响应。 陈昌明等认为初轧机主传动系统的扭振是造成部件破坏的主要原因，同时提 出初轧机的扭振实质上可分为冲击扭振和自激扭振两大类，并分析产生各种不同 扭振的原因。他还提出了各种扭振时t a f 值的计算方法，对t a f 值可能达到的水 平做出预测，并指出危险情况和预防原则瞵匕 日本i h i 有限公司h i s a s h ih o n j y o 等人撰文提出用一系列稀疏的方法确定扭矩 放大系数，这种方法特点是将工艺的、设备的影响因素都概括了。该文在分析扭 矩放大系数等有关系数时提出了各系数的计算式，对轧机设计和轧机操作工艺、 轧机维护等提出了某些建议 9 1 。 7 0 年代中期，加拿大钢铁公司投入较大精力进行轧机动态性能的研究，做出 以下工作：建立了机、电系统动力学的数学模型，应用计算机仿真技术求得轧机 瞬态的及稳定的动力学特性；推导了轧机咬钢时的动态扭矩数学模型。以上数学 模型在万能轧机、初轧机、板坯轧机、型钢轧机、冷连轧机等机组上得到了应用【l 川。 美国的j o s e p hh g a l l e n s t e i n 在一台四辊可逆轧机上进行扭振实验研究。采用 三种润滑条件，两种带厚和两种加工硬化程度下进行了一系列实验。在各种不同 轧制压力下改变轧机速度，分别得到扭矩波动、带材厚度变化、压下率与轧制速 度的关裂】。 武汉钢铁公司的1 7 0 0 冷轧机组在运转过程中，轧机主传动系统的弧形接轴发 4 武汉理t 大学博士学位论文 生强烈的振动。武汉科技大学的黄培文为此展开研究并得到如下结论：1 ) 弧形 齿接轴主要振源是弧形齿接轴不对中而引起的偏摆振动以及齿轮箱齿轮啮合激 振。2 ) 轧制速度对接轴振动影响很大。齿轮啮合间隙以及接轴部件中的各种问 隙也是重要影响因素。3 ) 电动机的电流、电压波动以及前后张力均与接轴振动 的相关性不大1 1 2 】。 重庆大学的朱才朝等通过对2 3 0 0 四辊万能可逆轧机主传动系统扭振固有频 率的影响因素的研究，给出了固有频率相对设计参数变化的灵敏度计算公式，并 编制程序对2 3 0 0 年l 机主传动系统的固有频率影响因素进行了分析计算【l 引。 东北大学的王章海根据以往文献对主传动系统在轧件处分为上辊系和下辊 系两部分来单独建立力学模型的情况，提出将上下辊系通过被轧件联成一体来建 立力学模型，精确地反映了实际- n 过程中轧制系统的动态特性，并用带原点位 移的双步q r 法，算出系统的特征对，根据系统的输入，用计算机模拟的方式输出 系统的扭矩放大系数，为轧制系统的优化设计提供依据和有效的方法l 】4 】。 轧机中出现的垂直振动，按照振频和后果分为两大类：第一类，垂直振动频 率在1 5 0 2 5 0 h z ，由于它的频率大都处于第三音乐倍频程内，振动又具有高频微 幅的特点，故又称为第三倍频程颤振。其结果除了在带材表面造成垂直于轧制方 向的交替明暗条纹外，还造成明显的带材厚度波动，严重时甚至超过目标厚度的 3 0 。第二类，垂振的频率大都分布在5 0 0 , - v 7 0 0 h z ，由于它的频率处于第五音乐 倍频程内，故又称为第五倍频程颤振。其结果是使上下支承辊表面和带材表面都 出现明暗交替的条纹，但一般有可测的厚度变化。 三倍频颤振又称低频垂振，其振动的特点是上下辊系相对运动，形成辊缝的 周期性变化，由此导致带材产生厚度偏差。三倍频振动的可能原因是：1 ) 辊缝 润滑摩擦状态的变化；2 ) 前后机架之间张力的变化；3 ) 防护辊的安装不合适； 4 ) 轴承缺陷；5 ) 入口板带振动。研究表明，轧机三倍频颤振会通过板带张力的 耦合在连轧机各机架之间传播。因为越往后侧的机架压下率、轧制速度以及轧制 力越大，致使靠近末端机架的振动尤为剧烈。解决轧机振动的合理方法是增加有 效阻尼，阻尼力可以消弱甚至全部衰减振动的幅值。 五倍频颤振又称高频垂振，振动的特点是上下工作辊在支撑辊之问同相运 动，而支撑辊不动。辊缝和板厚虽然没有显著的变化，但是支撑辊表面会形成横 向条纹加速磨损，最终转移至板带表面，使板带表面也产生印痕。支撑辊表面的 急剧磨损导致频繁换辊。五倍频振动发生的可能原因是：1 ) 轧机固有频率的共 振；2 ) 支承辊具有表面缺陷；3 ) 轧辊研磨不良；4 ) 轧辊旋转部件的固有频率 武汉理工大学博十学位论文 与轧机的高频垂振之间成次谐波关系；5 ) c l n 原先就带有振纹的带材【4 j 。 五倍频颤振导致板带表面产生细密的横向条纹，但对厚度误差没有显著影 响，形成振纹的机理仍然不明。与三倍频颤振比较，五倍频颤振引起的板带表面 和轧辊表面缺陷比较轻。然而，五倍频颤振导致的板带和轧辊表面印痕常常变为 三倍频颤振的振源，反过来诱发三倍频颤振。对于板带表面质量要求较高的产品， 特别是汽车用板材，当板带产品表面的条纹甚至在喷漆或电镀工艺之后仍然明显 就会成为严重质量问题。根据板带正反两面产生的这些明暗相间的印痕可以判断 五倍颤振发生的严重程度。 日本的h i r o h a t a 公司一台五机架冷连轧机发生颤振，产品出现厚度偏差及断 带，带型延长度方向呈谐波状。他们发现一些颤振征兆：产品厚度越薄、轧材含 碳量越高、乳化液不稳定时候，就越容易出现颤振。经过现场测试和理论研究， t s u t o m ut a m i y a 建立了振动的数学模型，表明振动是源于张力变化的自激振动。 振动发生时，张力变化对带铡厚度影响很大 1 5 1 。 加拿大t l u s t y 教授研究 d o f a s c o 钢铁公司的轧机颤振问题，研究得出了轧件 速度对颤振的影响，摩擦因数对临界速度和对颤振的影响等一系列仿真曲线。考 虑到造成轧机振动的正、负阻尼共同作用，t l u s t y 教授还推导出轧制过程稳定性 临界条件判别式，如果该判别不等式成立，轧机将出现自激垂捌1 6 j 。 美国钢铁公司研究室的w l r o b e r t s 研究了该公司下属各厂冷连轧机的颤振 问题，论述了冷连轧机的第三倍频程及第五倍频程颤振的问题。他认为除了轧辊 安装、不正确磨辊及轴承缺陷外，入口张力过大，润滑不良等情况均可引起轧机 颤振。他把第三倍频程颤振看作是四辊轧机上支撑辊的跳动，使带材产生显著的 厚度变化。其频率厂8 2 0 0 d ，( d 7 一支撑辊直径) 。他从理论上提出至少存在 两种条件能够促使这种不稳定颤振发生：一是带材在有过大入口张力的条件下轧 制，辊缝中的有效摩擦因数随带材压下量变化而变化；二是当采用某种方式的辊 缝润滑时，轧制力增加，导致较大的轧辊压扁，减小平均压应力，带材的压下率 也相应减小引起颤振。 此外，w l r o b e r t s 对于振频约为6 0 0 h z 的第五倍频程颤振设想了一个振动模 型，把支撑辊看作稳定不动的刚体，把工作辊看作为一个惯性质量，把支撑辊和 工作辊之间的压扁变形看