1、第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun.2023含侧隙的热轧机结构非对称振动王 哲1,2,包家汉1,2,童靳于1,2,董 亮1,2(1.安徽省液压振动工程技术研究中心,安徽 马鞍山 243002;2.安徽工业大学 机械工程学院,安徽 马鞍山 243032)摘要:针对某热轧机上/下辊系结构非对称、侧隙变化不同以及带材入口厚度波动等问题,建立了动态轧制力影响下的水平-垂直耦合非对称非线性振动模型。在固有特性和位移响应的分析基础上,研究了带材入口厚度波动幅值的变化、上/下工作辊系侧隙及摩擦力变化对轧机振动和振动
2、非对称幅频特性的影响,发现降低轧机结构的不对称性和带材入口厚度波动、同步减小上/下工作辊系侧隙和摩擦力,以及上/下工作辊系侧隙相差 3/4 个周期时,有利于提高轧机的稳定性。最后,通过对轧机上/下工作辊系侧隙变化下的分岔行为的研究,发现上/下工作辊系侧隙存在变化不同步问题,使得振动系统进入非同步混沌状态,研究结果可为轧机抑振理论提供参考。关键词:非对称振动;侧隙;振动方程;幅频特性;振动冲击;混沌DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.019中图分类号:TH113.1 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0130-11Asymmet
3、ric vibration for hot rolling mill structure with side clearanceWang Zhe1,2,Bao Jiahan1,2,Tong Jinyu 1,2,Dong Liang1,2(1.Anhui Engineering Research Center of Hydraulic Vibration,Maanshan 243002,China;2.School of Mechanical Engineering,Anhui University of Technology,Maanshan 243032,China)Abstract:For
4、 the problems such as the asymmetrical structure of upper and lower rollers,different side clearance changes and strip inlet thickness fluctuation for a hot rolling mill,the horizontal-vertical coupled asymmetric nonlinear vibration model under the influence of dy-namic rolling forces was establishe
5、d.On the basis of the analysis of inherent characteristics and displacement response,the influences of the change of strip inlet thickness fluctuation,the side clearance change of upper and lower rollers and the change of friction force on the mill vibration and vibration asymmetric amplitude and fr
6、equency characteristics were investigated,and it is found that reducing the asymmetry of mill structure and the strip inlet thickness fluctuation,reducing the side clearance of upper and lower rollers and the friction force simultaneously,and the side clearance difference of 3/4 cycle between upper
7、and lower rollers were conductive to improving the sta-bility of rolling mill.Finally,through the study on the bifurcation behavior under the side clearance change of upper and lower rollers,it is found that the side clearance change of upper and lower rollers was not synchronized,which makes the vi
8、bration system enter a non-syn-chronous chaotic state.Thus,the research results provide a reference for the rolling mill vibration suppression theory.Key words:asymmetric vibration;side clearance;vibration equation;amplitude-frequency characteristics;vibration impact;chaos收稿日期:2022-07-29;修订日期:2022-1
9、0-27基金项目:安徽省教育厅自然科学重大项目(KJ2018ZD005)作者简介:王 哲(1996-),男,硕士研究生E-mail:wangzhe19960328 通信作者:包家汉(1971-),男,硕士,教授E-mail:baojiahan 轧机振动一直是制约钢铁生产的基础性问题。随着现代技术的不断提高,对钢材产品的质量和要求也越来越高,降低或抑制轧机振动,是提高轧机稳定性和保证板带产品质量的关键1。轧机振动特性通常是指轧机的水平振动2、垂直振动3和扭转振动4,以及由这 3 种振动相互耦合的振动5-6,众多学者从不同角度对抑制轧机剧烈振动做出了巨大的贡献7-8。相对于轧制板坯,轧机结构并非上
10、下对称,会致使轧制过程产生的振动存在上下差异,使板带产生振纹,根据相关理论分析,考虑非对称因素研究轧机振动具有一定的可靠性。针对轧机振动的非对称性,张明等9对工作辊的水平非对称振动进行了研究,表明上/下工作辊的振动相位和摩擦因素呈反向变化,从而引起了辊身振纹的产生。任天宝等10对上/下辊面的摩擦因数差异、表面辊速差异等进行了研究,分析了上/下辊面工艺参数的非对称性对振动机理的影响。黄金磊等11-12等通过对轧机上/下轧辊磨损程度的不同,以及上/下辊面摩擦因数非对称的稳定域的研究,得出不同程度的非对称性会使系统呈现不同的振动形态的结论。但是,上述对轧机非对称振动的研究均将工作辊系和支撑辊系视为一
11、个整体,忽略了各辊系之间的作用和结构非对称性的影响,均是关于轧制界面以及辊径磨损等对轧机非对称振动的研究。实际上,轧机上/下辊系的水平和垂直刚度、等效质量均是非对称的,以及压下液压缸的存在,都会导致轧机水平和垂直方向的结构和振动的非对称。同时,轧机上/下工作辊系结构侧隙的不同步变化,对上/下辊系振动的作用会使得上/下工作辊和支撑辊的振动响应存在差异,对垂直振动也会产生影响。本文以某 1580 热连轧 F2 轧机为研究对象,考虑水平和垂直结构的支撑非对称、上/下辊系的振动差异、上/下工作辊系结构侧隙变化及分段非线性问题,建立了基于弹性恢复动态轧制力模型影响下的水平-垂直耦合非对称非线性振动模型,
12、同时,对带材入口厚度、辊缝波动引起的轧机振动进行了模拟,为研究轧机耦合振动和相关抑振理论提供参考。1 轧机结构非对称及轧制过程模型1.1 非对称耦合振动模型建立 考虑热轧机实际结构的非对称,建立如图 1 所示的结构非对称水平-垂直耦合振动模型。图 1 中,M1M7分别表示机架上部、上支撑辊系、上工作辊系、轧件、下工作辊系、下支撑辊系和机架下部的等效质量;K1K7分别表示机架上部、压下油缸等部件、上支撑辊系与上工作辊系、轧件与上工作辊系、下支撑辊系与下工作辊系、下支撑辊系与机架和机架下部的等效刚度;K2、K2和 K4分别表示液压油、垫块和轧件与下工作辊系的等效刚度;Kx2、Kx3、Kx4、Kx5
13、、Kx6、Kx4、Kx23、Kx56、Kx、Kx分别表示上支撑辊系、上工作辊系、轧件轧制前与机架、下工作辊系、下支撑辊系、轧件轧制后与机架、上支撑辊系与上工作辊系、下支撑辊系与下工作辊系、轧件与上工作辊系、轧件与下工作辊系的水平等效刚度;C3、C5、Cx3、Cx5、Cy、Cy 分别表示上支撑辊系与上工作辊系、下支撑辊系与下工作辊系、上工作辊系、下工作辊系、上工作辊系与轧件和下工作辊系与轧件的水平等效阻尼;X3与 X5分别为上/下工作辊系与机架的侧隙;x2x6和 y1y7分别表示各个质量块在水平和垂直方向发生的位移;f1和 f 1分别表示上/下支撑辊与机架的摩擦力;f2和图 1 轧机非对称水平-
14、垂直耦合振动模型Fig.1 Asymmetric horizontal-vertical coupled vibration model for rolling millf2分别表示上/下工作辊与机床侧隙的摩擦力;f3和f3分别表示上/下工作辊与轧件表面的摩擦力。结构参数如表 1 所示13。表 1 结构参数Table 1 Structure parameters参数数值参数数值M1/kg94300Kx3/(Nm-1)2.5109M2/kg58100Kx4/(Nm-1)2.2108M3/kg28622Kx4/(Nm-1)2.2108M4/kg1262Kx5/(Nm-1)4.0109M5/kg28
15、600Kx6/(Nm-1)1.91010M6/kg55178Kx23/(Nm-1)1.3109M7/kg51400Kx56/(Nm-1)1.3109K1/(Nm-1)5.21010Kx(Nm-1)2.8109K2/(Nm-1)2.61010Kx/(Nm-1)2.8109K3/(Nm-1)6.81010Cy/(N(sm)-1)1.2107K4/(Nm-1)2.8109Cy/(N(sm)-1)1.2107K4/(Nm-1)2.8109Cx3/(N(sm)-1)5.74105K5/(Nm-1)6.81010Cx5/(N(sm)-1)5.74105K6/(Nm-1)6.01010C3/(N(sm)-1
16、)5.74105K7/(Nm-1)2.11011C5/(N(sm)-1)5.74105Kx2/(Nm-1)1.8109131第 6 期王 哲等:含侧隙的热轧机结构非对称振动 1.2 动态轧制过程建模建立如图 2 所示的轧制过程模型,其中:hr、hc分别为稳态时轧件入口和出口厚度;hz为稳态时考虑轧件回弹的实际辊缝厚度;xr、xc分别为轧辊中心连线距离轧件入口和出口位置;、分别为咬入角、中性角、回弹角;F 和(F+dF)为轧件任一微元体的前、后合力;vR、vc分别为轧辊转速和轧制速度;O1和 O2分别为上、下轧辊中心;R1为轧扁半径;ps和 s分别为单位轧制力和摩擦力;为辊面接触任意位置与辊心竖直方向的夹角;d为轧件的任一微元体;H和 h为轧制前、后张力。图 2 轧制过程模型Fig.2 Model of rolling process 基于轧件的回弹14,轧制区入口位置和出口位置被定义为:xr=R1(hr-hz)xc=R1(hc-hz)2|(1)采用 Hitchcock 公式计算轧扁半径 R1:R1=Rw11+16(1-2)PEBm(hr-hc)|(2)式中:Rw1为轧辊原始半径;为泊松
