[发明专利]高速薄板轧机自激振动预测与抑制的工艺方法

摘要

本发明提供一种高速薄板轧机自激振动预测与抑制的工艺方法，属于冶金轧制金属技术领域。该方法包括轧机结构动力学模型、动态轧制过程模型、自激振动机理模型、临界轧制速度模型和预测与抑制自激振动的工艺措施。轧机结构动力学模型用于建立机架‑辊系垂直振动子结构模型，动态轧制过程模型用于得到轧制力的增量形式模型。自激振动机理模型由结构模型与过程模型通过动态轧制力与动态辊缝相耦合建立，临界轧制速度模型根据轧制速度与轧机自激振动诱发条件之间的关系建立。预测与抑制自激振动的工艺措施提出相应的工艺调整和优化措施，通过提高临界轧制速度实现对自激振动的有效抑制。该方法简单易行，能够有效实现轧机自激振动的预测与抑制。

主权项

1.一种高速薄板轧机自激振动预测与抑制的工艺方法，其特征在于：该工艺方法包括轧机结构动力学模型、动态轧制过程模型、自激振动机理模型、临界轧制速度模型和预测与抑制自激振动的工艺措施，该工艺方法具体过程如下：首先，通过轧机结构动力学模型考虑轧件的塑性变形和上下辊系的非对称性，建立机架‑辊系‑轧件互相耦合的垂直振动子结构模型，分为静位移部分的静力学方程和振动部分的动力学方程；然后，通过动态轧制过程模型在考虑垂直振动的金属秒流量修正方程的基础上，运用SLAB计算法得到轧制压应力沿接触弧长分布规律的解析解，经积分运算和TAYLOR展开得到轧制力的增量形式模型；再根据由结构模型与过程模型通过动态轧制力与动态辊缝相耦合建立的自激振动机理模型，通过LAPLACE变换得到频域特征方程；进而运用ROUTH稳定性判据，根据轧制速度与轧机自激振动诱发条件之间的关系建立的临界轧制速度模型；最后采用预测与抑制自激振动的工艺措施，基于临界轧制速度实施，通过不同工艺条件下轧制速度的稳定性裕量及前滑值的异常变化实现对自激振动的评估预测，并进而提出相应的工艺调整和优化措施，以通过提高临界轧制速度实现对自激振动的有效抑制；具体原理如下：(1)轧机结构动力学模型：高速薄板冷轧装备为四辊或六辊轧机，建立包括牌坊和辊系的垂直子系统结构动力学模型：其中M，C，K表示由结构参数等效的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；X表示各质量单元的加速度、速度及位移列向量；P表示载荷列向量，若不考虑各单元可能受到的外部激励干扰，则载荷列向量中的非零元素即为工作辊与轧件之间的轧制力，即：P＝Ps+Pvar其中Ps表示轧制过程中设定的稳态轧制力，Pvar表示轧制过程中由于各种参数波动所引起的轧制力波动量，若各质量单元的位移量为X＝Xs+Y，其中Xs,Y分别表示稳态位移量和动态波动量，则系统结构模型分成稳态部分的静力学方程和振动部分的动力学方程，即：前者用于静态特性的分析，后者用于动态特性的分析；(2)动态轧制过程模型：确定轧制压应力的方法归纳起来有三种，即实测法、经验公式法和理论计算法，动态轧制过程模型的思路如下所述：第1步：通过塑性变形条件建立张力、变形抗力及轧制压应力的关系式；第2步：综合考虑辊缝的动态波动量及其波动速率，基于金属秒流量方程求得出入口速度的表达式；第3步：将塑性变形条件代入受力平衡方程得到轧制压应力分布表达式，并将其沿着接触弧进行积分，可以到轧制力的表达式；第4步：运用泰勒展开可得轧制力的增量形式波动量模型：其中h_cvar，h_evar，v_rvar分别表示辊缝波动速率、辊缝波动量、入口厚度波动量以及轧辊速度波动量；分别表示后张力波动量和前张力波动量，其中α_i(i＝1～6)表示上述各参数波动因子对动态轧制力的影响系数；(3)“结构‑工艺”耦合的自激振动机理模型：设轧件的出口厚度波动量模型为：hvar＝Svar+Yh其中Svar表示由轧辊偏心、油膜厚度波动及零点漂移等引起的辊缝波动量；Yh＝Yuw‑Ybw表示由于结构振动所引起的上下工作辊弹跳位移差；将轧制力的增量模型与结构模型的动力学方程相耦合得到自激振动机理模型：其对应的频域模型以及特征方程分别为：Az·Z(s)＝0；|Az|＝∑γisi＝0运用Routh稳定性判据即能够对系统进行稳定性分析及失稳条件的判定；(4)临界轧制速度计算模型：系统稳定的充分必要条件是特征方程的全部根具有负实部；Routh稳定判据：排列特征方程的系数并计算获得Routh阵列，若Routh阵列的第一列系数不改变符号，将不会出现具有正实部的特征根，系统稳定，否则系统将不稳定；取轧辊线速度vr及任意工艺参数ξ为待定量，基于“结构‑工艺”耦合自激振动模型的特征方程，代入各结构参数及工艺参数得到系统的稳定性条件为：ri,1(vr,ξ)＞0(i＝1,2,…,23)即得临界轧制速度关于相关工艺参数ξ的计算模型；(5)预测与抑制自激振动的工艺措施：i.降低轧制速度：任何时候，只要小于其临界值则不会振动，也即使用保守的较低速度轧制总是安全的，并且若一旦发生了自激振动只要马上降低轧制速度使之低于其临界值，则轧机马上会稳定下来，不再振动；ii.采取间断升速措施：无外激扰动时，当轧制速度达到临界速度甚至高于临界速度时，采取时间断升速的措施能够实现对发散性振动的有效抑制；有外激扰动时，一定程度上能够减缓振动，对振动幅值和发散速度有所抑制，为现场生产提供反应时间和操作空间，但不会改变危险的发散振动性质，必须通过降速或其它措施抑制振动；iii.调整压下负荷分配：作为一个非常灵活的可调工艺手段，过去只是服务于轧机强度冗余度、主电机负荷冗余度、基本凸度比满足板形良好条件；基于自激振动机理模型及临界轧制速度计算模型，压下负荷分配成为一个新的重要的轧机自激振动的防范和抑制技术手段；iv.改善轧制区润滑摩擦：轧制区摩擦与轧制乳化液和轧辊表面粗糙度都相关，而且两者都可以较灵活地调整变化，因此摩擦也可以作为一个离线的轧机自激振动的防范手段，对于非常易于发生自激振动的规格，在其他手段都已用足的时候，通过调整轧制油和轧辊粗糙度来抑制轧机自激振动发生；v.调整前后张力：通过前后张力的适度调整也使得临界轧制速度提高而使发散性的失稳振动得到抑制，但是需要注意的是张力对临界轧制速度的影响不是很大，需要较大幅度的调整张力才能实现抑制目标，而张力的调整幅度要求一般都不是很大，因此通过张力调整来实现对振动抑制有其局限性；vi.前滑值：通过讨论压下负荷分配、摩擦系数及前后张力对临界轧制速度的影响，发现随着出口厚度减小、入口厚度增大、摩擦系数增大、后张力减小、前张力增大，临界轧制速度相应减小，而均伴随着前滑值的增大；也即，前滑值作为一个次生的工艺状态量，无法直接给定或者调整，但是轧机自激振动的发生总是与前滑值的异常增大如影随形，这在理论上提供了一个用于观察、预报、防范轧机自激振动的工艺指标。