轧机整体耦合建模问题研究

轧机整体耦合建模问题研究

樊卫

(南京钢铁联合有限公司宽厚板厂江苏南京210035)

摘要：轧机整体耦合建模问题一直是人们研究的重要课题。建立有效的轧机系统动力学模型是研究轧机振动问题的基础，而已有的研究在轧机系统耦合建模方面仍存在着许多不足。通过分析轧机不同类型振动产生的机理及其相互关系，建立能够表征板带轧机垂直-水平-扭转以及轧件水平颤振的耦合振动结构模型；基于Bland-Ford-Hill轧制力模型，并进一步考虑振动状态下辊缝动态变化的影响，建立动态轧制过程模型；在此基础上，将动态轧制力及动态轧制力矩作为反馈激励源，作用于轧机振动结构模型，构建全新的动态轧制过程与轧机系统结构相耦合的轧机颤振整体耦合动力学模型。通过将所建模型的仿真结果与2030冷连轧机组振动测试数据的对比，验证此模型的正确性和有效性。结果表明，轧机颤振整体耦合动力学模型能够合理表征振动过程中轧机系统结构和轧制过程的耦合关系，为深入研究轧机综合振动特性提供理论基础。

关键词：整体建模；轧机；辊缝；动态轧制；耦合振动

引言

半个多世纪来，轧机振动一直是钢铁产业界关注的问题，也是世界轧制生产中普遍存在和亟待解决的难题。随着轧机装备水平的不断提高及研发薄规格高强钢产品的增多，轧机振动出现了许多新问题，国际轧钢界针对此类问题进行了种种研究。在现代轧制过程中，轧机常呈现轧机颤振、带钢表面振纹、轧辊表面印痕和轧机发散振动等多种不同的振动形态，出现不确定性、不明原因的振动现象。故很难用统一的振动理论来解释现代轧机出现的振动现象，被学术界称之为“幽灵式”振动。轧机涵盖机械、工艺、液压、电气、自动控制、信息科学和计算机技术等诸多学科，由多种学科领域和技术相互渗透、融合而成，其动力学性能和稳定性至关重要，将直接影响系统工作的性能和产品质量。因此，轧机在轧制过程中除了可能会发生主传动系统的扭转振动、垂直系统和横向振动外，还伴随着复杂的耦合振动。轧机系统振动不仅使带钢表面出现振痕，会造成带钢厚度公差超出允许范围，也会在工作辊表面和支承辊表面产生振纹后加剧振动，影响后续带钢的轧制。严重时会引起堆钢和断带事故，造成废钢，同时还会损坏轧机机械零部件和电气设备，进而引发严重生产事故，严重地影响设备效能的发挥和连续生产，降低带钢的产量和生产率。因此，轧机耦合振动问题被众多研究学者所关注，研究轧机动力学系统振动的产生机理、振动特性及其控制措施，是冶金行业所面临的重要课题。国内外许多学者和工程技术人员已经意识到轧机系统存在着多态多重耦合振动问题，试图对其动力学行为与抑制等问题进行深入研究。但由于涉及到多学科交叉和强耦合、强非线性的性质，虽然轧机子系统的动力学特性研究已取得了很大进展，但是无论在动力学基础理论研究方面还是在轧钢生产应用方面都存在许多有待研究的问题。特别是在轧机系统动力学全局建模、多学科并行设计和以及多重多态耦合动力学等问题还需要继续进行全面深入的研究。

1轧机振动研究内容概述

1.1轧机固有力学特性

在研究轧机固有的动力学特性方面，由过去用“弹簧－质量”模型来研究轧机的振型和固有频率发展到用有限元来建立模型并求解模态，使研究方法上了一个新台阶。

1.2轧机振动传递过程

在研究轧机振动传递方面，由过去认为轧机振动是传动系统减速机齿轮、齿轮座齿轮和弧形齿接手等的啮合频率造成轧机振动到引入非线性振动理论来求解振动的传递，使研究的问题变得更加复杂。

1.3轧机振动现象捕捉

在现场轧机振动捕捉方面，由过去采用的以光线示波器和磁带机为代表的临时测试方法发展到用工控机来采集和分析的在线监测系统，使轧机振动现象测试信号更加可靠和精准，分析内容更加丰富，为轧机振动机理研究提供了第一手可靠资料。

1.4轧机振动产生机制

在研究轧机振动机制方面，由过去研究轧机辊缝摩擦可能引发的自激振动发展到非线性动力学的周期分岔、混沌运动等理论上，使理论研究变得更加复杂，甚至难以求解。

1.5抑制轧机振动措施

从抑制轧机振动的角度出发，当轧机振动发生时，只好被迫降速或更换轧辊以及改变工艺状态等来缓解振动，连轧机通常采用的措施是改变辊缝润滑状态和优化配辊原则，达到在较小的程度范围内降低轧机振动的目的。

2轧机振动问题研究展望

2.1试验模态分析

轧机振动固有动力学特性的研究方面，由于存在对轧机结构的熟悉程度和理解水平不同，导致模型的简化和加载存在偏差，以致计算结果与实际产生较大误差，不能真正反映轧机固有的动力学“脾气”。近年来，随着试验模态理论和实用技术的迅速发展，到了用试验的方法来求解轧机模态的时代，但尚有一些需要解决和克服的技术难题。

2.2振动能量传递

轧机的振动能量传递是在非线性系统中进行传播的，过去主要关心振动频率的变化和振动发生后的常规的参数变化规律，但轧机振动是需要很大的能量才能被激发的，因此，轧机振动的能量及大小是如何传递的开始成为研究重点，即研究多大的振动能量才能激发起轧机振动和如何减少轧机振动能量。

2.3耦合振动研究

轧机振动的机制问题一直是轧制领域备受关注的难题，近年来提出了轧机振动存在耦合振动现象。因此，随着耦合振动仿真技术的发展，面临着将轧机的机械、电气、液压和界面（工艺）整体考虑建立一个符合实际的全局仿真模型来求解轧机耦合振动的特征及获得并行设计通用的方法和原则，使轧机在设计时就具有良好的综合动力学特性，即轧机具有更好的“抗振性”。

2.4振动解耦监测

轧机的振动捕捉一般是测量辊系轴承座和牌坊的振动，而轧辊真正的振动却未应用直接测量的办法，随着非接触测量技术的应用，轧辊的真实振动测量得到解决，获得辊系的空间振动及振动轨迹等，使轧机耦合振动现象“暴露”得越来越明显，为理论研究和仿真研究提供现场实测数据。

结语

轧机系统振动研究虽已经经历半个多世纪，但依然是钢铁产业界广泛关注的问题，也是世界轧制生产中普遍存在和亟待解决的难题。近20年来，我国轧机装备水平得到迅速发展，研发的薄规格高强钢产品也逐渐增多，轧机系统振动出现了许多新问题。轧机在轧制过程中除了可能会发生主传动系统的扭转振动和垂直系统和横向振动外，还伴随着复杂的耦合振动。随着大型复杂机电系统动力学理论的不断完善和非线性微分方程理论、数值计算方法及计算机科学技术的蓬勃发展，考虑轧机系统非线性和耦合等因素的影响已成为研究的热点和难点，轧机振动控制更是重点关注的研究方向。

轧机系统动力学模型存在许多不确定参数，其参数往往根据经验选取或经验公式计算得到，特别在考虑到非线性等因素的影响时，所建模型具有很大不确定性。为获取轧机系统模型的参数，系统参数辨识等方法是获取系统模型参数的常用方法，建立更符合工业现场实际工况的轧机系统振动模型是今后研究的重点。同时，运用智能算法控制轧机系统振动能量更是重点的研究方向。

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