含侧隙的热轧机结构非对称振动_王哲.pdf
《含侧隙的热轧机结构非对称振动_王哲.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《含侧隙的热轧机结构非对称振动_王哲.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
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
17、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;为泊松比;P 为稳态轧制力;E 为弹性模量;Bm平均带宽。动态时相关参数变为:hr=hr+2hrihc=hc+hc=hc+2yihz=h0+0.9875(hc-h0)vR=vR+vx+vy=vR+xicos
18、+yisin|(3)式中:hri为上/下工作辊的入口厚度波动量(i=3,5);hc为辊缝厚度波动量;h0为辊缝初始厚度;hr、hc、hz和 vR分别为动态轧制时轧件入口厚度、出口厚度、辊缝厚度和轧辊速度;vx和 vy分别为轧辊水平和垂直方向的速度分量;xi和 yi分别为水平和垂直方向的速度(i=3,5)。对轧件任一微元体的受力进行分析,由 Sims理论和 Orowan 塑性条件15,建立任意断面平衡方程:dpsQ-4()=R12hR1h()d(4)式中:h为任意辊缝厚度,h=hz+R12;Q 为轧件材料参数,Q=1.15s;s为阻力影响参数。基于回弹,对式(4)从入口和辊缝中心向中性点积分、从
19、辊缝中心向出口积分,可得各个区间的单位压力公式:psQ=4lnhhr+R1hzarctanR1hz()-R1hzarctanR1hz()+4psQ=4lnhhz+R1hzarctanR1hz()+4psQ=4lnhhz-R1hzarctanR1hz()+4|(5)中性点处轧制应力相等,由式(5)可以求得中性角:=hzR1tan8hzR1lnhzhr+12arctanhr-hzhz()(6)由于 很小,cos1,则垂直方向轧制力 Py可表示为:Py=QBmR1(0psd+psd+0psd)(7)s=0exp(e1Td+e2)u10()(e3Td+e4)e60.4()e5-(e6-1)0.4|(8
20、)式中:0为基准变形阻力,0=151.4 MPa;e1e6为回归系数,e1=-2.771,e2=3.528,e3=0.1147,e4=-0.0353,e5=0.4537,e6=1.593;Td=(td+273)/1000,为实际温度系数;td为带钢表面温度,;为变形程度,=lnhrhz();u 为轧件变形速度,u=vRxrlnhrhz()-yihzR1arctanR1hz()。对水平方向的轧制应力进行积分,sin,考虑水平张力影响,则水平方向轧制力 Px为:231锻压技术 第 48 卷Px=QBmR1(0psd+psd+0psd)+Hhr-Hhc2(9)式(7)和式(9)表示的轧制力比较复杂,
21、基于泰勒展开原理对水平和垂直方向轧制力 Px和 Py进行非线性化:Py(yi)=Py+Py(yi)=Py+a1yi+a2y2i+a3y3iPy(yi)=Py+Py(yi)=Py+a4yi+a5y2i+a6y3iPy(hri)=Py+Py(hri)=Py+b1hri+b2h2ri+b3h3riPx(xi)=Px+Px(xi)=Px+c1xi+c2x2i+c3x3iPx(xi)=Px+Px(xi)=Px+c4xi+c5x2i+c6x3iPx(hri)=Px+Px(hri)=Px+d1hri+d2h2ri+d3h3ri|(10)式中:Px、Py分别为动态轧制力水平和垂直方向的非线性表达;a1a3、c
22、1c3分别为垂直和水平方向的辊缝厚度变化刚度系数;b1b3、d1d3分别为垂直和水平方向的入口厚度变化刚度系数;a4a6、c4c6分别为垂直和水平方向的轧制速度变化阻尼系数;xi和 yi分别为水平和垂直方向的位移(i=3,5)。2 轧机非对称模型振动特性分析为了便于识别轧机本身的振动特性,对其固有特性和位移特性进行求解和分析,忽略系统阻尼、摩擦和侧隙等因素,建立无阻尼多自由度系统的水平和垂直方向的自由振动:Mxx +Kxx=0Myy +Kyy=0(11)式中:Mx 和 My 分别为水平和垂直方向的质量矩阵;Kx 和 Ky 分别为水平和垂直方向的刚度矩阵 x、y 分别为水平和垂直方向加速度向量;
23、x、y 分别为水平和垂直方向的位移向量。相关参数见表 1,轧机结构对称时取上辊系结构参数,通过 Matlab 数值计算16求得轧机结构非对称和对称时水平和垂直方向各阶固有频率,如表 2和表 3 所示。对比两种模型的固有频率不难发现,相对于非对称模型水平和垂直方向的固有频率,对称模型的表 2 水平方向固有频率(Hz)Table 2 Inherent frequencies in horizontal direction(Hz)阶数12345非对称21.440.251.261.7220.2对称21.222.640.752.2220.2表 3 垂直方向固有频率(Hz)Table 3 Inherent
24、 frequencies in vertical direction(Hz)阶数1234567非对称43.072.097.2188.3195.1218.6240.4对称 42.146.597.1126.7189.3197.2219.4各阶固有频率均有减小,同时,两种模型的固有特性差异主要体现在水平方向的第 24 阶,以及垂直方向的第 2、4、6 和 7 阶,且水平方向非对称性较小,垂直方向差异较大,这与轧机垂直方向结构差异较大相对应。图 3图 6 为轧机系统在水平和垂直方向初始位移均为 2 mm、初始速度均为 2 ms-1时,上/下工作辊振动位移响应仿真结果。可以发现,水平和垂直方向的振动波形
25、均呈现出“拍振”现象,对比两个方向、结构对称与非对称的位移响应,随着结构对称性的提高,系统产生的“拍振”现象有所减弱,系统稳定性相对有所提高。综合固有频率、系统发生共振时的优势频率以及位移响应分析,提高轧机的结构对称性,可降低系统的各阶固有频率,同时轧机系统的稳定性也可得到提高。图 3 水平方向结构非对称时的位移响应(a)x3(b)x5Fig.3 Displacement responses of asymmetric structure in horizontal direction3 轧机耦合非对称振动稳定性分析考虑压下油缸和上/下支撑辊弯曲刚度非线性因素的影响,采用 Duffing 振子
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 含侧隙 轧机 结构 对称 振动 王哲
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。