熱連軋機軋制油對振動能量影響研究

裴令明

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司 安徽馬鞍山 243021)

1 前言

某廠CSP軋機F3在軋制薄規格帶鋼時經常發生強烈的異常振動，導致軋輥產生振痕如圖1所示。

改變軋制油的濃度[1]后發現振動信號有所變化, 為了對以上現象給與理論上的解釋，利用有限元軟件ANSYS建立了軋機有限元模型，應用功率流分析模塊，研究在考慮潤滑和不考慮潤滑狀態下軋機工作機座的振動能量變化。

圖1 軋輥振痕照片

2 現場測試

測試所選鋼種為Q235B、規格1250×1.8，分為7檔濃度分別為：0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.35%和0.41%。測試結果如表1，0.1%濃度典型的PDA軋制力信號如圖2所示。

為了更清晰起見，將表1制成圖3所示。

表1 不同濃度下的軋制力

圖2 濃度為0.1%時軋制力波形

從圖3中看出：在軋制油濃度較小和較大軋制力作用下，很難形成油膜容易導致油膜破裂；當濃度繼續增加時，油膜逐漸建立，故曲線先升高后下降。

3 軋制油濃度對剛度的影響

熱軋軋制油是由基礎油(礦物油)及部分油性劑和添加劑等組成。而礦物油的有效潤滑溫度范圍一般為0-200℃[2]，含有大量冷卻水的軋制油持續噴入軋輥與帶鋼的接觸處完成冷卻與潤滑作用。

圖3 軋制力隨油濃度變化曲線

經四球機實驗測得軋制油的最大無卡咬荷也即PB值為39kg。采用阿查得計算公式推算此力作用下的油膜厚度：

R1，R2-兩接觸體的曲率半徑，cm；

η0-進口表面溫度下的動力粘度，CP；

α=(0.6+0.965logη0)×10-3-壓力粘度系數，cm2/kg；

W′-接觸點上總負荷；

RX-沿運動方向的綜合曲率半徑；

RY-垂直運動方向綜合曲率半徑。

即當PB值為39kg時，油膜的厚度為0.01390μm，那么可以理解為當油膜厚度為0.01390μm時最大可承受39kg的力。此時可將油膜簡化為一彈簧，那么此彈簧的剛度可理解為：

帶鋼的塑性變形剛度：

當帶鋼與軋輥間有潤滑油進入時，為了方便分析，可將吸入的軋制油假設為彈簧，因此可把輥縫中的帶材剛度和油膜強度形成的剛度看作一個整體。至此分三種情況來討論軋機剛度的改變情況。

1)兩工作輥直接接觸，中間無帶鋼。

2)兩工作輥間彈簧單元的剛度為20MN/mm。

3)兩工作輥間彈簧單元的剛度為11.1MN/mm(加軋制油的狀態)。

以軋輥最大尺寸建立的ANSYS模型如圖4所示。

圖4 無帶鋼軋機ANSYS圖

對此進行模態分析，獲得的前4階固有頻率如表2。

表2 三種情況下的固有頻率(Hz)

由表1可以看出三種工況下的固有頻率依次降低，第一種情況是兩工作輥直接接觸，接觸的剛度可看作兩工作輥接觸剛度。第三種狀態即加潤滑油后的各階固有頻率比第二個只有帶材狀態要小2%左右，故得出軋制油可使軋機整體的剛度減小。

3 基于有限元的軋機功率流分析

振動功率流表示在單位時間內外力所做的功或結構耗散能量的能力[3]。

功率流法不僅考慮了傳輸結構上的力和速度兩個值大小，也涉及到力和速度之間的相位關系，能有效地描述振動能量特性[4]。在彈性體中任取一點，則此點應力狀態可用6個方向的應力分量來表示，即正應力σx、σy、σz和剪切應力τxy、τxz、τyz。取彈性體內任一微元來進行分析，其應力狀態如圖 5所示[3]。

在各種單元形式中實體單元是比較常見的形式，受到廣泛應用。對實體單元來說，流經單位面積上的功率流為：

式中σn-法線n方向上的正應力，Pa；

τn1、τn2-1 和 2 方向上的剪應力，Pa；

vn*、v1*、v2*-法線n方向、1 方向和 2 方向上的復數速度的共軛，m /s2。

圖5 彈性體應力形式

在實體單元上有x、y、z三個方向上的自由度，將單元功率流用應力和位移的有關參數表示為：

式中Px-x方向上功率流，W；

Py-y方向上功率流，W；

Pz-z方向上功率流，W。

據現場測試情況分兩種情況來討論能量。第一種情況：施加F=24000+400sinωt(kN)諧波，不考慮帶鋼和油膜剛度。

圖6 上支撐輥軸承座功率流

第二種情況：施加F=25000+400sinωt(kN)，只考慮帶鋼剛度不考慮油膜剛度，選取和第一種情況相同節點號的位移和應力圖形作功率流圖 (為了便于比較將兩圖放一起)。

圖7 上工作輥軸承座功率流

圖8 下工作輥軸承座功率

結果表明：考慮油膜厚度情況和只有彈簧單元情況相比固有頻率有所增大，而功率流的峰值和系統固有頻率最大值所在頻率相同，故第二種情況下峰值向高頻方向移動，如圖6-圖9所示，并且當濃度增大時，功率流的峰值有不同程度的降低。

圖9 下支撐輥軸承座功率流

4 結論

1)適當增大熱軋軋制油濃度，可形成油膜降低軋制力。

2)所形成油膜剛度與帶材剛度串聯降低軋機剛度。

3)較低的軋制力和剛度使各個部件上功率流所代表的能量都有不同程度的降低，且有潤滑時峰值所在頻率較小。