基于輥系表面潤滑機理分析的抑制四輥軋機扭振方法研究

高瑞進

摘? 要：本文利用摩擦潤滑理論、軋制理論以及流體力學(xué)理論建立了輥系表面非穩(wěn)態(tài)潤滑模型，確定了入口油膜厚度、輥系表面平面應(yīng)變條件下的屈服準(zhǔn)則、輥系表面出口處的水平應(yīng)力、X軸單位寬度軋制力、Y軸單位寬度軋制力以及上工作輥的軋制力矩。通過對輥系表面潤滑動力學(xué)特性進行研究，輥系表面的潤滑對軋機振動有很大的影響，輥系表面在欠潤滑或過潤滑狀態(tài)下，將會導(dǎo)致軋機的振動，通過改變輥系表面的摩擦潤滑條件可以抑制或消除軋機振動，由此，給出了輥系表面潤滑裝置和基于潤滑裝置抑制軋機扭振的方法，通過上主傳動軸和下主傳動軸的扭矩N1的大小，來確定上潤滑裝置和上驅(qū)動電機以及下潤滑裝置和下驅(qū)動電機的動作，從而調(diào)節(jié)輥系表面的潤滑狀態(tài)和上驅(qū)動電機和下驅(qū)動電機的輸出扭矩，達到抑制高速軋機扭振的目的。

關(guān)鍵詞：潤滑? 軋制理論? 輥系? 抑制? 軋機扭振

中圖分類號：TG33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）08（a）-0100-03

Abstract： On the basis of lubrication and friction theory， rolling theory and hydro-mechanics theory， the unsteady lubrication model of rolling roller system surface is established; The inlet oil film thickness， yield criterion under plane strain condition of rolling roller system surface， horizontal stress at the exit of rolling roller system surface， rolling force per unit width of X-axis， rolling force per unit width of Y-axis and rolling moment of upper work roll were also determined. By studying the surface lubrication dynamics characteristics of the roll system， finds that the lubrication of the rolling roller system surface has a great influence on the vibration of the rolling mill. The vibration of the rolling mill will be caused when the rolling roller system surface is under-lubricated or over-lubricated. The vibration of the rolling mill can be suppressed or eliminated by changing the friction and lubrication conditions of the rolling interfac，rolling Roller system surface lubrication device and method of suppressing rolling torsional vibration based on lubrication device are designed. Through the torque N1 of the upper and lower main drive shafts， the action of the upper lubricating device， the upper driving motor， the lower lubricating device and the lower driving motor are determined， so as to adjust the lubricating state of the rolling roller system surface and the output torque of the upper driving motor and the lower driving motor， so as to restrain the torsional vibration of the high speed rolling mill.

Key Words： Lubrication; Rolling theory; Roll system; Inhibition; Rolling mill torsional vibration

軋機軋制過程中，輥系表面的潤滑狀態(tài)使界面動力學(xué)特性十分復(fù)雜，輥系表面的潤滑行為不僅影響軋機功能的實現(xiàn)，而且通過影響軋機的動力學(xué)狀態(tài)而影響軋制板材質(zhì)量[1]。輥系表面的動力學(xué)特性急劇變化時往往伴隨輥系表面潤滑行為的突變。軋機輥系表面的潤滑行為，在通常情況下是穩(wěn)定或者漸變的，在特定的環(huán)境下 （如：大負荷），輥系表面的潤滑行為有可能產(chǎn)生突變，引起輥系表面發(fā)生由正常能量傳遞狀態(tài)增加了一種吸收能量的奇異行為[2]，此時軋機振動加劇、失穩(wěn)，當(dāng)軋機設(shè)備軋制過程主傳動扭矩在某一速度下出現(xiàn)急劇動蕩變化時，輥系表面摩擦力發(fā)生交錯跳躍，軋機振動加劇，系統(tǒng)被迫停機或發(fā)生故障[7]。

1? 輥系表面潤滑機理分析

軋制過程中，輥系表面的潤滑狀態(tài)多為混合潤滑，軋制板材變形區(qū)內(nèi)潤滑油膜的厚度是描述輥系表面摩擦狀態(tài)的一個重要參數(shù)，軋制板材與工作輥之間的間隙是潤滑油膜受到壓力擠壓而形成，潤滑油膜的壓應(yīng)力分布可由雷諾方程確定[6-8]。式中是入口區(qū)內(nèi)任意一點油膜厚度，是潤滑油黏度，t是時間， x是油膜位置的水平投影，是板帶和軋輥的平均表面速度。

由雷諾方程根據(jù)幾何及邊界條件可確定入口油膜厚度;變形區(qū)油膜厚度與入口油膜厚度需滿足流量連續(xù)條件，即式中：為變形區(qū)油膜厚度;為入口油膜厚度;為入口軋制板材速度;為軋制板材速度;v為軋輥表面線速度，r為壓下率[4]。

2? 四輥軋機輥系潤滑裝置

輥系摩擦潤及滑行為是影響軋機動力學(xué)特性的一個重要因素，是軋機產(chǎn)生自激振動的重要原因，輥系表面的潤滑對軋機振動有很大的影響，輥系表面在欠潤滑或過潤滑狀態(tài)下[6，8]，將會導(dǎo)致軋機的振動，通過改變輥系表面的摩擦潤滑條件可以抑制或消除軋機振動。

輥系潤滑裝置，如圖2和圖3所示，上支撐輥1，上工作輥2，下支撐輥3，下工作輥4以及機架，動力傳動系統(tǒng)主要包括：上傳動主軸8，下傳動主軸7，上驅(qū)動電機9，下驅(qū)動電機10以及減速箱18、聯(lián)軸器19。潤滑裝置安裝軋機設(shè)備上，滿足輥系表面軋制過程所需的潤滑液膜的狀態(tài)和以及起到冷卻軋輥的作用，潤滑裝置主要包括包括上潤滑裝置12和下潤滑裝置5，上潤滑裝置12由噴嘴16、潤滑液調(diào)控部件15、供水管路13、供油管路14、潤滑液遮擋板17組成，噴嘴16安裝在靠近上支撐輥1的機架上，噴嘴16通過潤滑管路和潤滑液調(diào)控部件12的出口相連，供油管路14和供水管13路分別連接在潤滑液調(diào)控部件15的入口處，潤滑液遮擋板17安裝在靠近上工作輥和下工作輥的機架上，潤滑液遮擋板17能夠防止輥系表面的潤滑液的飛濺，造成潤滑液的浪費。信號采集處理裝置安裝在軋機動力傳動系統(tǒng)的部件上，信號采集處理裝置包括扭矩檢測部件6和信號處理單元11，兩個扭矩傳感器分別安裝在上傳動主軸8和下傳動主軸7上，扭矩檢測部件6的作用是實時地檢測上下兩傳動主軸的扭矩，并將信號傳遞給信號處理單元11，信號處理單元11一方面接收扭矩檢測部件6檢測到的扭矩信號并進行比較，另一方面將控制信號傳遞給上潤滑裝置、下潤滑裝置和上驅(qū)動電機、下驅(qū)動電機，從而實時的調(diào)節(jié)潤滑液的噴灑量和驅(qū)動電機的扭矩，達到抑制扭矩波動和輥系表面的過潤滑或欠潤滑而引起的軋機的扭振。

3? 輥系表面潤滑條件下軋機扭振抑制方法研究

如圖4所示，圖中N1是扭矩檢測部件6中的扭矩傳感器檢測到的上主傳動軸8的扭矩信號，N是上主傳動軸8的靜態(tài)扭矩，在高速軋機正常平穩(wěn)運轉(zhuǎn)時，靜態(tài)扭矩值N的大小基本保持不變，安裝在上主傳動軸8上的扭矩檢測部件6，實時地檢測到上主傳動軸8的扭矩值N1，并將檢測到的扭矩信號N1傳遞給信號處理單元11，通過信號處理單元11中的比較器對扭矩信號N1與靜態(tài)扭矩N進行比較：當(dāng)0.8N≤N1≤1.5N時，說明上主傳動軸8的扭矩值在軋機正常平穩(wěn)運轉(zhuǎn)時的范圍內(nèi)，此時，上潤滑裝置和上驅(qū)動電機不需調(diào)節(jié)，信號處理單元11繼續(xù)接收并處理扭矩檢測部件6檢測到的下一扭矩信號;當(dāng)N1>1.5N時，說明出上主傳動軸的扭矩值過大，軋機在非平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，輥系表面處于欠潤滑狀態(tài)，此時，信號處理單元發(fā)出信號，上潤滑裝置12動作，增加潤滑液的噴灑量，同時上驅(qū)動電機9動作，增大輸出扭矩，之后信號處理單元11繼續(xù)接收并處理扭矩檢測部件6檢測到的下一扭矩信號;當(dāng)N1<0.8N時，說明出上主傳動軸8的扭矩值過小，軋機在非平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，輥系表面處于過潤滑狀態(tài)，此時，信號處理單元發(fā)出信號，上潤滑裝置12動作，減小潤滑液的噴灑量，同時上驅(qū)動電機9動作，減小輸出扭矩，之后信號處理單元11繼續(xù)接收并處理扭矩檢測部件6檢測到的下一扭矩信號。

輥系表面潤滑條件下軋機扭振抑制方法，其通過上主傳動軸8的扭矩N1的大小，來確定上潤滑裝置和上驅(qū)動電機的動作，從而調(diào)節(jié)輥系表面的潤滑狀態(tài)和上驅(qū)動電機的輸出扭矩，達到抑制高速軋機扭振的目的。同樣的原理和方法，通過下主傳動軸7的扭矩的大小，來確定下潤滑裝置和下驅(qū)動電機的動作，從而調(diào)節(jié)輥系表面的潤滑狀態(tài)和下驅(qū)動電機的輸出扭矩，達到抑制高速軋機扭振的目的。

參考文獻

[1] 邢俊.寬厚板軋機主傳動系統(tǒng)低速扭振現(xiàn)象研究[J].軋鋼，2020，37（1）：73-76.

[2] 高崇一，杜國君，李蕊，等.考慮軋機主傳動系統(tǒng)扭振的帶鋼非線性振動研究[J].機械強度，2020，42（2）：260-266.

[3] 張瑞成，楊蔚海，梁衛(wèi)征，等.板帶軋機主傳動非線性系統(tǒng)扭振控制[J].控制工程，2018，35（12）：2128-2133.

[4] 何兆奇.軋制界面的摩擦性能對軋機垂扭耦合振動特性的影響[D].武漢：武漢科技大學(xué).2016.

[5] 姜甲浩.基于軋制力和摩擦力非線性約束的軋機輥系穩(wěn)定性及控制研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2016.

[6] 王洪濤.軋鋼設(shè)備的潤滑管理探析[J].科技資訊，2016，14（20）：76-77.

[7] 陳雪蓮.軋鋼機械設(shè)備的故障監(jiān)測與診斷研究[J].科技資訊，2015，13（32）：90-92.

[8] 孫延峰旭.工程機械齒輪減速潤滑問題研究[J].科技資訊，2016，14（35）：102-103.