熱連軋機(jī)軋制油對(duì)振動(dòng)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(jī)F3在軋制薄規(guī)格帶鋼時(shí)經(jīng)常發(fā)生強(qiáng)烈的異常振動(dòng)，導(dǎo)致軋輥產(chǎn)生振痕如圖1所示。

改變軋制油的濃度[1]后發(fā)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)有所變化, 為了對(duì)以上現(xiàn)象給與理論上的解釋，利用有限元軟件ANSYS建立了軋機(jī)有限元模型，應(yīng)用功率流分析模塊，研究在考慮潤(rùn)滑和不考慮潤(rùn)滑狀態(tài)下軋機(jī)工作機(jī)座的振動(dòng)能量變化。

圖1 軋輥振痕照片

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

測(cè)試所選鋼種為Q235B、規(guī)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(cè)試結(jié)果如表1，0.1%濃度典型的PDA軋制力信號(hào)如圖2所示。

為了更清晰起見(jiàn)，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(shí)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(dǎo)致油膜破裂；當(dāng)濃度繼續(xù)增加時(shí)，油膜逐漸建立，故曲線先升高后下降。

3 軋制油濃度對(duì)剛度的影響

熱軋軋制油是由基礎(chǔ)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(rùn)滑溫度范圍一般為0-200℃[2]，含有大量冷卻水的軋制油持續(xù)噴入軋輥與帶鋼的接觸處完成冷卻與潤(rùn)滑作用。

圖3 軋制力隨油濃度變化曲線

經(jīng)四球機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)得軋制油的最大無(wú)卡咬荷也即PB值為39kg。采用阿查得計(jì)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(jìn)口表面溫度下的動(dòng)力粘度，CP；

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

W′-接觸點(diǎn)上總負(fù)荷；

RX-沿運(yùn)動(dòng)方向的綜合曲率半徑；

RY-垂直運(yùn)動(dòng)方向綜合曲率半徑。

即當(dāng)PB值為39kg時(shí)，油膜的厚度為0.01390μm，那么可以理解為當(dāng)油膜厚度為0.01390μm時(shí)最大可承受39kg的力。此時(shí)可將油膜簡(jiǎn)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(dāng)帶鋼與軋輥間有潤(rùn)滑油進(jìn)入時(shí)，為了方便分析，可將吸入的軋制油假設(shè)為彈簧，因此可把輥縫中的帶材剛度和油膜強(qiáng)度形成的剛度看作一個(gè)整體。至此分三種情況來(lái)討論軋機(jī)剛度的改變情況。

1)兩工作輥直接接觸，中間無(wú)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(tài))。

以軋輥?zhàn)畲蟪叽缃⒌腁NSYS模型如圖4所示。

圖4 無(wú)帶鋼軋機(jī)ANSYS圖

對(duì)此進(jìn)行模態(tài)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(tài)即加潤(rùn)滑油后的各階固有頻率比第二個(gè)只有帶材狀態(tài)要小2%左右，故得出軋制油可使軋機(jī)整體的剛度減小。

3 基于有限元的軋機(jī)功率流分析

振動(dòng)功率流表示在單位時(shí)間內(nèi)外力所做的功或結(jié)構(gòu)耗散能量的能力[3]。

功率流法不僅考慮了傳輸結(jié)構(gòu)上的力和速度兩個(gè)值大小，也涉及到力和速度之間的相位關(guān)系，能有效地描述振動(dòng)能量特性[4]。在彈性體中任取一點(diǎn)，則此點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)可用6個(gè)方向的應(yīng)力分量來(lái)表示，即正應(yīng)力σx、σy、σz和剪切應(yīng)力τxy、τxz、τyz。取彈性體內(nèi)任一微元來(lái)進(jìn)行分析，其應(yīng)力狀態(tài)如圖 5所示[3]。

在各種單元形式中實(shí)體單元是比較常見(jiàn)的形式，受到廣泛應(yīng)用。對(duì)實(shí)體單元來(lái)說(shuō)，流經(jīng)單位面積上的功率流為：

式中σn-法線n方向上的正應(yīng)力，Pa；

τn1、τn2-1 和 2 方向上的剪應(yīng)力，Pa；

vn*、v1*、v2*-法線n方向、1 方向和 2 方向上的復(fù)數(shù)速度的共軛，m /s2。

圖5 彈性體應(yīng)力形式

在實(shí)體單元上有x、y、z三個(gè)方向上的自由度，將單元功率流用應(yīng)力和位移的有關(guān)參數(shù)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況分兩種情況來(lái)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(jié)點(diǎn)號(hào)的位移和應(yīng)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(jié)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(tǒng)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(dòng)，如圖6-圖9所示，并且當(dāng)濃度增大時(shí)，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(jié)論

1)適當(dāng)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(lián)降低軋機(jī)剛度。

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