基于輥系表面潤(rùn)滑機(jī)理分析的抑制四輥軋機(jī)扭振方法研究

高瑞進(jìn)

摘? 要：本文利用摩擦潤(rùn)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(rùn)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(guò)對(duì)輥系表面潤(rùn)滑動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究，輥系表面的潤(rùn)滑對(duì)軋機(jī)振動(dòng)有很大的影響，輥系表面在欠潤(rùn)滑或過(guò)潤(rùn)滑狀態(tài)下，將會(huì)導(dǎo)致軋機(jī)的振動(dòng)，通過(guò)改變輥系表面的摩擦潤(rùn)滑條件可以抑制或消除軋機(jī)振動(dòng)，由此，給出了輥系表面潤(rùn)滑裝置和基于潤(rùn)滑裝置抑制軋機(jī)扭振的方法，通過(guò)上主傳動(dòng)軸和下主傳動(dòng)軸的扭矩N1的大小，來(lái)確定上潤(rùn)滑裝置和上驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及下潤(rùn)滑裝置和下驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)作，從而調(diào)節(jié)輥系表面的潤(rùn)滑狀態(tài)和上驅(qū)動(dòng)電機(jī)和下驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出扭矩，達(dá)到抑制高速軋機(jī)扭振的目的。

關(guān)鍵詞：潤(rùn)滑? 軋制理論? 輥系? 抑制? 軋機(jī)扭振

中圖分類(lèi)號(hào)：TG33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(jī)軋制過(guò)程中，輥系表面的潤(rùn)滑狀態(tài)使界面動(dòng)力學(xué)特性十分復(fù)雜，輥系表面的潤(rùn)滑行為不僅影響軋機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)，而且通過(guò)影響軋機(jī)的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)而影響軋制板材質(zhì)量[1]。輥系表面的動(dòng)力學(xué)特性急劇變化時(shí)往往伴隨輥系表面潤(rùn)滑行為的突變。軋機(jī)輥系表面的潤(rùn)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(fù)荷），輥系表面的潤(rùn)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(shí)軋機(jī)振動(dòng)加劇、失穩(wěn)，當(dāng)軋機(jī)設(shè)備軋制過(guò)程主傳動(dòng)扭矩在某一速度下出現(xiàn)急劇動(dòng)蕩變化時(shí)，輥系表面摩擦力發(fā)生交錯(cuò)跳躍，軋機(jī)振動(dòng)加劇，系統(tǒng)被迫停機(jī)或發(fā)生故障[7]。

1? 輥系表面潤(rùn)滑機(jī)理分析

軋制過(guò)程中，輥系表面的潤(rùn)滑狀態(tài)多為混合潤(rùn)滑，軋制板材變形區(qū)內(nèi)潤(rùn)滑油膜的厚度是描述輥系表面摩擦狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，軋制板材與工作輥之間的間隙是潤(rùn)滑油膜受到壓力擠壓而形成，潤(rùn)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(diǎn)油膜厚度，是潤(rùn)滑油黏度，t是時(shí)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(jī)輥系潤(rùn)滑裝置

輥系摩擦潤(rùn)及滑行為是影響軋機(jī)動(dòng)力學(xué)特性的一個(gè)重要因素，是軋機(jī)產(chǎn)生自激振動(dòng)的重要原因，輥系表面的潤(rùn)滑對(duì)軋機(jī)振動(dòng)有很大的影響，輥系表面在欠潤(rùn)滑或過(guò)潤(rùn)滑狀態(tài)下[6，8]，將會(huì)導(dǎo)致軋機(jī)的振動(dòng)，通過(guò)改變輥系表面的摩擦潤(rùn)滑條件可以抑制或消除軋機(jī)振動(dòng)。

輥系潤(rùn)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(jī)架，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括：上傳動(dòng)主軸8，下傳動(dòng)主軸7，上驅(qū)動(dòng)電機(jī)9，下驅(qū)動(dòng)電機(jī)10以及減速箱18、聯(lián)軸器19。潤(rùn)滑裝置安裝軋機(jī)設(shè)備上，滿足輥系表面軋制過(guò)程所需的潤(rùn)滑液膜的狀態(tài)和以及起到冷卻軋輥的作用，潤(rùn)滑裝置主要包括包括上潤(rùn)滑裝置12和下潤(rùn)滑裝置5，上潤(rùn)滑裝置12由噴嘴16、潤(rùn)滑液調(diào)控部件15、供水管路13、供油管路14、潤(rùn)滑液遮擋板17組成，噴嘴16安裝在靠近上支撐輥1的機(jī)架上，噴嘴16通過(guò)潤(rùn)滑管路和潤(rùn)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(rùn)滑液調(diào)控部件15的入口處，潤(rùn)滑液遮擋板17安裝在靠近上工作輥和下工作輥的機(jī)架上，潤(rùn)滑液遮擋板17能夠防止輥系表面的潤(rùn)滑液的飛濺，造成潤(rùn)滑液的浪費(fèi)。信號(hào)采集處理裝置安裝在軋機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的部件上，信號(hào)采集處理裝置包括扭矩檢測(cè)部件6和信號(hào)處理單元11，兩個(gè)扭矩傳感器分別安裝在上傳動(dòng)主軸8和下傳動(dòng)主軸7上，扭矩檢測(cè)部件6的作用是實(shí)時(shí)地檢測(cè)上下兩傳動(dòng)主軸的扭矩，并將信號(hào)傳遞給信號(hào)處理單元11，信號(hào)處理單元11一方面接收扭矩檢測(cè)部件6檢測(cè)到的扭矩信號(hào)并進(jìn)行比較，另一方面將控制信號(hào)傳遞給上潤(rùn)滑裝置、下潤(rùn)滑裝置和上驅(qū)動(dòng)電機(jī)、下驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)潤(rùn)滑液的噴灑量和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩，達(dá)到抑制扭矩波動(dòng)和輥系表面的過(guò)潤(rùn)滑或欠潤(rùn)滑而引起的軋機(jī)的扭振。

3? 輥系表面潤(rùn)滑條件下軋機(jī)扭振抑制方法研究

如圖4所示，圖中N1是扭矩檢測(cè)部件6中的扭矩傳感器檢測(cè)到的上主傳動(dòng)軸8的扭矩信號(hào)，N是上主傳動(dòng)軸8的靜態(tài)扭矩，在高速軋機(jī)正常平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，靜態(tài)扭矩值N的大小基本保持不變，安裝在上主傳動(dòng)軸8上的扭矩檢測(cè)部件6，實(shí)時(shí)地檢測(cè)到上主傳動(dòng)軸8的扭矩值N1，并將檢測(cè)到的扭矩信號(hào)N1傳遞給信號(hào)處理單元11，通過(guò)信號(hào)處理單元11中的比較器對(duì)扭矩信號(hào)N1與靜態(tài)扭矩N進(jìn)行比較：當(dāng)0.8N≤N1≤1.5N時(shí)，說(shuō)明上主傳動(dòng)軸8的扭矩值在軋機(jī)正常平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的范圍內(nèi)，此時(shí)，上潤(rùn)滑裝置和上驅(qū)動(dòng)電機(jī)不需調(diào)節(jié)，信號(hào)處理單元11繼續(xù)接收并處理扭矩檢測(cè)部件6檢測(cè)到的下一扭矩信號(hào);當(dāng)N1>1.5N時(shí)，說(shuō)明出上主傳動(dòng)軸的扭矩值過(guò)大，軋機(jī)在非平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，輥系表面處于欠潤(rùn)滑狀態(tài)，此時(shí)，信號(hào)處理單元發(fā)出信號(hào)，上潤(rùn)滑裝置12動(dòng)作，增加潤(rùn)滑液的噴灑量，同時(shí)上驅(qū)動(dòng)電機(jī)9動(dòng)作，增大輸出扭矩，之后信號(hào)處理單元11繼續(xù)接收并處理扭矩檢測(cè)部件6檢測(cè)到的下一扭矩信號(hào);當(dāng)N1<0.8N時(shí)，說(shuō)明出上主傳動(dòng)軸8的扭矩值過(guò)小，軋機(jī)在非平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，輥系表面處于過(guò)潤(rùn)滑狀態(tài)，此時(shí)，信號(hào)處理單元發(fā)出信號(hào)，上潤(rùn)滑裝置12動(dòng)作，減小潤(rùn)滑液的噴灑量，同時(shí)上驅(qū)動(dòng)電機(jī)9動(dòng)作，減小輸出扭矩，之后信號(hào)處理單元11繼續(xù)接收并處理扭矩檢測(cè)部件6檢測(cè)到的下一扭矩信號(hào)。

輥系表面潤(rùn)滑條件下軋機(jī)扭振抑制方法，其通過(guò)上主傳動(dòng)軸8的扭矩N1的大小，來(lái)確定上潤(rùn)滑裝置和上驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)作，從而調(diào)節(jié)輥系表面的潤(rùn)滑狀態(tài)和上驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出扭矩，達(dá)到抑制高速軋機(jī)扭振的目的。同樣的原理和方法，通過(guò)下主傳動(dòng)軸7的扭矩的大小，來(lái)確定下潤(rùn)滑裝置和下驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)作，從而調(diào)節(jié)輥系表面的潤(rùn)滑狀態(tài)和下驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出扭矩，達(dá)到抑制高速軋機(jī)扭振的目的。

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