郑见等：轧辊偏移条件下六辊轧机的板形调控特性 ·1189· 相对于不偏移轧制过程更为复杂山.目前六辊轧机主 要.轧辊偏移辊系受力情况如图1所示，中间辊轴心 要采用中间辊偏移的方案来保持辊系稳定.侯锦等] 或工作辊轴心向轧机入口或出口方向的偏移量为e, 对采用中间辊偏移方案的六辊轧机辊系稳定性进行了 忽略轧辊轴承座与机架间的摩擦力，则工作辊和中间 理论分析：徐涛等]对六辊轧机平整极薄板时中间辊 辊轴承处分别受水平反力F,和F,的作用. 偏移辊系进行了受力分析，并讨论了中间辊挠度对辊 在图1中，F、F2、F分别为工作辊、中间辊和支撑 系稳定性的影响：常安等[)分析六辊冷轧单机架在存 辊在水平方向的受力：Fw为工作辊弯辊力；Fm为中间 在中间辊偏移条件下的辊系受力情况，利用影响函数 辊弯辊力：P为轧制力与张力的合力；T,为前张力，T。 法对其进行计算，比较考虑轧辊偏移和未考虑偏移两 为后张力：e为轧辊偏移距离：N,为工作辊与中间辊相 种条件下辊间压力的区别：刘洋等运用LS-DYNA 互作用力：a为P方向与垂线方向夹角；P,为N,方向 有限元软件对UCM轧机中间辊偏移进行板形调控能 与工作辊和中间辊轴心连线的夹角；y,为工作辊和中 力分析，比较了中间辊不偏移轧制与正反向偏移轧制 间辊轴心连线与垂线方向夹角；N2为中间辊与支撑辊 对板形调控特性的影响.另外，六辊轧机也可以采用 相互作用力：2为N2方向与支撑辊和中间辊轴心连线 工作辊偏移方案.Allwood6基于冷轧带钢轧制数学模 的夹角：Y,为支撑辊和中间辊轴心连线与垂线方向夹 型研究了六辊轧机工作辊水平偏移条件对轧机板形调角：为轧辊轴承的摩擦系数；k,、k分别为工作辊与中 控性能的影响.可见，目前研究多侧重中间辊或工作 间辊及支撑辊与中间辊的滚动摩擦系数：N为支撑辊 辊单一偏移条件下对板形调控性能的影响，且分析过 在垂直方向的受力；R。、R、R分别为工作辊、中间辊 程假设较多，需要建立更精确的模型以真实地反映复 和支撑辊的半径；P。P1PB分别为工作辊、中间辊和支 杂辊系的受力变形，实现中间辊偏移与工作辊偏移对 撑辊的辊颈摩擦圆半径. 轧机板形调控性能影响的差异分析. 当给轧机施加工作辊弯辊力与中间辊弯辊力时， 随着板形机理研究的不断深入以及控制精度要求 各辊系间相互作用力和水平方向相互作用力分别 的不断提高，建立能够更加符合实际轧制工况的辊系- 如下. 轧件耦合模型成为当前研究的首要任务.目前建立辊 中间辊正向偏移轧制时： 系-轧件耦合模型有两种方法，一种是分别建立辊系 N=P+Fw ;N2 N3 =P+F+F (1) 变形模型与轧件变形模型-]，然后根据接触力和变 F.pat8(e) 形的协调关系对两个模型进行相互迭代计算，此类方 法计算速度快但过多的假设条件会影响计算精度，并 +与+R++++R十R) 且该方法不便于考虑轧辊偏移的情况，因此无法直接 R1-P1 采用.另一种是基于ANSYS、ABAQUS等常用有限元 (2) 软件建立辊系-轧件一体化耦合模型-，建模过程 F2=N1(p1+y1)+N2(P2+Y2)= 中可将轧件视为弹塑性或刚塑性材料，轧辊视为弹性 N(作+。+Re:+Y++D+。 体，二者通过设置接触条件进行耦合)，该方法计算 R1-P1 R+E, 时间长，只适合离线仿真分析，但能够精确地模拟复杂 作x) e (3) 的现场工况与多变的工艺参数.考虑到本文研究对象 F3=N2(P2+Y2)= 的复杂性，故采用后种方法. 本文以某厂UCM轧机冷轧薄带钢生产过程为研 N2 k2+(1+Y)P+e RB-PB Rg +R (4) 究对象，对不同轧辊偏移条件下轧机辊系进行受力分 ,为带钢不受张力时轧制力与垂线的夹角. 析，考虑到模型的对称性，运用ABAQUS有限元软件 中间辊反向偏移轧制时： 建立了1/2辊系-轧件显式动力学耦合模型，研究 N、N2N,表达式与(1)式相同， UCM轧机在不同轧辊偏移条件下轧机板形调控特性 F,=N,(Y1-P)-Pa= 的差异 (R4++R+-p 1轧辊偏移对辊系变形的影响 R1+P1 ,T-To） 1.1轧辊偏移受力分析 P(+2P) (5) 从理论上分析不同轧辊偏移条件下辊系受力情况 F2=N(y1-P)+N2(y2-P2)= 及偏移轧制特点，对于建立精确的有限元模型和对比 ek+k3+R3+(Y+2-9,)P） 不同轧辊偏移条件下对板形调控性能的影响是很有必 N:Ry +R: R1+P1郑 见等: 轧辊偏移条件下六辊轧机的板形调控特性 相对于不偏移轧制过程更为复杂[1] . 目前六辊轧机主 要采用中间辊偏移的方案来保持辊系稳定. 侯锦等[2] 对采用中间辊偏移方案的六辊轧机辊系稳定性进行了 理论分析;徐涛等[3]对六辊轧机平整极薄板时中间辊 偏移辊系进行了受力分析,并讨论了中间辊挠度对辊 系稳定性的影响;常安等[4] 分析六辊冷轧单机架在存 在中间辊偏移条件下的辊系受力情况,利用影响函数 法对其进行计算,比较考虑轧辊偏移和未考虑偏移两 种条件下辊间压力的区别;刘洋等[5] 运用 LS鄄鄄 DYNA 有限元软件对 UCM 轧机中间辊偏移进行板形调控能 力分析,比较了中间辊不偏移轧制与正反向偏移轧制 对板形调控特性的影响. 另外,六辊轧机也可以采用 工作辊偏移方案. Allwood [6]基于冷轧带钢轧制数学模 型研究了六辊轧机工作辊水平偏移条件对轧机板形调 控性能的影响. 可见,目前研究多侧重中间辊或工作 辊单一偏移条件下对板形调控性能的影响,且分析过 程假设较多,需要建立更精确的模型以真实地反映复 杂辊系的受力变形,实现中间辊偏移与工作辊偏移对 轧机板形调控性能影响的差异分析. 随着板形机理研究的不断深入以及控制精度要求 的不断提高,建立能够更加符合实际轧制工况的辊系鄄鄄 轧件耦合模型成为当前研究的首要任务. 目前建立辊 系鄄鄄轧件耦合模型有两种方法,一种是分别建立辊系 变形模型与轧件变形模型[7鄄鄄10] ,然后根据接触力和变 形的协调关系对两个模型进行相互迭代计算,此类方 法计算速度快但过多的假设条件会影响计算精度,并 且该方法不便于考虑轧辊偏移的情况,因此无法直接 采用. 另一种是基于 ANSYS、ABAQUS 等常用有限元 软件建立辊系鄄鄄 轧件一体化耦合模型[11鄄鄄14] ,建模过程 中可将轧件视为弹塑性或刚塑性材料,轧辊视为弹性 体,二者通过设置接触条件进行耦合[15] ,该方法计算 时间长,只适合离线仿真分析,但能够精确地模拟复杂 的现场工况与多变的工艺参数. 考虑到本文研究对象 的复杂性,故采用后种方法. 本文以某厂 UCM 轧机冷轧薄带钢生产过程为研 究对象,对不同轧辊偏移条件下轧机辊系进行受力分 析,考虑到模型的对称性,运用 ABAQUS 有限元软件 建立了 1 / 2 辊系鄄鄄 轧件显式动力学耦合模型,研究 UCM 轧机在不同轧辊偏移条件下轧机板形调控特性 的差异. 1 轧辊偏移对辊系变形的影响 1郾 1 轧辊偏移受力分析 从理论上分析不同轧辊偏移条件下辊系受力情况 及偏移轧制特点,对于建立精确的有限元模型和对比 不同轧辊偏移条件下对板形调控性能的影响是很有必 要. 轧辊偏移辊系受力情况如图 1 所示,中间辊轴心 或工作辊轴心向轧机入口或出口方向的偏移量为 e, 忽略轧辊轴承座与机架间的摩擦力,则工作辊和中间 辊轴承处分别受水平反力 F1和 F2的作用. 在图 1 中,F1 、F2 、F3分别为工作辊、中间辊和支撑 辊在水平方向的受力;FBW为工作辊弯辊力;FBI为中间 辊弯辊力;P 为轧制力与张力的合力;T1为前张力,T0 为后张力;e 为轧辊偏移距离;N1为工作辊与中间辊相 互作用力;琢 为 P 方向与垂线方向夹角;渍1 为 N1 方向 与工作辊和中间辊轴心连线的夹角;酌1为工作辊和中 间辊轴心连线与垂线方向夹角;N2为中间辊与支撑辊 相互作用力;渍2为 N2方向与支撑辊和中间辊轴心连线 的夹角;酌2为支撑辊和中间辊轴心连线与垂线方向夹 角;滋 为轧辊轴承的摩擦系数;k1 、k2分别为工作辊与中 间辊及支撑辊与中间辊的滚动摩擦系数;N3为支撑辊 在垂直方向的受力;RW 、RI、RB分别为工作辊、中间辊 和支撑辊的半径;籽W 、籽I、籽B 分别为工作辊、中间辊和支 撑辊的辊颈摩擦圆半径. 当给轧机施加工作辊弯辊力与中间辊弯辊力时, 各辊系间相互作用力和水平方向相互作用力分别 如下. 中间辊正向偏移轧制时: N1 = P + FBW ;N2 = N3 = P + FBW + FBI . (1) F1 = P琢 + N1 (渍1 + 酌1 ) = P ( 琢0 + T1 - T0 2 ) P + N1 ( k1 + k2 + RI渍2 + (酌1 + 酌2 + 渍2 )籽I RI - 籽I + e RW + R ) I . (2) F2 = N1 (渍1 + 酌1 ) + N2 (渍2 + 酌2 ) = N1 ( k1 + k2 + RI渍2 + (酌1 + 酌2 + 渍2 )籽I RI - 籽I + e RW + R ) I + N2 ( k2 + (1 + 酌2 )籽B RB - 籽B + e RB + R ) I . (3) F3 = N2 (渍2 + 酌2 ) = N2 ( k2 + (1 + 酌2 )籽B RB - 籽B + e RB + R ) I . (4) 琢0为带钢不受张力时轧制力与垂线的夹角. 中间辊反向偏移轧制时: N1 、N2 、N3表达式与(1)式相同, F1 = N1 (酌1 - 渍1 ) - P琢 = N1 ( e RW + RI - k1 + k2 + RI渍2 + (酌1 + 酌2 - 渍2 )籽I RI + 籽 ) I - P ( 琢0 + T1 - T0 2 ) P . (5) F2 = N1 (酌1 - 渍1 ) + N2 (酌2 - 渍2 ) = N1 ( e RW + RI - k1 + k2 + RI渍2 + (酌1 + 酌2 - 渍2 )籽I RI + 籽 ) I + ·1189·