·108 北京科技大学学报 第36卷 550 色定 450 40 350 3) 250 3 20W09 12345 轧制长度/m 300400 5006007008009001000 振动临界速设m·min与 图4正向轧制应力分布 Fig.4 Rolling stress distribution 图6轧件入口厚度、辊缝摩擦因数对临界振动轧制速度的影响 Fig.6 Effect of strip entry thickness and friction coefficient on vibra- tion critical speed 轧机临界振动状态的轧制速度关系.图5为轧辊一 轧件表面粗糙度对轧机系统临界振动速度的影响曲 3 结论 线仿真.由图可见，粗糙度越高，垂向系统的临界振 动速度越高，系统越不容易发生振动.这主要是因 (1)针对高速轧制过程中频繁出现的冷轧机垂 为粗糙度的提高会导致辊缝变形区内部粗糙峰接触 向系统自激振动现象，运用轧制工艺润滑原理以及 区域的增加，从而增加接触界面的剪切应力，提高系 机械振动理论，建立考虑轧辊一轧件接触界面动态 统的稳定性 摩擦方程的冷轧机垂直系统振动模型.该模型包括 21000 辊缝几何形状模型、轧辊一轧件接触界面的动态摩 擦模型、辊缝变形区内的正向轧制应力、摩擦应力分 80 布模型以及轧机垂直结构模型. 60 (2)基于上述理论模型和现场设备及其工艺参 400 数，对单机架铝板冷轧机的动态轧制过程行为进行 模拟仿真.拟合轧制压力曲线、正向轧制应力的跳 20% 468101214 变现象，分析变形区混合摩擦状态、轧件入口厚度、 轧银-轧件表血面粗糙度：m 轧辊一轧件表面粗糙度与系统稳定性的关系，并与 图5轧辊一轧件表面粗糙度对振动临界轧制速度的影响 Fig.5 Effect of strip-toll surface roughness on vibration critical 实际生产数据进行对比，验证本模型的有效性和适 speed 用性.仿真实验结果表明：轧制速度越高，越不利于 系统稳定：轧件入口厚度越薄，越不利于系统稳定： 此外，本文根据铝薄板冷轧机的生产情况，考虑 轧辊一轧件表面粗糙度越高，越利于系统稳定：辊缝 在三种不同的轧辊一轧件摩擦因数下，讨论轧件入 摩擦因数越大，越利于系统稳定 口厚度变化对系统临界振动速度的影响.其中，取 变形区摩擦因数分别为0.05、0.2和0.3，轧件入口 参考文献 厚度分别为2.0、3.5和6.0mm.通过实验仿真可分 [1]Yang X,Tong C N,Meng JJ.Mathematical model of rolling force 别得三条响应曲线（见图6），每条曲线左侧为稳态 in the analysis of cold rolling chatter.J Vib Meas Diagn,2010.30 轧制速度范围，右侧为可能导致系统振荡失稳的非 (4):422 稳态轧制速度范围. (杨旭，童朝南，孟建基.冷板带轧机含振动因素的轧制力模 由图6可知：在不同的辊缝摩擦因数下，轧机系 型.振动、测试与诊断，2010,30(4)：422) 2] Kim Y,Kim C W,Lee S L,et al.Experimental and numerical 统的临界振动轧制速度各不相同，在相同的辊缝润 investigation of the vibration characteristics in a cold rolling mill 滑条件下，轧件入口厚度的增加有利于轧机系统的 using multibody dynamics.ISI/Int,2012,52(11):2042 稳定；相反，轧件越薄，越易导致轧机振动现象的产 ) Chen Y H,Shi T L,Yang S Z.Study on parametrically excited 生，这主要是因为轧件入口厚度的减少会增加轧件 nonlinear vibrations on 4-H cold rolling mills.Chin J Mech Eng 2003,39(4):56 的后张力波动，继而导致轧制力的波动，影响轧机液 (陈勇辉，史铁林，杨叔子.四辊冷带轧机非线性参激振动的 压压下系统的稳定性，引发垂直振动现象，这也是垂 研究.机械工程学报，2003,39(4)：56) 振多在轧制薄规格时出现的原因. [4]Yan X Q,Liu L N,Cao X,et al.Coupling of lateral and torsional北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 4 正向轧制应力分布 Fig． 4 Ｒolling stress distribution 轧机临界振动状态的轧制速度关系． 图 5 为轧辊-- 轧件表面粗糙度对轧机系统临界振动速度的影响曲 线仿真． 由图可见，粗糙度越高，垂向系统的临界振 动速度越高，系统越不容易发生振动． 这主要是因 为粗糙度的提高会导致辊缝变形区内部粗糙峰接触 区域的增加，从而增加接触界面的剪切应力，提高系 统的稳定性． 图 5 轧辊--轧件表面粗糙度对振动临界轧制速度的影响 Fig． 5 Effect of strip-roll surface roughness on vibration critical speed 此外，本文根据铝薄板冷轧机的生产情况，考虑 在三种不同的轧辊--轧件摩擦因数下，讨论轧件入 口厚度变化对系统临界振动速度的影响． 其中，取 变形区摩擦因数分别为 0. 05、0. 2 和 0. 3，轧件入口 厚度分别为 2. 0、3. 5 和 6. 0 mm． 通过实验仿真可分 别得三条响应曲线( 见图 6) ，每条曲线左侧为稳态 轧制速度范围，右侧为可能导致系统振荡失稳的非 稳态轧制速度范围． 由图 6 可知: 在不同的辊缝摩擦因数下，轧机系 统的临界振动轧制速度各不相同，在相同的辊缝润 滑条件下，轧件入口厚度的增加有利于轧机系统的 稳定; 相反，轧件越薄，越易导致轧机振动现象的产 生，这主要是因为轧件入口厚度的减少会增加轧件 的后张力波动，继而导致轧制力的波动，影响轧机液 压压下系统的稳定性，引发垂直振动现象，这也是垂 振多在轧制薄规格时出现的原因． 图 6 轧件入口厚度、辊缝摩擦因数对临界振动轧制速度的影响 Fig． 6 Effect of strip entry thickness and friction coefficient on vibra￾tion critical speed 3 结论 ( 1) 针对高速轧制过程中频繁出现的冷轧机垂 向系统自激振动现象，运用轧制工艺润滑原理以及 机械振动理论，建立考虑轧辊--轧件接触界面动态 摩擦方程的冷轧机垂直系统振动模型． 该模型包括 辊缝几何形状模型、轧辊--轧件接触界面的动态摩 擦模型、辊缝变形区内的正向轧制应力、摩擦应力分 布模型以及轧机垂直结构模型． ( 2) 基于上述理论模型和现场设备及其工艺参 数，对单机架铝板冷轧机的动态轧制过程行为进行 模拟仿真． 拟合轧制压力曲线、正向轧制应力的跳 变现象，分析变形区混合摩擦状态、轧件入口厚度、 轧辊--轧件表面粗糙度与系统稳定性的关系，并与 实际生产数据进行对比，验证本模型的有效性和适 用性． 仿真实验结果表明: 轧制速度越高，越不利于 系统稳定; 轧件入口厚度越薄，越不利于系统稳定; 轧辊--轧件表面粗糙度越高，越利于系统稳定; 辊缝 摩擦因数越大，越利于系统稳定． 参 考 文 献 ［1］ Yang X，Tong C N，Meng J J． Mathematical model of rolling force in the analysis of cold rolling chatter． J Vib Meas Diagn，2010，30 ( 4) : 422 ( 杨旭，童朝南，孟建基． 冷板带轧机含振动因素的轧制力模 型． 振动、测试与诊断，2010，30( 4) : 422) ［2］ Kim Y，Kim C W，Lee S L，et al． Experimental and numerical investigation of the vibration characteristics in a cold rolling mill using multibody dynamics． ISIJ Int，2012，52( 11) : 2042 ［3］ Chen Y H，Shi T L，Yang S Z． Study on parametrically excited nonlinear vibrations on 4-H cold rolling mills． Chin J Mech Eng， 2003，39( 4) : 56 ( 陈勇辉，史铁林，杨叔子． 四辊冷带轧机非线性参激振动的 研究． 机械工程学报，2003，39 ( 4) : 56) ［4］ Yan X Q，Liu L N，Cao X，et al． Coupling of lateral and torsional ·108·