中厚板四辊轧机横向振动及仿真分析

中厚板四辊轧机横向振动及仿真分析

刘辉

刘辉

摘要：笔者对中厚板轧机辊系横向振动进行了仿真及对此分析，运用了计算机编程系统，得出了辊系振动系数和固有频率之间的动态特征，结果表明在初始条件下辊系在各个界面的横向运动速度，对于板型板厚的综合控制和及制定板型控制都起着重要的作用，本文研究为轧机辊系的改进提供了参考。

关键词：自由振动；轧机；横向振动；中厚板

对于轧机辊系弹性变形的静态计算有不同的方法，最常用的是弹性基础梁法，除此之外还有有限元法和影响函数等方法，弹性基础梁法是一种解析方法，用于研究辊系的变形特点，该方法为研究和分析轧机系统的动力学特点提供了新的思路，有不少外国学者在这个领域进行的深入的研究并取得了显著的成效，分别建立了不同的模型。其中最为突出的是本城模型，它一支承辊为弹性基础，通过轧制压力来解决工作辊和轧机之间的关系。我们不可否认的是，此种方法仍旧是属于一种静态学的分析，它为我们进行辊系动力学的开展提供了新的思考方向。

1.轧机辊系横向振动模型

学者曾建立了双梁组合系统模型，是研究弹性基础耦合体统的基础，这个基础是两梁之间的接触，通过这个，来研究受迫运动和自由运动。在研究中，我们参考了双梁组合系统模型，又沿用了本城模型的理论，用弹性基础耦合双梁系统来取代辊系系统。我们在前面曾经阐述过，由于在轧制过程中在垂直方向上产生的位移，我们经过研究，将它的外界条件有简支变为弹性支承，并借鉴相应的理论知识，对轧制过程进行分析，引导横向运动的方程理论。

轧机系统的机械部分由一定的元素结合而成，这些元素包括：上下横梁、轴承座、机架和轧辊。如下图所示：

图1四辊轧机

从图中可以看出，是轴承座支承着轧辊，它的位置在两个牌坊中间，弹性连续体是有轴承座和轧辊联系在一起形成的，而辊系则是由支承辊和工作辊之间相互吻合而形成的，板带材与工作辊直接接触，沿宽度方向组合，其产生的轧制力是横向分布的，从而完成对产品的生产轧制过程。

工作辊和支承辊的受力点是不一致的，工作辊受轧制压力的作用，而支承辊受到液压缸下压力的作用，二者都受到了液压缸平衡力的作用，如下图2：根据理论和实践的基础，可以做出这样的推测：辊系是一个等截面梁，它的外部条件是弹力支承，弹性基础是辊间接触，它有一定的弹性系数，由此我们可以说，辊系是一个祸合双梁系统，两端有弹性支承，有一定的弹性基础。我们摒弃了外界因素对辊形横向运动的干扰，应用一定的理论分析辊系横向振动的特点。

图2辊系物理模型

弹性基础是耦合支承辊和工作辊的纽带，二者耦合在一起，振动效果相互影响，而且又都受到弹性支承的约束，有一定的刚度系统，我们将它假设为K。如下图所示，展示了这种振动关系：

图3辊系简化为弹性基础梁模型

假设工作端和驱动端分别收到来自液压缸的两个不同的压力，轧制力会影响工作辊，而压力会影响支承辊，这种公式表达简单，很少会影响到计算结果。

2.自由振动仿真分析

以中厚板冷轧机为研究对象，对其进行数据的仿真模拟，先来设定与其相关的参数信息。

支承辊辊身的长度：2030NM

支承辊的横截面直径：φ1425-1550mm;

工作辊的辊身长度：2030mm

工作辊的横截面直径：φ550-615mm

相应的密度：7.8x103Kg/m3

弹性的模量为：2.1x1011Pa;

本文通过对工作辊和支承辊的直径进行仿真计算，得出了一定的初始条件：如下

笔者利用计算机的编程系统，在系统中输入相关的数据进行运算，得到了关于自由振动的相关模型，并在此基础上，通过运算，得出了关于辊系在横截面上的振动系数和振动频率。利用仿真实验，得出了如上所示的三维振动图表，通过图表可以看到工作辊和支承辊有着几乎相同的振动形式，分别呈现出一次曲线，二次曲线和高次曲线，我们称之为三阶振动曲线，前三阶振动曲线将直接影响着高阶主振型的振幅，如果中部和两边的振动幅度较大，可能会对板带的产品的质量产生一定的影响，导致中部和边缘出现问题，导致震颤的出现，这收到振动频率和阶数的影响且呈现出正向关系。下面我们可以参照如下的图表：

图4四辊轧机辊系自由振动三维图

3.讨论及结论

本文结合弹性支承的原理，建立了辊系横向振动的模型，将辊系系统进行简化，用祸合双梁系统取代了辊系系统，并将其外部条件进行改良，用弹性支承来代替原有的简支，可以将机架和液压缸针对轧辊的作用来替代。想要得到辊系横向自由振动的基本方程式，我们就应该对模型进行透彻的力学分析和求解，经过一系列的精密计算，得出了辊系横向振动的振型系数和自然频率，从研究结果可以看到，各个阶数对辊系横向振动的影响不同，纵观这些结果，我们知道，它的阶数越高，对振动的影响就越小，呈现出反向关系，它的主要着力点是中部和两端，横向振动的主体方向是由各个模态进行叠加的结果而决定的。

四辊轧机的各阶振动的特点各有差别，它的第二阶振型是一种复合振动，既包括垂直振动有包括水平振动，且垂直振动的强度要高于水平振动，在垂直方向上的振动，表现为上、下辊系的相向运动，这种振动的方向是上辊系向下而下辊系向上。其水平方向的振动基本上处于一种平衡状态，振幅均很小，但是各个辊系的水平振幅是有差异的，由上支承辊到下支承辊，振动强度逐渐减弱，下支承辊的水平振动最弱。第三阶的振型要比第二阶的振型复杂，着这种复合振型取决于来自交叉、垂直、水平、扭转等种种力的影响，从振型图中看出，水平方向的振动要比垂直方向的振动弱，在垂直方向上，除了可以显示出通第二阶相似的振动模式，上辊系和下辊系之间还存在一种摇摆震动，在水平方向上的振动，下工作辊的水平振动最弱，上工作辊的水平振动最弱，由于他们之间存在着振动幅度的差异，在上、下工作辊之间还存在着交叉振动。

除此之外，还有第四阶振型，它的振动趋势取决于垂直振动和水平振动的幅度，它们的振幅是不同的，水平振动的强度较大，而垂直振动的强度较小，在垂直方向的振动方向是上下工作辊之间的对向运动，指的是下工作辊的振动方向向上，而上工作辊的振动方向向下，不仅如此，它们之间还存在着摆动，但这种摆动的强度并不大，在水平方向上的振动属于一种同向振动，振动的方向是一致的，它与第三阶振动的差别在于交叉振动是不明显的，辊系在使用中产生的水平振动、交叉振动、垂直振动和摇摆振动分别属于横向振动和纵向振动，由于这些振动的存在，在实际的轧制过程中都可能是辊缝发生改变，影响轧件的质量和厚度，低固有频率在四辊轧机中是诱发自激振动的原因，在实际的轧制工作中，必须熟悉掌握这些振动效果的原理，摒弃不利的因素，深入的分析各种有利的因素，并将其合理的应用于生产实践的过程中，从而提高产品的质量。

参考文献

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