基于辊系表面润滑机理分析的抑制四辊轧机扭振方法研究

高瑞进

摘  要：本文利用摩擦润滑理论、轧制理论以及流体力学理论建立了辊系表面非稳态润滑模型，确定了入口油膜厚度、辊系表面平面应变条件下的屈服准则、辊系表面出口处的水平应力、X轴单位宽度轧制力、Y轴单位宽度轧制力以及上工作辊的轧制力矩。通过对辊系表面润滑动力学特性进行研究，辊系表面的润滑对轧机振动有很大的影响，辊系表面在欠润滑或过润滑状态下，将会导致轧机的振动，通过改变辊系表面的摩擦润滑条件可以抑制或消除轧机振动，由此，给出了辊系表面润滑装置和基于润滑装置抑制轧机扭振的方法，通过上主传动轴和下主传动轴的扭矩N1的大小，来确定上润滑装置和上驱动电机以及下润滑装置和下驱动电机的动作，从而调节辊系表面的润滑状态和上驱动电机和下驱动电机的输出扭矩，达到抑制高速轧机扭振的目的。

关键词：润滑  轧制理论  辊系  抑制  轧机扭振

中图分类号：TG33                               文獻标识码：A                   文章编号：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

轧机轧制过程中，辊系表面的润滑状态使界面动力学特性十分复杂，辊系表面的润滑行为不仅影响轧机功能的实现，而且通过影响轧机的动力学状态而影响轧制板材质量[1]。辊系表面的动力学特性急剧变化时往往伴随辊系表面润滑行为的突变。轧机辊系表面的润滑行为，在通常情况下是稳定或者渐变的，在特定的环境下 （如：大负荷），辊系表面的润滑行为有可能产生突变，引起辊系表面发生由正常能量传递状态增加了一种吸收能量的奇异行为[2]，此时轧机振动加剧、失稳，当轧机设备轧制过程主传动扭矩在某一速度下出现急剧动荡变化时，辊系表面摩擦力发生交错跳跃，轧机振动加剧，系统被迫停机或发生故障[7]。

1  辊系表面润滑机理分析

轧制过程中，辊系表面的润滑状态多为混合润滑，轧制板材变形区内润滑油膜的厚度是描述辊系表面摩擦状态的一个重要参数，轧制板材与工作辊之间的间隙是润滑油膜受到压力挤压而形成，润滑油膜的压应力分布可由雷诺方程确定[6-8]。式中是入口区内任意一点油膜厚度，是润滑油黏度，t是时间， x是油膜位置的水平投影，是板带和轧辊的平均表面速度。

由雷诺方程根据几何及边界条件可确定入口油膜厚度;变形区油膜厚度与入口油膜厚度需满足流量连续条件，即式中：为变形区油膜厚度;为入口油膜厚度;为入口轧制板材速度;为轧制板材速度;v为轧辊表面线速度，r为压下率[4]。

2  四辊轧机輥系润滑装置

辊系摩擦润及滑行为是影响轧机动力学特性的一个重要因素，是轧机产生自激振动的重要原因，辊系表面的润滑对轧机振动有很大的影响，辊系表面在欠润滑或过润滑状态下[6，8]，将会导致轧机的振动，通过改变辊系表面的摩擦润滑条件可以抑制或消除轧机振动。

辊系润滑装置，如图2和图3所示，上支撑辊1，上工作辊2，下支撑辊3，下工作辊4以及机架，动力传动系统主要包括：上传动主轴8，下传动主轴7，上驱动电机9，下驱动电机10以及减速箱18、联轴器19。润滑装置安装轧机设备上，满足辊系表面轧制过程所需的润滑液膜的状态和以及起到冷却轧辊的作用，润滑装置主要包括包括上润滑装置12和下润滑装置5，上润滑装置12由喷嘴16、润滑液调控部件15、供水管路13、供油管路14、润滑液遮挡板17组成，喷嘴16安装在靠近上支撑辊1的机架上，喷嘴16通过润滑管路和润滑液调控部件12的出口相连，供油管路14和供水管13路分别连接在润滑液调控部件15的入口处，润滑液遮挡板17安装在靠近上工作辊和下工作辊的机架上，润滑液遮挡板17能够防止辊系表面的润滑液的飞溅，造成润滑液的浪费。信号采集处理装置安装在轧机动力传动系统的部件上，信号采集处理装置包括扭矩检测部件6和信号处理单元11，两个扭矩传感器分别安装在上传动主轴8和下传动主轴7上，扭矩检测部件6的作用是实时地检测上下两传动主轴的扭矩，并将信号传递给信号处理单元11，信号处理单元11一方面接收扭矩检测部件6检测到的扭矩信号并进行比较，另一方面将控制信号传递给上润滑装置、下润滑装置和上驱动电机、下驱动电机，从而实时的调节润滑液的喷洒量和驱动电机的扭矩，达到抑制扭矩波动和辊系表面的过润滑或欠润滑而引起的轧机的扭振。

3  辊系表面润滑条件下轧机扭振抑制方法研究

如图4所示，图中N1是扭矩检测部件6中的扭矩传感器检测到的上主传动轴8的扭矩信号，N是上主传动轴8的静态扭矩，在高速轧机正常平稳运转时，静态扭矩值N的大小基本保持不变，安装在上主传动轴8上的扭矩检测部件6，实时地检测到上主传动轴8的扭矩值N1，并将检测到的扭矩信号N1传递给信号处理单元11，通过信号处理单元11中的比较器对扭矩信号N1与静态扭矩N进行比较：当0.8N≤N1≤1.5N时，说明上主传动轴8的扭矩值在轧机正常平稳运转时的范围内，此时，上润滑装置和上驱动电机不需调节，信号处理单元11继续接收并处理扭矩检测部件6检测到的下一扭矩信号;当N1>1.5N时，说明出上主传动轴的扭矩值过大，轧机在非平稳运转，辊系表面处于欠润滑状态，此时，信号处理单元发出信号，上润滑装置12动作，增加润滑液的喷洒量，同时上驱动电机9动作，增大输出扭矩，之后信号处理单元11继续接收并处理扭矩检测部件6检测到的下一扭矩信号;当N1<0.8N时，说明出上主传动轴8的扭矩值过小，轧机在非平稳运转，辊系表面处于过润滑状态，此时，信号处理单元发出信号，上润滑装置12动作，减小润滑液的喷洒量，同时上驱动电机9动作，减小输出扭矩，之后信号处理单元11继续接收并处理扭矩检测部件6检测到的下一扭矩信号。

辊系表面润滑条件下轧机扭振抑制方法，其通过上主传动轴8的扭矩N1的大小，来确定上润滑装置和上驱动电机的动作，从而调节辊系表面的润滑状态和上驱动电机的输出扭矩，达到抑制高速轧机扭振的目的。同样的原理和方法，通过下主传动轴7的扭矩的大小，来确定下润滑装置和下驱动电机的动作，从而调节辊系表面的润滑状态和下驱动电机的输出扭矩，达到抑制高速轧机扭振的目的。

参考文献

[1] 邢俊.宽厚板轧机主传动系统低速扭振现象研究[J].轧钢，2020，37（1）：73-76.

[2] 高崇一，杜国君，李蕊，等.考虑轧机主传动系统扭振的带钢非线性振动研究[J].机械强度，2020，42（2）：260-266.

[3] 张瑞成，杨蔚海，梁卫征，等.板带轧机主传动非线性系统扭振控制[J].控制工程，2018，35（12）：2128-2133.

[4] 何兆奇.轧制界面的摩擦性能对轧机垂扭耦合振动特性的影响[D].武汉：武汉科技大学.2016.

[5] 姜甲浩.基于轧制力和摩擦力非线性约束的轧机辊系稳定性及控制研究[D].秦皇岛：燕山大学，2016.

[6] 王洪涛.轧钢设备的润滑管理探析[J].科技资讯，2016，14（20）：76-77.

[7] 陈雪莲.轧钢机械设备的故障监测与诊断研究[J].科技资讯，2015，13（32）：90-92.

[8] 孙延峰旭.工程机械齿轮减速润滑问题研究[J].科技资讯，2016，14（35）：102-103.