轧制变形区热润滑粗糙界面的非线性接触振动机理研究

Contact vibration at the interface between the rolling mill and steel strip changes the lubrication states of the interface, and thus significantly influence the surface quality of rolling steel strip or even induce the chatter vibration of rolling mill. The strip rolling interface thus exhibits the characteristics of rough topography, multiple lubrication states and liquid-solid-heat coupling behavior. In this project, the nonlinear contact vibration mechanisms at rough interface with liquid-solid-heat coupling behavior are studied using the method of theoretical analysis, numerical simulation and experimental test. The main research content includes: (1) investigating the method for coupling the temperature heat effect with the lubrication rough interface contact model to establish the essential contact vibration model for rough interface with liquid-solid-heat coupling behavior; (2) establishing the analysis model and proposing the corresponding calculation method for the liquid-solid-heat coupling interface to construct the relationships between contact stiffness and interface damping and the interface property parameters; (3) establishing the nonlinear dynamic motion equations for contact vibration at the interface, proposing the solution method for the nonlinear motion equation to obtain the nonlinear vibration mechanisms and characteristics. The purpose of this project is to reveal the mechanisms of interface behavior which exhibit great effect on the surface quality of steel strip, and to provide theoretical foundations for further surface quality improvement and rolling energy reduction.

板带生产中，轧辊和带钢界面的接触振动引起轧辊-带钢界面润滑状态改变，不仅极大地影响带钢的表面质量，甚至引起轧机的颤振。针对轧制过程轧辊-带钢变形区界面具有粗糙的形貌特征、不同润滑状态、流-固-热多场耦合的特性，采用理论分析、数值模拟和实验验证相结合的方法，对变形区润滑界面的接触振动机理进行研究。主要研究内容包括：（1）研究变形区热效应温度场与润滑接触模型的耦合方法，建立流-固-热多场耦合作用下粗糙界面接触振动基础模型；（2）建立多场耦合分析模型，提出粗糙表面与热润滑油膜之间的流-固-热耦合计算方法，构建界面接触刚度和界面阻尼与界面特性参数之间的非线性映射关系；（3）建立界面接触振动的运动方程，提出多场耦合粗糙界面非线性动力学方程的求解方法，揭示界面的非线性接触振动机理与特性。本研究旨在揭示影响带钢表面质量的界面行为机理，为改善板带表面质量、降低轧制能耗提供理论基础与关键技术。

本项目以轧制工作辊与带钢形成的轧制界面为研究对象，针对其具有粗糙形貌、乳化液润滑、流-固-热多场耦合等特点，研究轧制变形区粗糙界面的接触振动机理和影响带钢表面质量的界面行为机理，为改善板带表面质量、避免轧机颤振提供理论基础与新的思路。主要研究内容包括：（1）研究变形区热效应温度场与润滑接触模型的耦合方法，建立流-固-热多场耦合作用下粗糙界面接触振动基础模型；（2）建立多场耦合分析模型，提出粗糙表面与热润滑油膜之间的流-固-热耦合计算方法，构建界面接触刚度和界面阻尼与界面特性参数之间的非线性映射关系；（3）建立界面接触振动的运动方程，提出多场耦合粗糙界面非线性动力学方程的求解方法，揭示界面的非线性接触振动机理与特性。. 取得的主要进展包括：（1）基于具有自相似和尺度独立的粗糙表面分形模型，建立了基于静平衡位置的弹性粗糙体-刚性平面的粗糙界面接触振动模型，获得了不同界面形貌接触模型的力-变形关系，构造了粗糙接触界面的刚度表达式，研究了粗糙界面接触振动的固有频率和受迫振动响应特性，揭示了粗糙界面接触振动系统的软弹簧非线性特性和受迫振动响应振幅跳跃突变特性的界面行为机理。（2）基于界面的法向载荷由润滑油膜和粗糙体共同承担的载荷分配思想，采用Greenwood-Williamson统计模型描述粗糙表面形貌，考虑界面润滑的时变效应和润滑油的粘-压特性，建立了线接触滑动粗糙界面的油膜厚度方程和粗糙体接触压力方程，获得了整个润滑区的润滑油膜载荷比例因子、油膜厚度和摩擦系数随滑动速度的变化关系，推导了界面由混合润滑过渡为液压润滑的临界速度关系表达式，分析了滑动粗糙界面的润滑承载机理，获得了界面油膜厚度、摩擦系数和临界速度随界面形貌参数、法向载荷、润滑油属性参数的变化规律，为工作辊表面处理和乳化液的配比过程提供理论依据。（3）考虑轧制界面粗糙形貌的影响，建立了轧机辊系系统非线性垂直振动动力学模型，计算了具有不同粗糙表面形貌轧机辊系系统的非线性刚度特性和固有频率特性，并与采用Duffing振子描述界面刚度的传统轧机模型进行了对比，求解了考虑界面粗糙形貌影响的轧机系统主共振幅频特性方程，推导了系统受迫振动响应的跳跃频率和跳跃幅值表达式，分析了轧制界面粗糙形貌、激励载荷、非线性刚度因子和阻尼对轧机辊系系统动力学响应特性的影响，为抑制轧机振动提供有效的理论参考。