基于工作界面混合润滑作用机理的高速冷轧机多过程耦合结构动力学优化研究

High-speed cold rolling mill is the key equipment of steel rolling production, which plays an important role in the national economy. And the uncertainty and diversity of the form of vibration and the difficulty to accurately find out the reason of the vibration are common problems in the field of the metal plate and strip production in the world. That is the reason we call it ‘phantom vibration’ .Aiming at the vibration problems of the high-speed cold rolling mill with mixed lubrication working interface, a new idea of the structural dynamics optimization of high-speed cold rolling mill is put forward to suppress the vibration: based on the mechanism of mixed lubrication, the responding mechanism of the rolling pressure on the viscosity, density and rheological properties of lubricant oil is revealed. Surface roughness amplitude, density and texture direction are taken into consideration and the mechanism of the contact surface topography on mixed lubrication is systematically studied. Calculating plastic deformation of the contact body based on the reciprocal principle and coupling plastic deformation to the mixed lubrication model for interactive computation, the influences of the plastic deformation of the material on the mixed lubrication is found out. Based on the analysis of the multi-process coupling action of the tribology, dynamics and elastic-plastic deformation on the working interface, the influences of the conditions of the system instability and the behavior of abrupt change of friction are investigated. In view of the analysis of the complicated nonlinear friction characteristics and the stick slip motion characteristics of the rolling interface, the mechanism of the modal coupling flutter of the rolling mill aroused by the dynamic effect of the dynamic friction coefficient is researched. Combing the multi-scale friction and lubrication mechanism and the multi-process coupling system dynamics characteristics of the working interface, a criterion for optimal design of the structural dynamics is proposed to suppress the vibration of this system.

高速冷轧机是轧钢生产核心装备，居我国国民经济重要地位，而轧机系统振动是金属板带生产领域中普遍存在的问题，俗有“幽灵振动”之说。本项目针对混合润滑工作界面高速冷轧机振动问题，提出抑制系统振动的轧机结构动力学优化新思路：基于混合润滑作用机理，揭示轧制压力对润滑油粘度、密度和流变特性的响应机制；分别从表面粗糙度幅值、密度以及纹理方向三方面系统研究接触表面形貌对混合润滑的作用机制；根据互等原理计算接触体塑性变形，将塑性变形耦合到混合润滑模型进行迭代计算，查明材料塑性变形对混合润滑的影响；通过工作界面摩擦学、动力学、弹塑性变形多过程耦合作用分析，探明系统失稳产生条件及摩擦突变行为对其的影响规律；通过轧制界面复杂非线性摩擦特性及粘滑运动特性分析，研究界面动摩擦因素的动态效应所引起的轧机模态耦合颤振作用机理；结合界面多尺度摩擦润滑机理及多过程耦合系统动力学特性，提出抑制系统振动的结构动力学优化设计准则。

高速冷轧机作为现代钢铁工业中的核心设备，在钢铁生产中具有举足轻重的地位。冷轧板带钢是钢铁工业的高端产品，是汽车制造、航空航天、仪器仪表、电力电子、国防军事等行业所必不可少的原材料，其产量、质量和技术水平对国民经济和国防领域中生产技术的发展和进步具有举足轻重的作用。.针对轧机多过程耦合结构动力学优化的基础科学问题，项目按计划完成了：1)基于工作界面混合润滑作用机理，结合实验揭示轧制压力对乳化液黏度、密度和流变特性的响应机制；2)根据互等原理计算接触体的塑性变形，将塑性变形耦合到混合润滑模型进行迭代计算，结合实验查明材料的塑性变形对混合润滑的影响；3)通过工作界面的摩擦学、动力学、弹塑性变形多过程耦合作用分析，探明系统失稳产生的条件及摩擦突变行为对其的影响规律；4)通过工作界面的复杂非线性摩擦特性及粘滑运动特性分析，研究界面动摩擦因素的动态效应所引起的轧机模态耦合颤振作用机理等四项主要研究内容。在项目支持下，四年中，获得省部级科技进步二等奖1项（排名1）、省部级科技进步三等奖1项（排名1），发表SCI/EI期刊论文10篇，已授权发明专利14项。.混合润滑状态是金属轧制过程中最重要的状态。基于具有任意Peklenik表面模式参数的Christensen曲面和流体润滑平均Reynolds方程，构建了轧制过程在混合润滑状态下的数学模型，并利用该模型系统地阐述了油膜厚度随轧制速度和压下率的变化情况，不同压下率下工作界面应力分布情况，不同的压下率和粗糙度排列方式下接触面积和摩擦系数随工作区位置的变化情况。.基于均匀变形理论并考虑轧件加工硬化效应和轧辊弹性压扁效应，建立了轧机动态轧制过程模型，将该模型与轧机机架结构模型耦合建立了以状态空间表示的轧机单机架颤振模型；以单机架颤振模型为基础，结合机架间的张力耦合和轧件厚度波动存在的时滞传递效应，建立了连轧机耦合颤振模型。.针对连轧机系统单机架轧机间的耦合振动现象，考虑轧制过程几何特征、辊缝摩擦力及压应力，建立均匀变形动态轧制过程模型，基于连轧机单机架轧机间耦合振动系统模型，对每个单机架系统和多机架耦合振动系统进行动力学特性分析。.综合运用轧制过程动态轧制力模型、轧机系统分段非线性弹性力模型和分段非线性摩擦力模型，建立了考虑非线性因素耦合的高速冷轧机辊系动力学模型，采用平均法求解幅频响应方程，研究了轧机系统主要参数对轧机垂直振动的影响。