轧机工作辊水平非线性振动及智能衬板吸振

doi:10.3901/JME.2024.20.108

机械工程学报 ›› 2024, Vol. 60 ›› Issue (20): 108-119.doi: 10.3901/JME.2024.20.108

扫码分享

轧机工作辊水平非线性振动及智能衬板吸振

和东平^1,2,3, 蒋莉⁴, 徐慧东^1,2, 刘元铭^1,2,3, 王涛^1,2,3

1. 太原理工大学机械工程学院太原 030024;
2. 金属成形技术与重型装备全国重点实验室太原 030024;
3. 海安太原理工大学先进制造与智能装备产业研究院海安 226601;
4. 成都工业学院智能制造学院成都 611730

收稿日期:2024-01-04 修回日期:2024-08-15 出版日期:2024-10-20 发布日期:2024-11-30
通讯作者: 王涛,男,1985年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为轧制工艺及设备。E-mail:tyutwt@163.com
作者简介:和东平,男,1989年出生,博士,助理研究员,硕士研究生导师。主要研究方向为轧机非线性动力学分析及稳定性控制。E-mail:tyuthdp@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(52205404，52375367，51905369);山西省基础研究计划(202203021212293，202203021221054)、海安太原理工大学先进制造与智能装备产业研究院开放(2023HA-TYUTKFYF004)和新疆智能装备研究院定向委托科研(XJYJY2024012)资助项目。

Horizontal Nonlinear Vibration of Mill Work Roll and Intelligent Liner Vibration Absorption

HE Dongping^1,2,3, JIANG Li⁴, XU Huidong^1,2, LIU Yuanming^1,2,3, WANG Tao^1,2,3

1. College of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024;
2. National Key Laboratory of Metal Forming Technology and Heavy Equipment, Taiyuan 030024;
3. Hai'an &Taiyuan University of Technology Advanced Manufacturing and Intelligent Equipment Industrial Research Institute, Hai'an 226601;
4. College of Intelligent Manufacturing, Chengdu Technological University, Chengdu 611730

Received:2024-01-04 Revised:2024-08-15 Online:2024-10-20 Published:2024-11-30

摘要/Abstract

摘要： 板带轧机振动理论的研究对板材的质量和设备的稳定运行至关重要。考虑轧制力的水平动态激励、工作辊轴承座与牌坊之间的非线性阻尼、非线性刚度以及间隙等因素的影响，建立轧机工作辊水平非线性振动分数阶动力学模型。通过平均法求解得到了上工作辊水平非线性振动的幅频特性曲线方程，分析轧制力的水平动态激励幅值、刚度系数、非线性阻尼系数以及分数阶微分项的系数与阶次对系统主共振幅频特性曲线的影响。设计一种用于安装在轧机牌坊和上工作辊轴承座之间的液压智能衬板，运用多尺度法求解得到安装智能衬板系统的幅频特性曲线方程，分析衬板的刚度系数和阻尼系数对幅频特性的影响，通过数值仿真研究智能衬板对水平非线性振动的控制效果，最后通过试验验证智能衬板设计的可行性和正确性，为轧机非线性动力学分析及稳定性控制提供了一种新思路，对现实生产具有重要指导意义。

关键词: 轧机, 水平非线性振动, 分数阶建模, 多尺度法, 智能衬板

Abstract: The vibration theory of strip rolling mill is very important to the quality of sheet metal and the stable operation. Considering the influence of the horizontal dynamic excitation of rolling force, the nonlinear damping, the nonlinear stiffness and the gap between the work roll bearing seat and the bridge, the fractional order dynamic model of the horizontal nonlinear vibration of the work roll is established. The amplitude-frequency characteristic curve equation of the horizontal nonlinear vibration of the upper work roll is obtained by average method. The effects of the horizontal dynamic excitation amplitude, stiffness coefficient, nonlinear damping coefficient and fractional differential coefficient and order of the rolling force on the principal common amplitude-frequency characteristic curve of the system are analyzed. A hydraulic intelligent liner plate is designed to be installed between the mill yard and the bearing seat of the upper work roll. The amplitude-frequency characteristic equation of intelligent liner installation system is obtained by using multi-scale method. The influence of stiffness coefficient and damping coefficient of liner on amplitude-frequency characteristics is analyzed, and the control effect of intelligent liner on horizontal nonlinear vibration is studied by numerical simulation. Finally, the correctness and feasibility of intelligent liner design are verified by experiments, which provides a new idea for nonlinear dynamic analysis and stability control of rolling mill, and has important guiding significance for practical production.

Key words: rolling mill, horizontal nonlinear vibration, fractional modeling, multiscale method, intelligent liner

中图分类号:

TG113

和东平, 蒋莉, 徐慧东, 刘元铭, 王涛. 轧机工作辊水平非线性振动及智能衬板吸振[J]. 机械工程学报, 2024, 60(20): 108-119.

HE Dongping, JIANG Li, XU Huidong, LIU Yuanming, WANG Tao. Horizontal Nonlinear Vibration of Mill Work Roll and Intelligent Liner Vibration Absorption[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2024, 60(20): 108-119.

参考文献

[1] WANG Z，BAO J，TONG J，et al. Study on vibration asymmetry of hot rolling mill with structural gap[J]. Iranian Journal of Science and Technology，Transactions of Mechanical Engineering，2023，47：1223-1234.
[2] ZHANG Y，LIN R，ZHANG H，et al. Vibration prediction and analysis of strip rolling mill based on XGBoost and Bayesian optimization[J]. Complex & Intelligent Systems，2023，9：133-145.
[3] 万晓航. 中厚板轧机振动特性与轧辊磨损评价研究[D]. 西安：西安科技大学，2014. WANG Xiaohang. Study on slab rolling mill vibration characteristic and roller wearing evaluation[D]. Xi’an：Xi’an University of Science and Technology，2014.
[4] 彭艳，石宝东，刘才溢，等. 板带轧制装备-工艺-产品质量综合控制融合发展综述[J]. 机械工程学报，2023，59(20)：96-118. PENG Yan，SHI Baodong，LIU Caiyi，et al. Review of the integrated development of strip rolling equipment-process-product quality control[J]. Journal of Mechanical Engineering，2023，59(20)：96-118.
[5] HE D，XU H，WANG M，et al. Application of dynamic vibration absorber for vertical vibration control of corrugated rolling mill[J]. Journal of Iron and Steel Research，International，2023，30(4)：736-748.
[6] LU X，SUN J，WEI Z，et al. Effect of minimum friction coefficient on vibration stability in cold rolling mill[J]. Tribology International，2021，159：106958.
[7] PATON D L，CRITCHLEY S. Tandem mill vibration：Its cause and control[J]. Iron and Steel Making，1985，12(3)：37-43.
[8] HU P H，ZHAO H Y，EHMANN K F．Third-octave-mode chatter in roiling，part I：Chatter model[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part B：Journal of Engineering Manufacture，2006，220(8)：1267-1277.
[9] DWIVEDY S K，DHUTEKAR S S，EBERHARD P. Numerical investigation of chatter in cold rolling mills [J]. Advanced Structured Materials，2012，16：213-227.
[10] WANG Z，BAO J H，TONG J Y，et al. Study on vibration asymmetry of hot rolling mill with structural gap[J]. Iranian Journal of Science and Technology，Transactions of Mechanical Engineering，2023，47：1223-1234.
[11] SUN C F，ZHAO W，HUANG D，et al. Stability of nonlinear vibrations induced by rolling force in a precise cold mill system[J]. Applied Mathematical Modelling，2023，119：196-217.
[12] 李丽，郝宇超，李震. 组合激励下冷轧机工作辊水平振动特性研究[J]. 振动与冲击，2022，41(16)：135-141. LI Li，HAO Yuchao，LI Zhen. A study on horizontal vibration characteristics of cold rolling mill’s work roll under combined excitation[J]．Journal of Vibration and Shock，2022，41(16)：135-141.
[13] 张瑞成，张世琦，梁卫征. 谐波力矩和辊系偏心影响下轧机水平振动研究[J]. 锻压技术，2023，48(10)：182-191. ZHANG Ruicheng，ZHANG Shiqi，LIANG Weizheng. Study on horizontal vibration for rolling mill under influences of harmonic moment and roll system eccentricity[J]. Forging and Stamping Technology，2023，48(10)：182-191.
[14] 侯福祥，张杰，史小路，等. 单辊驱动平整机水平颤振[J]. 北京科技大学学报，2006，28(10)：973-977. HOU Fuxiang，ZHANG Jie，SHI Xiaolu，et a1. Horizon chatter in a single-roll driving temper rolling mill system[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing，2006，28(10)：973-977.
[15] 范小彬，臧勇，王永涛，等. CSP轧机振动的测试与抑制[J]. 振动、测试与诊断，2007，27(2)：156-158. FAN Xiaobin，ZANG Yong，WANG Yongtao，et al. Test and vibration suppression research of CSP rolling mill[J]. Journal of Vibration，Measurement & Diagnosis，2007，27(2)：156-158.
[16] 范小彬，臧勇，王会刚. 热连轧机水平振动特性研究[J].钢铁，2010，45(9)：62-66. FAN Xiaobin，ZANG Yong，WANG Huigang. Research on hot rolling mill horizontal vibration[J]. Iron and Steel， 2010，45(9)：62-66.
[17] 孙建亮，刘宏民，李琰赟. 热连轧机水平振动及其轧制参数影响关系[J]. 钢铁，2015，50(1)：43-49． SUN Jianliang，LIU Hongmin，LI Yanyun．Horizontal vibration of hot rolling milland its relationship with rolling parameters[J]．Iron and Steel，2015，50(1)：43-49.
[18] 刘彬，姜甲浩，刘飞，等. 基于轧件水平振动的轧机辊系振动补偿模型[J]. 计量学报，2018，39(1)：56-60. LIU Bin，JIANG Jiahao，LIU Fei，et al. Compensative vibration model of roll system based on horizontal vibration of rolled piece[J]. Acta Metrologica Sinica，2018，39(1)：56-60.
[19] LIN R M，NG T Y. Development of a theoretical framework for vibration analysis of the class of problems described by fractional derivatives[J]. Mechanical Systems and Signal Processing，2019，116：78-96.
[20] VARANIS M V，TUSSET A M，BALTHAZAR J M，et al. Dynamics and control of periodic and non-periodic behavior of Duffing vibrating system with fractional damping and excited by a non-ideal motor[J]. Journal of the Franklin Institute，2020，357(4)：2067-2082.
[21] 时培明，焦阳，陈卓，等. 采用分数阶域MFL-Net的机械智能故障诊断方法研究[J]. 动力工程学报，2023，43(10)：1326-1334. SHI Peiming，JIAO Yang，CHEN Zhuo，et al. Study on intelligent fault diagnosis of machinery using MFL-Net in fractional domain method[J]．Journal of Chinese Society of Power Engineering，2023，43(10)：1326-1334.
[22] 孙万泉，王报霞. 分数阶转子-轴承耦合系统非线性动力学分析[J]. 水力发电学报，2024，43(2)：23-32. SUN Wanquan，WANG Baoxia. Nonlinear dynamics analysis of fractional order rotor-bearing coupled systems[J]．Journal of Hydroelectric Engineering，2024，43(2)：23-32.
[23] XIE J，GUO R，REN Z，et al. Vibration resonance and fork bifurcation of under-damped duffing system with fractional and linear delay terms[J]. Nonlinear Dynamics，2023，111(12)：10981-10999.
[24] XIE J，ZHAO F，HE D，et al. Bifurcation and resonance of fractional cubic nonlinear system[J]. Chaos，Solitons & Fractals，2022，158：112053.
[25] ZHANG J，XIE J，SHI W，et al. Resonance and bifurcation of fractional quintic Mathieu–Duffing system[J]. Chaos：An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science，2023，33(2)：023131.
[26] JIANG L，WANG T，HUANG Q. Resonance analysis of horizontal nonlinear vibrations of roll systems for cold rolling mills under double-frequency excitations[J]. Mathematics，2023，11(7)：1626.
[27] JIANG L，WANG T，HUANG Q，et al. Study on chaotic characteristics of horizontal nonlinear roller system with fractional order[J]. Archive of Applied Mechanics，2023，93(6)：2435-2447.
[28] 申光宪，李明，史荣，等. 四辊轧机辊系偏移距机理的不确定性和微尺度静定性[J]. 机械工程学报，2010，46(10)：69-70. SHEN Guangxian，LI Ming，SHI Rong，et al. Indeterminacy of the offset mechanism and microscale static determinacy of roll system in four-high mill[J]. Journal of Mechanical Engineering，2010，46(10)：69-70.
[29] 王涛，黄庆学，申光宪，等. 四辊轧机叼板窜辊问题的解析[J]. 钢铁，2017，52(11)：79-84. WANG Tao，HUANG Qingxue，SHEN Guangxian，et al. Analysis on problem of plate biting and roll shifting in four-high rolling mill[J]. Iron and Steel，2017，52(11)：79-84.
[30] 凌启辉，闫晓强，张清东．双动力源作用下热连轧机工作辊非线性水平振动特性研究[J]. 振动与冲击，2014，33(12)：133-137. LING Qihui，YAN Xiaoqiang，ZHANG Qingdong. Nonlinear horizontal vibration characteristics of working rolls of a hot rolling mill with dual power source[J]. Journal of Vibration and Shock，2014，33(12)：133-137.
[31] 凌启辉，闫晓强，张义方. 热连轧机非线性水平振动抑制研究[J]. 长安大学学报(自然科学版)，2015，35(6)：145-151. LING Qihui，YAN Xiaoqiang，ZHANG Yifang. Research on nonlinear horizontal vibration suppression of the hot continuous rolling mill[J]. Journal of Chang’an University(Natural Science Edition)，2015，35(6)：145-151.
[32] 高亚南，彭艳，孙建亮，等. 1580热连轧机F2精轧机振动综合测试与分析[J]. 钢铁，2013，48(1)：52-58. GAO Yanan，PENG Yan，SUN Jianliang，et al. Vibration comprehensive test and analysis on finisher 2 of 1580 hot strip mill[J]. Iron and Steel，2013，48(1)：52-58.
[33] 闫晓强，杨喜恩，吴先峰. 轧机水平振动侧向液压振动抑制器抑振效果仿真研究[J]. 振动与冲击，2013，32(24)：11-14. YAN Xiaoqiang，YANG Xien，WU Xianfeng，et al. A simulation for hydraulic device vibration-suppression effect on a rolling mill lateral vibration [J]. Journal of Vibration and Shock，2013，32(24)：11-14.

轧机工作辊水平非线性振动及智能衬板吸振

Horizontal Nonlinear Vibration of Mill Work Roll and Intelligent Liner Vibration Absorption

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	和东平, 王涛, 刘元铭, 徐慧东, 王君, 王志华. 板带轧机振动理论研究进展[J]. 机械工程学报, 2024, 60(7): 93-113.
[2]	华长春, 陈佳强, 陈健楠, 陈树宗. 未知扰动下冷轧机扭振自适应预定性能控制[J]. 机械工程学报, 2021, 57(4): 202-209.
[3]	和东平, 王涛, 解加全, 任忠凯, 刘元铭, 马晓宝. 波纹辊轧机辊系主共振分岔控制研究[J]. 机械工程学报, 2020, 56(7): 109-118.
[4]	刘阳, 郜志英, 周晓敏, 张清东. 工业数据驱动下薄板冷轧颤振的LSTM智能预报[J]. 机械工程学报, 2020, 56(11): 121-131.
[5]	武立明, 曹树谦. 转子运动激励下叶片的振动特性分析[J]. 机械工程学报, 2019, 55(19): 92-102.
[6]	冯夏维, 王晓晨, 杨荃, 孙蓟泉. 六辊轧机工作辊辊形边降调控能力分析[J]. 机械工程学报, 2019, 55(12): 83-90.
[7]	彭艳, 牛山. 板带轧机板形控制性能评价方法综述^*[J]. 机械工程学报, 2017, 53(6): 26-44.
[8]	刘锋, 刘辉, 项昌乐, 韩立金, 吴云豪, 展召彬. 基于多尺度法的电机转子在不平衡磁拉力作用下的自由振动特性分析[J]. 机械工程学报, 2017, 53(16): 52-60.
[9]	刘宏民, 刘军, 于丙强, 杨利坡, 张岩. 带钢冷轧机整辊无线式板形仪和智能板形控制系统[J]. 机械工程学报, 2017, 53(12): 87-93.
[10]	郜志英, 白露露, 李强. 薄板冷连轧自激振动的临界轧制速度研究[J]. 机械工程学报, 2017, 53(12): 118-132.
[11]	张义方, 闫晓强, 凌启辉. 多源激励下CSP轧机主传动扭振问题研究[J]. 机械工程学报, 2017, 53(10): 34-42.
[12]	刘洋, 王晓晨, 杨荃, 彭劲松. 万能凸度轧机中间辊偏移板形调控能力分析[J]. 机械工程学报, 2016, 52(4): 82-89.
[13]	朱增宝, 朱如鹏. 封闭差动行星齿轮传动系统啮合刚度振动不稳定性^*[J]. 机械工程学报, 2016, 52(19): 25-33.
[14]	魏立群, 戴志方, 肖壮, 瞿志豪. 高速冷连轧机组的振动与对策研究[J]. 机械工程学报, 2016, 52(11): 88-94.
[15]	刘涛, 崔会宝, 陈刚. 基于阶比跟踪的带钢冷轧过程轧辊偏心信号分析[J]. 机械工程学报, 2015, 51(6): 104-108.