基于辊系刚柔耦合特性的板带轧机系统动力学机理及其应用

Metal plate plays a very important role in the national economy and national defense modernization. Rolling process is a typical complex nonlinear dynamic process, the dynamic characteristic is composed of mill roll system and moving plate with different physical properties of movement determined by interaction. This application makes 6-high tandem cold mill as the research object, by analyzing the motion characteristics and coupling relationship of rolling rolls, strip, revealing the strip rolling mill's dynamic mechanism based on the rigid-flexible coupling characteristic of roll system, set up the corresponding dynamic model, and on the basis of simulation analysis, to develop the corresponding dynamic controller. Key science problems have to be solved: considering the coupling relation include the workpiece's three-dimensional plastic deformation in roll gap and the roll system and stip's motion characteristics, a comprehensive analysis of the coupling law between rigid motion and elastic deformations of plate and strip. The application from the physical, mechanical properties of point of view, combined with the strip - roll system coupled inhomogeneous deformation, truly reflects the dynamic characteristics of the rolling mill and metal plate, reveals the rolling stability, the strip surface ripples, bite mechanism of steel cast steel dynamic process. Coupling dynamic model to promote the development of the mill dynamic modeling of the system, has important theoretical and practical value to improve the precision of rolling process control.

金属板带在国民经济和国防现代化建设中起着非常重要的作用。轧制过程是一个典型的复杂非线性动态过程，其动力学特性是由轧机辊系和运动板带的不同物理属性的运动通过相互耦合作用而决定的。本申请以六辊冷连轧机组为研究对象，通过分析轧制过程中辊系、板带的运动特征及其耦合关系，揭示基于辊系刚柔耦合特性的板带轧机系统动力学机理，建立相应动力学模型,并在此基础上进行仿真分析，开发相应的动态控制器。拟解决的关键科学问题：考虑辊缝内金属三维塑性变形与辊系和板带运动特征的耦合关系，综合分析辊系及板带的刚性运动和柔性变形之间的耦合作用规律。本申请从物理、力学特性的角度出发，结合轧件-辊系耦合非均匀变形，真实的反映出轧机辊系和金属板带动态特性，揭示了轧制过程中轧制稳定性、带钢表面振纹、咬钢抛钢等动态过程的产生机理。耦合动力学机理模型对推动轧机系统动态建模的发展，提高轧制过程控制精度具有重要理论和实用价值。

高速板带轧机稳定运行和振动问题是长期困扰钢铁企业的重大技术难题，其关键科学问题在于板带轧机动力学模型体系构建。本项目建立了基于辊系刚柔耦合特性的轧机系统动力学模型体系，主要研究成果有：（1）建立了基于板厚控制的轧机系统刚性振动耦合动力学模型，包括考虑弧形齿动特性的轧机传动系统动力学模型，轧机辊系刚性摆动动力学模型，运动板带耦合动力学模型，以及板带轧机系统刚性耦合动力学模型。（2）基于Euler运动梁理论和Poisson-Kirchhoff薄板理论分别建立了轧制过程运动带钢二维动力学模型和三维动力学模型，研究了轧制速度、不同张应力和不同形式张应力时运动板带的稳定性，求得了临界轧制速度。（3）考虑轧机系统沿垂直、水平方向的刚性振动、轧辊沿轴线方向的弯曲变形运动，以及板带刚性运动和柔性变形之间的耦合效应，建立了基于板形控制的轧机系统耦合动力学模型，深入地分析了轧机系统刚性振动对轧辊弯曲变形运动的影响。（4）考虑轧辊横向柔性变形运动与变形区内金属横向流动之间的耦合效应，建立了板带轧机辊系-轧件多参数耦合动力学模型，得到了轧机辊系-轧件耦合运动模态和变形区内金属横向流动位移的运动特征。（5）综合考虑轧机辊系的弯曲运动、垂直运动、水平运动、旋转运动和带钢的刚性运动及弹性变形，构建了基于刚柔耦合特性的轧机系统动力学模型体系，该模型体系能够求得各时刻轧机系统刚性振动和弯曲振动的动态响应特性，即可得到反映板形板厚特性的综合动态信息，为在线板形板厚控制系统开发提供了平台。（6）研究成果实现了工业应用：基于建立的板带轧机模型体系，研究了轧机振动机理，并提出了有效的抑振措施；研究了轧机辊系的辊径匹配对轧机稳定性的影响，提出了考虑生产过程稳定性的配辊策略。本项目的研究为轧机系统的稳健控制和板形板厚的精准控制提供了模型基础，推动了轧机系统动力学模型理论体系创新和冶金机械学科发展。