高速板带轧机液压非线性与动态工艺参数耦合颤振机理及其稳定性控制

The roll system flutter of strip and plate mill is a key technical problem that restricts the sustainable and healthy development of iron and steel industry. The essence of roll system flutter in strip and plate mill is the complex dynamic behavior of the rolling system under the effect of multi-factors coupling under the rolling condition of heavy load and high speed. This project intends to start with the nonlinear characteristics of the hydraulic system and the coupling effect of rolling process parameters to establish the roll system flutter model of strip mill under the effect of multi-factor coupling. The incremental harmonic balance method was used to solve the system response under complex external excitation. Based on the influence law of process parameter changes on the amplitude-frequency characteristic and bifurcation characteristic of the system under various working conditions, the flutter mechanism of the roll system of strip and plate mill under the coupling effect was revealed. According to the bifurcation behavior of coupled flutter system of rolling mill with rolling process parameters the bifurcation critical condition of system instability is analyzed. The bifurcation behavior control strategy of coupled flutter system of rolling mill is proposed, and the time-delay feedback controller is introduced to change the dynamic behavior of the system and improve the stability of rolling system essentially. The numerical simulation and field test data are compared to verify the effectiveness of the stability control of the strip mill flutter system. The research results have important theoretical value and practical significance to solve the problem of mill flutter.

板带轧机辊系颤振是制约钢铁产业持续健康发展的关键技术难题。板带轧机辊系颤振实质是强载荷高速度的轧制工况下多因素耦合作用下的轧制系统复杂动力学行为，其难点在于不同因素间的耦合效应对系统的作用机理。本项目拟从液压系统非线性特性与轧制工艺参数的耦合作用入手，建立多因素耦合作用下的板带轧机辊系颤振模型；采用增量谐波平衡法求解复杂外激励下的系统响应，基于多种工况下工艺参数变化对系统幅频特性和分岔特性的影响规律，揭示板带轧机辊系在耦合作用下的颤振机理；根据轧机辊系耦合颤振系统分岔行为随轧制工艺参数的变化规律，解析系统失稳时的分岔临界条件；提出轧机辊系耦合颤振系统分岔行为控制策略，引入时滞反馈控制器以改变系统动力学行为，从本质上提高板带轧机辊系稳定性；对比数值仿真与现场实际测试数据，验证板带轧机颤振系统稳定性控制的有效性。研究成果对解决轧机颤振问题具有重要的理论价值和实际意义。

围绕板带轧机辊系颤振这一制约钢铁产业持续健康发展的关键技术难题。本项目主要考虑液压缸的轧机结构参数和轧件与轧辊之间的轧制过程参数，建立了参数间耦合作用下的非线性垂直振动模型。采用增量谐波平衡法求解系统的幅频曲线，仿真分析不同的轧制速度、前张应力、液压缸无杆腔初始位移对系统幅频特性的影响，并研究前张应力、液压缸无杆腔初始位移这两个参数与轧制速度之间的耦合作用对系统分岔特性的影响。分析了动态间隙影响下的分段非线性弹性力，建立分段非线性弹性力与动态轧制力共同作用下的轧机辊系动力学模型。以轧机实际参数仿真液压油弹性模量变化时辊系的时域特性和频率特性，得到了对辊系振动行为的影响规律。考虑轧制力和轧制力矩的动态变化量，结合轧机辊系垂直振动与主传动系统扭转振动的相互耦合作用，建立了板带轧机垂直-扭转耦合振动模型。采用增量谐波平衡法进行求解，采用轧机实际参数，仿真分析轧制速度、前张应力、压下率的变化对系统幅频特性响应的影响，并且分别研究了以这些参数为分岔参数的系统分岔特性响应。研究结果表明：系统的分岔行为受到前张应力和液压缸无杆腔初始位移的影响比较明显，当前张应力、液压缸无杆腔初始位移过大或过小时，轧制速度的不稳定区间变宽，导致系统动力学行为复杂而不稳定，主传动系统扭转方向产生共振时，工作辊垂直方向产生振动的幅值增大，工艺参数变化会对板带轧机垂直-扭转耦合振动系统的固有频率和振动幅值产生影响；当工艺参数发生波动时，系统的运动状态随之改变，在倍周期运动与混沌运动之间跳变。引入状态反馈控制器，有效的抑制了扭转振动对垂直振动的影响，同时降低了工作辊产生共振时的振动幅值。本项目研究工作可为板带轧机结构参数设计提供理论依据，为轧制工艺参数设定提供技术参考，以提高板带轧制系统稳定性，对提升板带轧制技术水平和轧制产品质量具有重要意义。