CN111495980B - 冷连轧机组以振动抑制为目标的压下规程设定方法 - Google Patents

Abstract

一种冷连轧机组以振动抑制为目标的压下规程设定方法，属轧制领域。包括收集机组相关参数和带材轧制工艺参数，定义各个机架的振动判断指标，给定以抑制振动为目标的压下规程综合优化目标函数初始设定值，设定压下规程，计算各个机架的咬入角、各机架带钢的入口速度、油膜厚度，以及各个机架工作辊与带钢间的摩擦系数和各个机架的中性角，计算各个机架的振动判断指标，以轧机振动判断指标最优值与实际轧制过程求解的轧机振动判断指标值的均方差最小并兼顾单独各机架最大轧机振动判断指标值也最小为优化目标函数，以中性角为咬入角一半时轧制过程处于欠润滑状态求出振动判断指标的下阀值为约束条件，最终实现对冷连轧机组轧制过程的压下规程的优化。

Description

冷连轧机组以振动抑制为目标的压下规程设定方法

技术领域

本发明属于冷连轧轧制领域，尤其涉及一种适合于冷连轧机组以振动抑制为目标的压下规程设定方法。

背景技术

对于冷连轧机组而言，在高速轧制过程中，轧机振动缺陷频繁出现，不但会削弱轧机共振机械性能，缩减零部件的更换周期，而且也降低了轧制精度，在很大程度上影响了带材成品质量，并成为现场技术攻关的重点与难点所在。

以往，现场一旦出现振动缺陷，就不得不采用降速手段，这也是导致机组轧制速度提不上去的根本原因所在。

然而，对于冷连轧机组而言，由于设备与工艺的特点，是具备抑制振动的潜能的，只是工艺控制不合理才导致产生了轧机振动缺陷，因此，制定合理的工艺控制规范应作为冷连轧机组抑振振动的主要措施手段，而轧机降速只是现场生产处理事故的应急手段而不应是主要手段。

通过理论研究与现场跟踪发现，轧机振动是与中性角大小是直接相关的，若中性角过大，则说明摩擦系数太小，容易引发轧制过程打滑而造成轧机自激振动；若中性角过小，则辊缝间的平均油膜厚度小于所需的最小值，容易致使轧制过程中辊缝中的油膜破裂而引起摩擦系数急剧增大，进而引起轧制压力改变，导致系统刚度发生周期性的波动，同样会引发轧机的自激振动。

由此可见，控制各机架中性角大小是抑制轧机振动的关键所在，对于冷连轧机组工艺控制而言，在其他工艺参数确定的前提下，压下规程的设定直接影响着冷连轧机组各个机架的中性角大小，并且是冷连轧机组的主要工艺控制手段。

授权公告日为2017年1月11日，授权公告号为CN 104785538 B中国发明专利，公开了“一种冷连轧机组极薄带钢轧制的压下规程优化方法”，其使用冷连轧机组控制系统现有的设备参数与工艺参数数据，定义兼顾板形，板凸度和压靠控制的压下规程优化所涉及的过程参数，计算当前压下规程下的优化目标函数，通过计算机程序控制实现压下规程优化，在考虑安全系数的前提下，判断轧制压力、轧制功率、打滑因子、滑伤指数、板形、板凸度和压靠是否超限，实现极薄带钢轧制的压下规程综合优化设定。

授权公告日为2015年6月3日，授权公告号为CN 103357670 B的中国发明专利，公开了一种“适用于五机架UCM机型冷连轧机组的压下规程优化方法”，其首先定义板形偏差系数和凸度偏差系数，再根据现场来料波动情况，给出修正系数的初始值，然后计算当前规程下的最佳工作参数，再输出给相应的机架调节机构，实现压下规程的优化。

明显地，上述两项发明均是以板形、板凸度等控制为目标，实现对压下规程的设定，未涉及到以抑制振动为目标，实现对冷连轧机组压下规程的最优设定，故其技术方案无法达到治理轧机振动缺陷、提高成品带材表面质量的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种冷连轧机组以振动抑制为目标的压下规程设定方法。其以抑制振动为目标，通过对冷连轧机组压下规程的最优设定，实现对轧机振动缺陷的治理、提高冷连轧机组成品带钢的表面质量和轧制过程稳定性，从而给机组带来经济效益。

本发明的技术方案是：提供一种冷连轧机组以振动抑制为目标的压下规程设定方法，其特征是所述的压下规程设定方法至少包括下列步骤：

(a)收集冷连轧机组的设备特征参数；

(b)收集带材的关键轧制工艺参数；

(c)定义各个机架的振动判断指标为ψ_i，且

定义振动判断指标上阈值

定义振动判断指标下阈值

定义振动判断指标最佳值为ψ_0i，

定义各个机架入口厚度为h_0i、出口厚度为h_1i，且压下量为Δh_i＝h_0i-h_1i；

(d)给定冷连轧机组以抑制振动为目标的压下规程综合优化目标函数的初始设定值F₀＝1.0×10¹⁰；

(e)设定压下规程h_0i、h_1i，且h_0i+1＝h_1i；

(f)根据轧制理论，计算当前压下规程下各个机架的咬入角α_i；

(g)根据恒定秒流量原理，计算当前压下规程下各机架带钢的入口速度v_0i；

(h)计算当前压下规程下的油膜厚度ξ_i；

(i)根据摩擦系数u_i与油膜厚度ξ_i之间关系，计算各个机架工作辊与带钢间的摩擦系数

式中，a_i为第i机架液体摩擦系数，b_i为第i机架干摩擦影响系数，B_i为第i机架摩擦因数衰减指数；

(j)计算当前压下规程下各个机架的中性角γ_i，根据轧制理论计算公式如下：

式中，R_i为各个机架工作辊直径，P_i为各机架轧制力，T_0i为各机架带材入口张力，T_1i为各机架带材出口张力；其中，i＝1,2,...,n，代表冷连轧机组的机架序数，n为总机架数；

(k)计算当前压下规程下各个机架的振动判断指标ψ_i；

(l)判断不等式

是否同时成立？若同时成立，则转入步骤(m)；否则，转入步骤(e)；

(m)计算压下规程综合优化目标函数

式中，λ为分配系数，X＝{h_0i,h_1i}为优化变量；其中，i＝1,2,...,n，代表冷连轧机组的机架序数，n为总机架数；

(n)判断不等式F(X)<F₀是否成立？若不等式F(X)<F₀成立，则令

F₀＝F(X)，然后转入步骤(o)；若不等式F(X)<F₀不成立，则直接转入步骤(o)；

(o)判断压下规程h_0i、h_1i是否超出可行域范围，若压下规程h_0i、h_1i超出可行域范围，则转入步骤(p)；若压下规程h_0i、h_1i不超出可行域范围，则转入步骤(e)；

(p)输出最优压下规程设定值

具体的，所述冷连轧机组的设备特征参数，至少包括：各个机架工作辊直径R_i、各机架轧辊表面线速度v_ri、各机架工作辊原始粗糙度Ra_ir0、工作辊粗糙度衰减系数B_L、各机架工作辊换辊后的轧制公里数L_i；

其中，i＝1,2,...,n，代表冷连轧机组的机架序数，n为总机架数。

具体的，所述带材的关键轧制工艺参数，至少包括：工作辊的弹性模量E＝206GPa、工作辊的泊松比ν＝0.3、带钢宽度B、各机架带材入口张力T_0i、各机架带材出口张力T_1i、带钢变形抗力K、各机架轧制力P_i、带材在各机架前入口速度v_0i、乳化液浓度影响系数k_c、润滑剂的粘度压缩系数θ、润滑剂的动力粘度η₀。

进一步的，在定义所述的振动判断指标上阈值

时，以中性角与咬入角重合，作为过润滑临界点；在定义所述的振动判断指标下阈值

时，以中性角为咬入角一半作为欠润滑临界点。

进一步的，计算所述当前压下规程下各个机架的咬入角α_i时，按照下列公式进行计算：

式中，R_i'为第i机架工作辊压扁半径，

其中，P_i为各机架轧制力，B为带钢宽度，ν为工作辊的泊松比。

进一步的，在计算所述各机架带钢的入口速度v_0i时，按照下列公式进行计算：

本发明所述的压下规程设定方法，提出振动判断指标，以轧机振动判断指标最优值与实际轧制过程求解的轧机振动判断指标值的均方差最小并兼顾单独各机架最大轧机振动判断指标值也最小为优化目标函数，并以轧制过程由于中性角与咬入角重合，轧制过程处于过润滑状态求出振动判断指标的上阈值，以中性角为咬入角一半时轧制过程处于欠润滑状态求出振动判断指标的下阈值为约束条件，最终实现对冷连轧机组轧制过程的压下规程的优化。

与现有技术比较，本发明的优点是：

在大量的现场试验跟踪与理论研究的基础上，提出了一种冷连轧机组以振动抑制为目标的压下规程设定方法，针对冷连轧机组的设备特征及轧制工艺特点，给出了以振动抑制为目标的压下规程最优设定值，实现了对轧机振动缺陷的治理、提高了冷连轧机组成品带钢的表面质量和轧制过程稳定性，能给企业带来较大的经济效益。

附图说明

图1是本发明压下规程设定方法的步骤方框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

为了有效的衡量轧机是否出现振动，本发明的技术方案特提出振动判断指标，以轧机振动判断指标最优值与实际轧制过程求解的轧机振动判断指标值的均方差最小并兼顾单独各机架最大轧机振动判断指标值也最小为优化目标函数，并以轧制过程由于中性角与咬入角重合，轧制过程处于过润滑状态求出振动判断指标的上阈值，以中性角为咬入角一半时轧制过程处于欠润滑状态求出振动判断指标的下阈值为约束条件，最终实现对冷连轧机组轧制过程的压下规程的优化。

为了实现上述发明目的，如图1中所示，本发明的技术方案提供了一种冷连轧机组以振动抑制为目标的压下规程设定方法，其发明点在于所述的压下规程设定方法包括下列步骤：

(a)收集冷连轧机组的设备特征参数，至少包括：各个机架工作辊直径R_i、各机架轧辊表面线速度v_ri、各机架工作辊原始粗糙度Ra_ir0、工作辊粗糙度衰减系数B_L、各机架工作辊换辊后的轧制公里数L_i，其中，i＝1,2,...,n，代表冷连轧机组的机架序数，n为总机架数，下同；

(b)收集带材的关键轧制工艺参数，至少包括：工作辊的弹性模量E＝206GPa、工作辊的泊松比ν＝0.3、带钢宽度B、各机架带材入口张力T_0i、各机架带材出口张力T_1i、带钢变形抗力K、各机架轧制力P_i、带材在各机架前入口速度v_0i、乳化液浓度影响系数k_c、润滑剂的粘度压缩系数θ、润滑剂的动力粘度η₀；

(c)定义各个机架的振动判断指标为ψ_i，且

定义振动判断指标上阈值

即中性角与咬入角重合作为过润滑临界点，此时摩擦系数很小，工作辊与带材之间极易发生打滑，进而引起轧机的振动；定义振动判断指标下阈值

即中性角为咬入角一半作为欠润滑临界点，此时工作辊与带材的油膜容易发生破裂，引起摩擦系数突然增大，导致轧制压力异常波动，进而引起轧机的振动；定义振动判断指标最佳值为ψ_0i，

定义各个机架入口厚度为h_0i、出口厚度为h_1i，且压下量为Δh_i＝h_0i-h_1i；

(d)给定冷连轧机组以抑制振动为目标的压下规程综合优化目标函数的初始设定值F₀＝1.0×10¹⁰；

(e)设定压下规程h_0i、h_1i，且h_0i+1＝h_1i；

(f)根据轧制理论，计算当前压下规程下各个机架的咬入角α_i，计算公式如下：

式中，R_i'为第i机架工作辊压扁半径，

(g)根据恒定秒流量原理，计算当前压下规程下各机架带钢的入口速度v_0i，计算公式如下：

(h)计算当前压下规程下的油膜厚度ξ_i，计算公式如下：

式中，k_rg表示工作辊和带钢表面纵向粗糙度夹带润滑剂强度的系数，其值在0.09～0.15的范围内，K_rs表示压印率，即工作辊表面粗糙度传递到带钢上比率(参考文献：冷连轧机高速生产过程核心数学模型)；

(i)根据摩擦系数u_i与油膜厚度ξ_i之间关系，计算各个机架工作辊与带钢间的摩擦系数

(参考文献：冷连轧高速轧制过程中摩擦因数机理模型的研究)，式中，a_i为第i机架液体摩擦系数，b_i为第i机架干摩擦影响系数，B_i为第i机架摩擦因数衰减指数；

(j)计算当前压下规程下各个机架的中性角γ_i，根据轧制理论计算公式如下：

(k)计算当前压下规程下各个机架的振动判断指标ψ_i；

(l)判断不等式

是否同时成立？若同时成立，则转入步骤(m)，否则，转入步骤(e)；

(m)计算压下规程综合优化目标函数

式中，λ为分配系数，X＝{h_0i,h_1i}为优化变量；

(n)判断不等式F(X)<F₀是否成立？若成立，则令

F₀＝F(X)，转入步骤(o)，否则，直接转入步骤(o)；

(o)判断压下规程h_0i、h_1i是否超出可行域范围，若超出，则转入步骤(p)，否则，转入步骤(e)；

(p)输出最优压下规程设定值

实施例

为了进一步说明本发明技术的应用过程，以某冷连轧机组为例，详细介绍冷连轧机组以抑制振动为目标的压下规程优化方法：

首先，在步骤(a)中，收集冷连轧机组的设备特征参数，包括：各个机架工作辊半径R_i＝{217.5；217.5；217.5；217.5；217.5}(mm)、轧辊表面线速度v_ri＝{149.6；292.3；328.3；449.2；585.5}(m/min)、各机架工作辊原始粗糙度Ra_ir0＝{0.53；0.53；0.53；0.53；0.53}(μm)、工作辊粗糙度衰减系数B_L＝0.01、各机架工作辊换辊后的轧制公里数L_i＝{200；180；190；220；250}(km)，其中，i＝1,2,...,5，代表冷连轧机组的机架序数，n＝5为总机架数，下同；

随后，在步骤(b)中，收集带材的关键轧制工艺参数，包括：工作辊的弹性模量E＝206GPa、工作辊的泊松比ν＝0.3、带材宽度B＝812mm、各机架带材入口张力T_0i＝{100；80；65；55；42}(MPa)、各机架带材出口张力T_1i＝{80；65；55；42；18}(MPa)、带钢变形抗力K＝502MPa、各机架轧制力P_i＝{507.9；505.4；499.8；489.8；487.2}(t)、带材入口速度v_0i＝147.6m/min、乳化液浓度影响系数k_c＝0.9、润滑剂的粘度压缩系数θ＝0.034m²/N、润滑剂的动力粘度η₀＝5.4；

随后，在步骤(c)中，定义各个机架的振动判断指标为ψ_i，且

定义振动判断指标上阈值

即中性角与咬入角重合相等作为过润滑临界点，此时摩擦系数很小，工作辊与带材之间极易发生打滑，进而引起轧机的振动；定义振动判断指标下阈值

即中性角为咬入角一半作为欠润滑临界点，此时工作辊与带材的油膜容易发生破裂，引起摩擦系数突然增大，导致轧制压力异常波动，进而引起轧机的振动；定义振动判断指标最佳值为ψ_0i，

定义各个机架入口厚度为h_0i、出口厚度为h_1i，且压下量为Δh_i＝h_0i-h_1i；

随后，在步骤(d)中，给定冷连轧机组以抑制振动为目标的压下规程综合优化目标函数的初始设定值F₀＝1.0×10¹⁰；

随后，在步骤(e)中，设定压下规程h_0i＝{2.1,1.17,0.65,0.40,0.27}mm、h_1i＝{1.17,0.65,0.40,0.27,0.22}mm；

随后，在步骤(f)中，计算各个机架的咬入角α_i，计算公式如下：

α_i＝{0.004；0.002；0.001；0.0005；0.0002}，式中，R_i'为第i机架工作辊压扁半径，

随后，在步骤(g)中，根据恒定秒流量原理，计算当前压下规程下各机架带钢的入口速度v_0i，计算公式如下：

由此可得v_0i＝{147.6；288.2；323.3；442.0；575.5}(m/min)

随后，在步骤(h)中，计算当前压下规程下的油膜厚度ξ_i，计算公式如下：

ξ_i＝{0.1；0.25；0.34；0.55；0.67}(μm)

式中，k_rg表示工作辊和带钢表面纵向粗糙度夹带润滑剂强度的系数，其值在0.09～0.15的范围内，K_rs表示压印率，即工作辊表面粗糙度传递到带钢上比率，其值在0.2～0.6(参考文献：冷连轧机高速生产过程核心数学模型)；

随后，在步骤(i)中，根据摩擦系数u_i与油膜厚度ξ_i之间关系，计算各个机架工作辊与带钢间的摩擦系数

u_i＝{0.124；0.089；0.078；0.047；0.042}式中，a_i为第i机架液体摩擦系数，a_i＝{0.0126；0.0129；0.0122；0.0130；0.0142}，b_i为第i机架干摩擦影响系数，b_i＝{0.1416；0.1424；0.1450；0.1464；0.1520}，B_i为第i机架摩擦因数衰减指数，B_i＝{-2.4；-2.51；-2.33；-2.64；-2.58}；

随后，在步骤(j)中，计算当前压下规程下各个机架的中性角γ_i，根据轧制理论计算公式如下：

γ_i＝{0.0025；0.0012；0.0006；0.0003；0.00014}

随后，在步骤(k)中，计算当前压下规程下各个机架的振动判断指标ψ_i＝{0.625；0.6；0.6；0.6；0.7}；

随后，在步骤(l)中，判断不等式

是否同时成立？满足不等式条件，转入步骤(m)；

随后，在步骤(m)中，计算压下规程综合优化目标函数

F(X)＝0.231

式中，λ为分配系数，λ＝0.5，X＝{h_0i,h_1i}为寻优变量；

随后，在步骤(n)中，判断F(X)<F₀是否成立？成立，则令

F₀＝F(X)，转入步骤(o)，否则，直接转入步骤(o)；

随后，在步骤(o)中，判断压下规程h_0i、h_1i是否超出可行域范围，若超出，则转入步骤(p)，否则，转入步骤(e)；

最后，在步骤(p)中，输出最优压下规程设定值

本发明的技术方案，以轧机振动判断指标最优值与实际轧制过程求解的轧机振动判断指标值的均方差最小并兼顾单独各机架最大轧机振动判断指标值也最小为优化目标函数，并以轧制过程由于中性角与咬入角重合，轧制过程处于过润滑状态求出振动判断指标的上阈值，以中性角为咬入角一半时轧制过程处于欠润滑状态求出振动判断指标的下阈值为约束条件，最终实现对冷连轧机组轧制过程的压下规程的优化。

本发明可广泛用于冷连轧机组高速轧制过程抑制轧机振动的压下规程优化领域。

Claims (4)

1.一种冷连轧机组以振动抑制为目标的压下规程设定方法，其特征是所述的压下规程设定方法至少包括下列步骤：

（a）收集冷连轧机组的设备特征参数；

所述的设备特征参数，至少包括各个机架工作辊直径R _i 、各机架轧辊表面线速度v _ri 、各机架工作辊原始粗糙度Ra _ir0、工作辊粗糙度衰减系数B _L 、各机架工作辊换辊后的轧制公里数L _i ；其中，i=1,2，…，n，代表冷连轧机组的机架序数，n为总机架数；

（b）收集带材的关键轧制工艺参数；

所述的关键轧制工艺参数，至少包括工作辊的弹性模量E =206GPa、工作辊的泊松比v=0.3、带钢宽度B、各机架带材入口张力T _0i 、各机架带材出口张力T _1i 、带钢变形抗力K、各机架轧制力P _i 、带材在各机架前入口速度v _0i 、乳化液浓度影响系数k _c 、润滑剂的粘度压缩系数θ、润滑剂的动力粘度η ₀ ；

（c）定义各个机架的振动判断指标为

，且

；定义振动判断指标上阈值

，定义振动判断指标下阈值

，定义振动判断指标最佳值为

，

；定义各个机架入口厚度为h _0i 、出口厚度为h _1i ，且压下量为Δh _i =h _0i -h _1i ；

（d）给定冷连轧机组以抑制振动为目标的压下规程综合优化目标函数的初始设定值F ₀ =1.0╳10¹⁰；

（e）设定压下规程h _0i 、h _1i ，且h _0i+1 = h _1i ；

（f）根据轧制理论，计算当前压下规程下各个机架的咬入角α _i ；

在计算当前压下规程下各个机架的咬入角α _i 时，按照下列公式进行计算：

式中，R _i ′为第i机架工作辊压扁半径，

；

其中，P _i 为各机架轧制力，B为带钢宽度，ν为工作辊的泊松比；

（g）根据恒定秒流量原理，计算当前压下规程下各机架带钢的入口速度v _0i ；

（h）计算当前压下规程下的油膜厚度ξ _i ；

（i）根据摩擦系数u _i 与油膜厚度ξ _i 之间关系，计算各个机架工作辊与带钢间的摩擦系数

；式中，a _i 为第i机架液体摩擦系数，b _i 为第i机架干摩擦影响系数，B _i 为第i机架摩擦因数衰减指数；

（j）计算当前压下规程下各个机架的中性角γ _i ，根据轧制理论计算公式如下：

=

；

式中，R _i ＇为第i机架工作辊压扁半径，P _i 为各机架轧制力，T _0i 为各机架带材入口张力，T _1i 为各机架带材出口张力；其中，i=1,2，…，n，代表冷连轧机组的机架序数，n为总机架数；

（k）计算当前压下规程下各个机架的振动判断指标

；

（l）判断不等式

是否同时成立，若同时成立，则转入步骤（m）；否则，转入步骤（e）；

（m）计算压下规程综合优化目标函数

式中，λ为分配系数，

为优化变量；其中，i=1,2，…，n，代表冷连轧机组的机架序数，n为总机架数；

（n）判断不等式F(X)<F ₀是否成立，若不等式F(X)<F ₀成立，则令

，然后转入步骤（o）；若不等式F(X)<F ₀不成立，则直接转入步骤（o）；

（o）判断压下规程h _0i 、h _1i 是否超出可行域范围，若压下规程h _0i 、h _1i 超出可行域范围，则转入步骤（p）；若压下规程h _0i 、h _1i 不超出可行域范围，则转入步骤（e）；

（p）输出最优压下规程设定值

。

2.按照权利要求1所述的冷连轧机组以振动抑制为目标的压下规程设定方法，其特征是在定义所述的振动判断指标上阈值

时，以中性角与咬入角重合，作为过润滑临界点；

在定义所述的振动判断指标下阈值

时，以中性角为咬入角一半作为欠润滑临界点。

3.按照权利要求1所述的冷连轧机组以振动抑制为目标的压下规程设定方法，其特征是在计算所述各机架带钢的入口速度ν _0i 时，按照下列公式进行计算：

。

4.按照权利要求1所述的冷连轧机组以振动抑制为目标的压下规程设定方法，其特征是所述的压下规程设定方法，提出振动判断指标，以轧机振动判断指标最优值与实际轧制过程求解的轧机振动判断指标值的均方差最小并兼顾单独各机架最大轧机振动判断指标值也最小为优化目标函数，并以轧制过程由于中性角与咬入角重合，轧制过程处于过润滑状态求出振动判断指标的上阈值，以中性角为咬入角一半时轧制过程处于欠润滑状态求出振动判断指标的下阈值为约束条件，最终实现对冷连轧机组轧制过程的压下规程的优化。

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