CN112949028A - 一种基于极限静摩擦力矩的冷轧轧机打滑判定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于极限静摩擦力矩的冷轧轧机打滑判定方法，属于自动化轧制技术领域。该方法首先从数据采集平台实时获取轧制数据，根据轧制转矩公式计算相应的轧制转矩；其次根据辊缝区简化轧制力公式计算前滑区和后滑区的轧制力；根据摩擦力公式计算前滑区和后滑区的单位静摩擦力；根据力矩公式积分计算前滑区和后滑区的极限静摩擦力矩。由于极限静摩擦力矩是工作辊与轧件发生相对滑动时的最大静摩擦力矩，将其与轧制转矩进行比较，若连续多次大于轧制转矩，则判定工作辊处于打滑状态。本发明从极限静摩擦力矩与轧制转矩的关系出发，对冷连轧轧机工作辊打滑进行判断，该方法可应用于生产实际，减少发生打滑事故可能性的同时保证了生产效率。

Description

一种基于极限静摩擦力矩的冷轧轧机打滑判定方法
技术领域
本发明涉及自动化轧制技术领域，特别是指一种基于极限静摩擦力矩的冷轧轧机打滑判定方法。
背景技术
发生打滑现象轻则影响带钢的表面质量和产量，例如造成擦伤，擦痕等，重则出现搓辊，引起轧制入口和出口流量变化，辊缝的快速变化容易引起断带或堆钢事故，因此如果能够在轧制生产过程中对打滑进行有效预警，则可以避免损失，维持生产效率。
关于打滑的判断与防治也有过相关的专利。专利1(申请号：201410026932.3，申请公布号：CN104785538A)“一种冷连轧机组极薄带钢轧制的压下规程优化方法”中，对于冷连轧机组在极薄料轧制过程综合控制的压下规程优化，将轧制压力、轧制功率、打滑、热滑伤、振动、板形、板凸度和压靠是否超限加入到目标函数，实现压下规程的优化，从而提高了板形质量。
专利2(申请号：2018111325589.7，申请公布号：CN109092906A)“一种五机架冷连轧机组打滑现象的在线调整方法”中，提供了一种打滑现象的在线调整方法，当利用前滑值检测到打滑现象时，通过降速，调节张力，调整压下等策略消除打滑现象。从而降低了生产事故的发生率。
专利3(申请号：201510765490.9，申请公布号：CN105327947A)“一种400系钢板可逆式冷轧时防止钢带打滑的方法”中，该发明通过使用合理的辊径，调节轧辊表面粗糙度，轧制前后张力，带钢速度，压下率等生产参数，降低滑动系数，从而降低了打滑的概率。
文献1(宋浩源.冷连轧机打滑机架判别与打滑防控手段研究[C].第十一届中国钢铁年会论文集.中国北京S03.轧制与热处理.2017)根据轧制参数的变化，直观判断打滑发生机架。通过提高轧辊粗糙度，对轧制规程的设定进行调整，有效防止打滑的发生。文献2(车海军.基于IAGA的冷连轧机预防打滑的规程优化设计.工程科学学报，2010，32(10))在引入打滑因子的基础上,建立了以预防打滑为目标的规程优化模型，使用IAGA对规程进行优化,充分利用其良好的寻优能力,使优化后的轧制规程有效地降低了打滑发生的概率。
从上述发明中可以看出目前对于冷轧中工作辊打滑的研究主要集中于工作辊与轧件间轧制过程的分析，或者通过机器学习的方法，从数据的角度来对打滑进行建模分析，但是缺少从力矩平衡角度来对工作辊打滑进行分析和预测这方面的工作。本发明在以结合板带轧制塑性变形公式的基础上，通过力矩平衡的思路对工作辊打滑提出新的定义，研究了极限摩擦力矩、轧制转矩与打滑的关系及判定打滑的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于极限静摩擦力矩的冷轧轧机打滑判定方法，以减少轧机工作辊发生打滑，能够对轧机工作辊打滑做出判定。
该方法包括步骤如下：
S1：周期性地从数据采集平台实时获取轧制生产数据，根据所获取数据计算每时刻的轧制转矩；
S2：根据辊缝区简化轧制力分布公式计算前滑区与后滑区的轧制力；
S3：根据摩擦力公式计算前滑区与后滑区的单位极限静摩擦力；
S4：根据力矩公式积分计算前滑区与后滑区的极限静摩擦力矩；
S5：将同一时刻的轧制转矩与极限静摩擦力矩进行比较，若连续多次出现轧制转矩大于极限静摩擦力矩的情况，则判定工作辊发生打滑。
其中，S1中周期为5s，进行打滑判断所需的轧制生产数据包括各机架工作辊半径、各机架实际轧制力、带钢宽度、各机架入口厚度和出口厚度、各机架轧制时的摩擦系数、各机架前后单位张力、各机架出入口动态变形抗力。
S1中轧制转矩GR计算公式如下：
Figure BDA0002915319760000021
Figure BDA0002915319760000031
其中，R为工作辊半径；R′为工作辊压扁半径；X0为扭矩自适应系数；H为机架入口厚度；h为机架出口厚度；P为机架实际轧制力；CH为希区柯克常数(≡0.214×10-3)；b为带钢宽度。
S2中前滑区单位轧制力分布公式计算如下：
Figure BDA0002915319760000032
后滑区单位轧制力分布公式计算如下：
Figure BDA0002915319760000033
其中：
Figure BDA0002915319760000034
为前滑区单位轧制力；
Figure BDA0002915319760000035
为后滑区单位轧制力；k1和k0分别为出口、入口动态变形抗力；hθ为任意角度厚度；μ为摩擦系数；τf为单位前张力；τb为单位后张力；H为任意角度轧制前的厚度，H1为变形区压入角处的厚度，H与H1计算公式为：
Figure BDA0002915319760000036
Figure BDA0002915319760000037
简化后的前滑区单位轧制力分布公式为：
Figure BDA0002915319760000038
简化后的后滑区单位轧制力分布公式为：
Figure BDA0002915319760000039
式中，k0与k1分别为入口、出口动态变形抗力；σ0与σ1分别为入口、出口张力；γ为中性角；α为压入角；μ为摩擦系数；h0与h1分别为机架入口、出口厚度；θ为辊缝区间任意角度；hn为中性角处厚度，其计算公式为：
hn＝h1+2R(1-cos(γ))
Hn为轧制前中性角处厚度，其计算公式为：
Figure BDA0002915319760000041
S3中前滑区的单位极限静摩擦力为：
F1＝μ×P1(θ)×b×R
后滑区的单位极限静摩擦力为：
F2＝μ×P2(θ)×b×R
其中，F1为前滑区的单位极限静摩擦力，F2为后滑区的单位极限静摩擦力，μ为摩擦系数，P1(θ)为简化后前滑区单位轧制力，P2(θ)简化后后滑区单位轧制力，b为带钢宽度，R为工作辊半径。
S4中前滑区的极限静摩擦力矩为：
Figure BDA0002915319760000042
后滑区的极限静摩擦力矩为：
Figure BDA0002915319760000043
其中：M1为前滑区的极限静摩擦力矩，M2为后滑区的极限静摩擦力矩，Zp为自适应系数；R为工作辊半径；μ为摩擦系数；γ为中性角；α为压入角；b为带钢宽度；hn为中性角处厚度；h1为机架出口厚度；h0为机架入口厚度；k1为出口动态变形抗力；k0为入口动态变形抗力；σ1为出口张力；σ0为入口张力；Hn为轧制前中性角处厚度；H1为变形区压入角处的厚度。
S5中出现轧制转矩大于极限静摩擦力矩的情况的次数大于15次时，则判定工作辊发生打滑。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，从极限静摩擦力矩与轧制转矩的关系出发，对冷连轧轧机工作辊打滑进行判断，该方法可应用于生产实际，减少发生打滑事故可能性的同时保证了生产效率。
附图说明
图1为本发明的基于极限静摩擦力矩的冷轧轧机打滑判定方法流程图；
图2为本发明实施例中单位轧制力分布图；
图3为本发明实施例中简化单位轧制力分布图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种基于极限静摩擦力矩的冷轧轧机打滑判定方法。
如图1所示，该方法包括步骤如下：
S1：周期性地从数据采集平台实时获取轧制生产数据，根据所获取数据计算每时刻的轧制转矩；
S2：根据辊缝区简化轧制力分布公式计算前滑区与后滑区的轧制力；
S3：根据摩擦力公式计算前滑区与后滑区的单位极限静摩擦力；
S4：根据力矩公式积分计算前滑区与后滑区的极限静摩擦力矩；
S5：将同一时刻的轧制转矩与极限静摩擦力矩进行比较，若连续多次出现轧制转矩大于极限静摩擦力矩的情况，则判定工作辊发生打滑。
具体的过程如下：
(1)获取数据。以固定周期从数据采集系统获取数据，并将数据进行处理，转化，使数据符合计算要求。
(2)根据所获取的数据计算轧制转矩，轧制转矩公式如下：
Figure BDA0002915319760000051
Figure BDA0002915319760000052
(3)根据所获取的数据计算前滑区和后滑区的单位轧制力。
其中，由于辊缝间的单位轧制力分布公式为，如附图2所示：
Figure BDA0002915319760000053
Figure BDA0002915319760000061
为了后面的简化计算，单位轧制力计算模型计算采用如下假设：从入口到中性点及出口到中性点两个区域内，单位轧制力线性增大，如附图3所示。
其简化公式为：
Figure BDA0002915319760000062
Figure BDA0002915319760000063
(4)考虑到前滑区和后滑区受力情况的差异，带入不同区域的单位轧制力公式得到前滑区与后滑区的单位摩擦力公式。
前滑区的单位极限静摩擦力为：
F1＝μ×P1(θ)×b×R
后滑区的单位极限静摩擦力为：
F2＝μ×P2(θ)×b×R
(5)由于轧件上表面和下表面均与轧辊接触，存在极限静摩擦力矩，因此总极限静摩擦力矩可表示为：
Figure BDA0002915319760000064
式中：M1为前滑区极限静摩擦力矩；M2为后滑区极限静摩擦力矩。
由于力矩等于力与力臂的乘积，进一步得到极限静摩擦力矩公式：
Figure BDA0002915319760000065
积分后可得到前滑区极限静摩擦力矩为：
Figure BDA0002915319760000066
后滑区的极限静摩擦力矩为：
Figure BDA0002915319760000067
式中：Zp为极限静摩擦力矩自适应系数。
(6)理论上，轧制转矩应等于总极限静摩擦力矩，但在实际轧制生产中，为了避免轧辊打滑现象的发生，提高轧制稳定性，轧制转矩应小于总极限静摩擦力矩。根据数据采集系统采集到的现场生产数据计算轧制转矩与极限静摩擦力矩，若连续多次出现轧制转矩大于或接近极限静摩擦力矩的情况，可判定该工作辊存在打滑的风险，需要采取相应的处理措施。
下面结合具体实施例予以说明。
取某冷轧厂S2工作辊轧制2.5km，4.9km时的实际生产数据，并分别设为一组、二组同时进行计算说明。从数据采集系统获取：轧件宽度，工作辊半径，摩擦系数，轧机出入口厚度，轧机前后单位张力，轧机出入口动态变形抗力，轧机轧制力。数据如表1所示：
表1轧制参数
计算参数 一组 二组 计算参数 一组 二组
半径mm 293.98 293.98 后张力Ton 43.24 43.66
宽度mm 1443 1426 前张力Ton 34.37 32.72
入口厚度mm 2.03 2.549 后单位张力kg/mm<sup>2</sup> 14.71 12.01
出口厚度mm 1.37 1.59 前单位张力kg/mm<sup>2</sup> 17.34 14.43
摩擦系数 0.035 0.032 入口动态变形抗力kg/mm<sup>2</sup> 59.03 58.78
轧制力Ton 1351.4 1564 出口动态变形抗力kg/mm<sup>2</sup> 68.01 68.40
根据公式计算轧制转矩：
Figure BDA0002915319760000071
根据公式计算前后滑区轧制力：
Figure BDA0002915319760000072
Figure BDA0002915319760000073
根据公式计算前后滑区极限静摩擦力矩：
Figure BDA0002915319760000081
Figure BDA0002915319760000082
Figure BDA0002915319760000083
各步骤计算结果如表2所示：
表2计算结果
计算结果 一组 二组 计算结果 一组 二组
前滑区极限静摩擦力矩KN·M 82.27 86.75 前滑区轧制力Ton 801.45 922.24
后滑区极限静摩擦力矩KN·M 57.29 68.28 后滑区轧制力Ton 558.91 725.83
极限静摩擦力矩KN·M 279.13 310.81 总轧制力Ton 1360.37 1648.08
轧制转矩KN·M 243.25 314.91
从表2一组中可以看出计算得到轧制转矩小于极限静摩擦力矩，说明该轧辊还没有发生打滑，同时也可以看出简化单位轧制力公式计算的轧制力与实际测量得到的轧制力相差不多，说明在一定允许误差范围内，简化单位轧制力公式的计算结果是可接受的。而二组的极限静摩擦力矩和轧制转矩相差不多，说明此时发生打滑的概率很大。需要采取降速或者及时换辊等措施。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于极限静摩擦力矩的冷轧轧机打滑判定方法，其特征在于：包括步骤如下：
S1：周期性地从数据采集平台实时获取轧制生产数据，根据所获取数据计算每时刻的轧制转矩；
S2：根据辊缝区简化轧制力分布公式计算前滑区与后滑区的轧制力；
S3：根据摩擦力公式计算前滑区与后滑区的单位极限静摩擦力；
S4：根据力矩公式积分计算前滑区与后滑区的极限静摩擦力矩；
S5：将同一时刻的轧制转矩与极限静摩擦力矩进行比较，若连续多次出现轧制转矩大于极限静摩擦力矩的情况，则判定工作辊发生打滑。
2.根据权利要求1所述的基于极限静摩擦力矩的冷轧轧机打滑判定方法，其特征在于：所述S1中周期为5s，进行打滑判断所需的轧制生产数据包括各机架工作辊半径、各机架实际轧制力、带钢宽度、各机架入口厚度和出口厚度、各机架轧制时的摩擦系数、各机架前后单位张力、各机架出入口动态变形抗力。
3.根据权利要求1所述的基于极限静摩擦力矩的冷轧轧机打滑判定方法，其特征在于：所述S1中轧制转矩GR计算公式如下：
Figure FDA0002915319750000011
Figure FDA0002915319750000012
式中，R为工作辊半径；R′为工作辊压扁半径；X0为扭矩自适应系数；H为机架入口厚度；h为机架出口厚度；P为机架实际轧制力；CH为希区柯克常数CH≡0.214×10-3；b为带钢宽度。
4.根据权利要求1所述的基于极限静摩擦力矩的冷轧轧机打滑判定方法，其特征在于：所述S2中前滑区单位轧制力分布公式计算如下：
Figure FDA0002915319750000013
后滑区单位轧制力分布公式计算如下：
Figure FDA0002915319750000021
式中：
Figure FDA0002915319750000022
为前滑区单位轧制力；
Figure FDA0002915319750000023
为后滑区单位轧制力；k1和k0分别为出口、入口动态变形抗力；hθ为任意角度厚度；μ为摩擦系数；τf为单位前张力；τb为单位后张力；H为任意角度轧制前的厚度，H1为变形区压入角处的厚度，H与H1计算公式为：
Figure FDA0002915319750000024
Figure FDA0002915319750000025
简化后的前滑区单位轧制力分布公式为：
Figure FDA0002915319750000026
简化后的后滑区单位轧制力分布公式为：
Figure FDA0002915319750000027
式中，k0与k1分别为入口、出口动态变形抗力；σ0与σ1分别为入口、出口张力；γ为中性角；α为压入角；μ为摩擦系数；h0与h1分别为机架入口、出口厚度；θ为辊缝区间任意角度，hn为中性角处厚度，其计算公式为：
hn＝h1+2R(1-cos(γ))
Hn为轧制前中性角处厚度，其计算公式为：
Figure FDA0002915319750000028
5.根据权利要求1所述的基于极限静摩擦力矩的冷轧轧机打滑判定方法，其特征在于：所述S3中前滑区的单位极限静摩擦力为：
F1＝μ×P1(θ)×b×R
后滑区的单位极限静摩擦力为：
F2＝μ×P2(θ)×b×R
其中，F1为前滑区的单位极限摩擦力，F2为后滑区的单位极限摩擦力，μ为摩擦系数，P1(θ)为简化后前滑区单位轧制力，P2(θ)简化后后滑区单位轧制力，b为带钢宽度，R为工作辊半径。
6.根据权利要求1所述的基于极限静摩擦力矩的冷轧轧机打滑判定方法，其特征在于：所述S4中前滑区的极限静摩擦力矩为：
Figure FDA0002915319750000031
后滑区的极限静摩擦力矩为：
Figure FDA0002915319750000032
其中：M1为前滑区的极限静摩擦力矩，M2为后滑区的极限静摩擦力矩，Zp为自适应系数；R为工作辊半径；μ为摩擦系数；γ为中性角；α为压入角；b为带钢宽度；hn为中性角处厚度；h1为机架出口厚度；h0为机架入口厚度；k1为出口动态变形抗力；k0为入口动态变形抗力；σ1为出口张力；σ0为入口张力；Hn为轧制前中性角处厚度；H1为变形区压入角处的厚度。
7.根据权利要求1所述的基于极限静摩擦力矩的冷轧轧机打滑判定方法，其特征在于：所述S5中出现轧制转矩大于极限静摩擦力矩的情况的次数大于15次时，则判定工作辊发生打滑。
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