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铝箔轧机二维微尺度可控辊系理论与实验研究

作　者: 束学道
导　师: 申光宪
学　校: 燕山大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 铝箔轧机二维辊系微尺度可控开闭复合约柬轴向力监测边界元法振动特性
分类号: TG333.17
类　型: 博士论文
年　份: 2000年
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内容摘要

现代铝箔轧机为了满足极薄、宽带铝箔制品的大量需求，在现有精密化和板形控制特性基础上向小工作辊直径、宽辊身和高速化方向发展。其代表性轧机有九十年代中期从英国DAVY公司引进的2350铝箔中、精轧机。然而，2350铝箔轧机从试生产至现在，被迫降速运行，还频繁发生工作辊止推轴承短寿烧损事故，造成年经济损失达数千万元，严重困扰生产。目前，有关解决轧机止推轴承短寿烧损难题和辊系振动的理论与方法在行业学术、技术领域甚少，因而得到国内外学者和专家的重视和研究。关于轧机轴承短寿烧损难题，较为典型的观点有：一部分德国专家认为恶劣辊系工况破坏轴承密封体系而杂物侵入；一部分俄国学者认为轴承座与轴承外环接触变形改变径向游隙；而一些国内学者认为是随机行为。本文从构成轧机轴承短寿烧损矛盾的另一方——“辊系行为”概念出发，认为辊系的微尺度失控行为是轴承异常超、偏载导致轴承短寿烧损和迫使轧机被迫降速运行的祸根，并由此展开深入的理论与工业测试研究。用机械机构学和动力学理论，分析2350铝箔轧机工作辊辊系的动态约束行为。发现开式约束（即有间隙运动副）下的辊系，由于运动副间隙的存在使运动副构件间产生冲击，辊系处于具有低固有频率的非稳定状态，构件的理想形位遭到破坏，导致止推轴承超载或偏载和引起轧机低频振动。本文提出开闭复合约束（运动副）新概念，用开闭复合约束重新综合现有辊系，使运动副构件处于理想形位，消除冲击力且稳定运行。根据铝箔轧机二维微尺度辊系行为理论，建立铝箔轧机轴向载荷的理论模型和求解轧机滚动轴承载荷三维分布的边界元法专用程序3-DECBBEM及相关前后处理程序。在2350铝箔轧机轴承座施与不同约束下，计算角接触球轴承和四列短圆柱滚子轴承载荷大小及其分布，分析二维微尺度辊系行为对轴承载荷特性的影响，还分析轴承的承载能力和外环热变形对外环转动的影响。用机械振动学理论建立2350铝箔轧机工作辊轴承座的动力学模型，用ALGORFEAS有限元软件计算二维辊系在开式约束和闭式约束条件下的固有频率、振型及轴承座的动态响应。从理论上阐明使用开闭复合约束可使工作辊轴承座的振动特性得到显著改善。用直接测定轴向力的新方案对2350铝箔中、精轧机进行现场实测工作辊轴向燕山大学工学博士学位论文力的大小、作用方向及分布，同时也对操作侧上工作辊轴承座的振动特性进行在线动态测试，探明轴向力生源，查明止推轴承短寿烧损和被迫降速运行原因。针对2350铝箔中轧机现有辊系结构，开发设计和制造工作辊轴向力控制和轧机减振实验装置，进行轴向力和轴承座振动特性动态测试，验证二维徽尺度可控辊系理论的正确性。按照2350铝箔轧机二维微尺度可控理论，提出二维微尺度可控辊系方案，可将原2350铝箔轧机最高轧制速度由1000In／Inin提高至1800In／min；止推轴承平均实际寿命由460h增加为 3600h以上。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-11
第1章绪论  11-23
  1．1 现代铝箔轧机和带钢轧机运行现状  11-13
  1．2 轧机滚动轴承延寿技术研究进展  13-18
    1．2．1 滚动轴承寿命预测的研究进展  13-15
    1．2．2 轧机滚动轴承延寿技术研究进展  15-18
  1．3 轧机辊系行为研究进展及存在问题  18-20
  1．4 本研究课题来源、意义及研究内容  20-23
    1．4．1 课题的来源及意义  20-21
    1．4．2 课题的研究内容  21-23
第2章二维微尺度可控辊系理论  23-37
  2．1 重型机构动态分析  23-29
    2．1．1 开式约束  23-24
    2．1．2 接触力模型的构造  24-25
    2．1．3 重型机构动力响应及其稳定性分析  25-29
  2．2 重型机构综合  29-31
    2．2．1 综合的主要原则  29
    2．2．2 开闭复合约束  29-31
    2．2．3 开闭复合约束的减振原理  31
  2．3 轧辊交叉行为机理  31-32
  2．4 轧辊轴向力的理论模型  32-36
  2．5 本章小结  36-37
第3章轧机滚动轴承载荷和二线微尺度辊系行为分析  37-71
  3．1 角接触球轴承载荷的解析法  37-42
  3．2 滚动轴承载荷的边界元法  42-61
    3．2．1 滚动轴承的特点及处理措施  43
    3．2．2 面力子单元  43-45
    3．2．3 板单元  45-48
    3．2．4 边界积分方程  48-49
    3．2．5 边界积分方程的离散化及影响系数的计算  49-55
    3．2．6 系统方程组的建立及求解  55-56
    3．2．7 表面应力的求解  56-59
    3．2．8 接触区分布面力的合成  59
    3．2．9 程序编制及主要符号说明  59-61
  3．3 2350铝箔轧机工作辊滚动轴承二维辊系负荷特性计算  61-69
    3．3．1 计算参数及计算模型  61-63
    3．3．2 计算结果及讨论  63-67
    3．3．3 止推轴承承载能力分析  67
    3．3．4 止推轴承外环热变形计算  67-69
  3．4 本章小结  69-71
第4章工作辊轴承座振动特性研究  71-95
  4．1 轴承座动力学模型  71-79
    4．1．1 轴承座有限单元划分  71-72
    4．1．2 轴承座动力学方程的建立及系数矩阵的计算  72-75
    4．1．3 轴承座的固有频率和振型  75-77
    4．1．4 轴承座动力响应  77-79
  4．2 轴承座振动特性计算与分析  79-93
    4．2．1 轴承座的边界条件  79-82
    4．2．2 固有频率和振型  82-90
    4．2．3 轴承座动力响应  90-92
    4．2．4 轴承座振动特性计算结果分析  92-93
  4．3 本章小结  93-95
第5章二维微尺度辊系行为动态实验研究  95-125
  5．1 2350铝箔轧机概况  95-96
  5．2 测试目的与测试内容  96
  5．3 测试系统及方案  96-100
    5．3．1 测试系统  96-98
    5．3．2 测试方案  98-100
  5．4 传感器的设计与标定  100-104
    5．4．1 传感器的设计  100-102
    5．4．2 传感器的标定  102-104
  5．5 测试过程、结果及分析  104-123
    5．5．1 轴向力与予紧力关系模拟实验  104-105
    5．5．2 中轧机现有工况下测试  105-116
    5．5．3 精轧机现有工况下测试  116-123
  5．6 测试结果综合  123-124
  5．7 本章小结  124-125
第6章二维微尺度可控辊系动态行为的实验研究  125-137
  6．1 轴向力控制实验装置  125-126
  6．2 轴向力控制实验测试  126-135
    6．2．1 轧制工艺参数  126-127
    6．2．2 测试结果及分析  127-135
  6．3 测试结论  135-136
  6．4 本章小结  136-137
第7章轧机二维微尺度可控辊系方案  137-141
  7．1 二维微尺度可控辊系控制原理  137-138
  7．2 二维微尺度可控辊系组成  138-140
    7．2．1 辊系交叉角调节机构  138-139
    7．2．2 开闭复合约束机构  139
    7．2．3 轴向力监测系统  139-140
  7．3 本章小结  140-141
结论  141-143
参考文献  143-151
攻读博士学位期间发表的学术论文及完成的科研项目  151-153
致谢  153

铝箔轧机二维微尺度可控辊系理论与实验研究

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