一种混合润滑状态下的轧制力预报方法技术

本发明专利技术提供一种混合润滑状态下的轧制力预报方法，其包括以下步骤：S1、利用采利柯夫解得到卡尔曼单位压力微分方程；S2、混合润滑状态下的非稳态润滑动态辊缝摩擦应力；S3、混合润滑状态下的轧制力预报，确定预报模型；S4、对预报模型的预测精度进行验证和分析。本发明专利技术提出了一种混合润滑状态下的轧制力预报方法，考虑了在实际生产过程中普遍存在的干摩擦或边界润滑摩擦和流体动力润滑摩擦并存的混合润滑摩擦状态。通过将混合润滑总摩擦应力与卡尔曼单位压力微分方程相结合，建立了一种比较符合实际生产状况的轧制力预报模型。

【技术实现步骤摘要】
一种混合润滑状态下的轧制力预报方法
本专利技术涉及冷轧薄板制造
，特别是涉及一种混合润滑状态下的轧制力预报方法。
技术介绍
板带材是轧制领域中最常见的产品之一。近几年，随着国民经济的飞速发展，大到航空航天、高铁动车，小到手机电脑、家用电器等各行各业对板带材的需求量越来越大，这就对板带材的质量和精度要求愈发严苛。随着电子计算机行业的不断发展和自动化技术的日渐完备，轧制速度也得到了很大的提升，从而使得板带材的产量也有了不小的提高。但是，因为连轧机装备较为落后，板带材不论从数量还有质量上都远不能满足当下迅速增长的经济水平。随着轧制速度的不断提高，轧机振动给冷轧装备和板带材的品质带来的负面影响越来越不可忽视，因此对轧机振动的抑制也成为了一个非常重要的研究课题。当下，因为轧机振动引起的板带材质量的下降已经成为国内各大钢厂面临的严峻问题；同样，轧机振动也会导致某些重要零件的修理和替换更加频繁。某些企业采用降低轧制速度的方法来削减振幅，从而减少振纹的产生，这样显然会降低生产效率，是个不太可取的方法。也有采用替换重要零件、使用衬垫等的方式，可是都无法完全处理好振动问题。轧制力数学模型的建立是分析和处理轧制过程稳定性的重要因素之一。精准的轧制力数学模型能够精确的显示轧制振动过程中总压力的变动趋势，这就对抑制振动和改善板带材的质量具备十分重要的意义。长期以来，冷热轧的轧制力建模都是轧制领域研究中的一大热点，其中有许多都是在Bland-Fordhill公式、karman公式、orowan公式等基础上演绎推理得到的。但它们有些只考虑了干摩擦(或边界润滑摩擦)状态，有些只是在流体动力润滑状态下得到的结论，这样显然不足以反应轧制辊缝的复杂情况，而有些预报模型的精度达不到要求。它们的不足之处主要体现在以下几个方面：一、仅考虑了干摩擦条件，未能探究结合润滑摩擦的情况。有些轧制压力数学模型仅仅考虑了干摩擦条件，也就是认为轧件与轧辊之间的摩擦状态服从于库伦摩擦。所以摩擦应力就等于滑动摩擦系数与单位压力的乘积，即：tx＝μpx。这样就会使得得出的结论较为片面。二、仅考虑了润滑摩擦条件，未能探究结合干摩擦的情况。而有些模型则仅仅考虑了润滑摩擦条件，也就是认为轧件与轧辊之间的摩擦状态服从于某些润滑摩擦条件，比如牛顿液体摩擦定律等。这样也就没能考虑到轧辊和轧件直接接触的干摩擦的情形，同样使得出的结论较为片面，说服力不足。三、理论推导不够深刻，所得数学模型的预测精度不够好。有些模型虽然应用了混合润滑摩擦原理，也就是即包括干摩擦也包括润滑摩擦，或者是黏着摩擦和滑动摩擦等复杂非稳态摩擦润滑状态。但是由于推导过程不够严谨，没有深刻理解理论知识，这些数学模型达不到理想的预测精度，所以轧制力的数学模型还有待进一步改进。
技术实现思路
基于现有的轧制力数学模型大多考虑的方面较为单一，而在实际生产过程中一般都是干摩擦与润滑摩擦并存的混合润滑摩擦状态。为了使轧制力数学模型更贴近实际情况，并且进一步提高其数学模型的预测精度，而提出了一种混合润滑条件下的轧制力预报方法。具体地，本专利技术提供一种混合润滑状态下的轧制力预报方法，其包括以下步骤：S1、利用采利柯夫解得到线化后卡尔曼单位压力微分方程；S2、得到混合润滑状态下的非稳态润滑动态辊缝摩擦应力计算公式；S3、对混合润滑状态下的轧制力进行预报，确定预报模型；S4、对预报模型的预测精度进行验证和分析。优选地，所述步骤S1中利用采利柯夫解得到线化后的卡尔曼单位压力微分方程的步骤具体为：S11、确定单位压力微分方程：单位压力基本微分方程初始为：忽略在变性区中轧件的加工硬化、温度及变形速度的影响，则变形抗力K值近似为常数，将上式变为如下形式：S12、根据采利柯夫的假定，以过变形区终点作垂线为y轴，以轧件中轴线为x轴，则A点坐标为B点坐标为其中，l是变形区接触弧长；H和h分别是轧件入口和出口厚度，则通过A与B两点的直线方程式为：对上述公式进行微分后得到：或应用采利柯夫解，将卡尔曼单位压力微分方程中的用替换，得到线性化后的卡尔曼单位压力微分方程如下所示：其中：px是轧辊对轧件的单位正压力，MPa；tx是轧辊与轧件间的单位摩擦力，N；Δh是压下量；正号表示后滑区，负号表示前滑区。优选地，步骤S2所述的混合润滑状态下非稳态润滑动态辊缝摩擦应力的公式计算方法具体包括以下步骤：S21、总摩擦应力的典型表达式为：τ＝Aτa+(1-A)τb其中，τa是边界润滑摩擦应力，τb是流体动力润滑摩擦应力，A是表面真实接触面积比；假设粗糙接触表面边界润滑摩擦应力τa能够根据粘着摩擦理论计算：τa＝k，其中k是材料的剪切强度，由润滑油的剪切作用产生的流体动力润滑摩擦应力τb能够由下式计算：其中，ε0是润滑油粘度，u(x)是轧件速度，hx是工作区任意位置的油膜厚度；S22、基于步骤S21得到混合润滑状态下的总摩擦应力表达式为：式中，k是材料的剪切强度，ε0是润滑油粘度，v是轧制速度，h0是入口油膜厚度，u1是轧件入口速度，ε是压下率，A是真实接触面积比。优选地，所述步骤S21中hx与入口油膜厚度h0需满足流量连续条件即：其中，轧件速度u(x)为：其中，轧件入口速度u1为：其中，μ代表辊缝间的摩擦系数，用Roberts公式表示，即：式中K1、K2是摩擦特性系数，K1＝1.08；K2＝0.001；D是工作辊直径。优选地，所述入口油膜厚度h0的计算采用以下公式：式中，α是入口角，是平均表面速度，γ1是粘度的压力系数，μ0是大气压下的粘度，σ是轧件材料的屈服应力，qh是轧件后张力。优选地，所述真实接触面积比A的表达式如下所示：式中，hm是两接触表面的间隙，Rq是均方根粗糙度。优选地，所述步骤S3对混合润滑状态下的轧制力进行预报，确定预报模型具体包括以下步骤：S31、确定变形区总轧制力P、后滑区单位压力p-以及前滑区单位压力p+的表达式：变形区轧制总压力P的初始表达式为：后滑区单位压力的表达式为：前滑区单位压力的表达式为：S32、基于前后滑区单位压力的表达式，将变形区总轧制力P的表达式修正为：式中，B是轧制过程中板带材的宽度，xn是中性面的横坐标，qH是轧件前张力；S33、将上式代入步骤S2中得到的总摩擦应力表达式，并对于不能正常积分的项采用泰勒级数近似处理，因为形如的函数是无法正常积分得到原函数的，所以将分子ln(mx+n)用麦克劳林级数展开为x的多项式，这样就可以近似求得上述积分的原函数。整理可得：式中：其中其中上式即为混合润滑状态下的轧制力预报模型，其摩擦应力一部分是粗糙接触表面直接接触产生的边界润滑摩擦应力，另一部分是接触表面凹槽中压力润滑油产生的流体动力润滑摩擦应力。优选地，所述步骤S4中具体为根据模型计算轧制力，将模型的计算结果与实际生产数据进行对比，得到预测误差在±4.25％以内。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提出了一种混合润滑状态下的轧制力预报方法，考虑了在实际生产过程中普遍存在的干摩擦(或边界润滑摩擦)和流体动力润滑摩擦并存的混合润滑摩擦状态。通过将混合润滑总摩擦应力与卡尔曼单位压力微分方程相结合，建立了一种比较符合实际生产状况的轧制力预报模型。而且能够准确的预报轧制力大小，可以在一定程度上指导轧制过程中工艺参数的优化，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合润滑状态下的轧制力预报方法，其特征在于：其包括以下步骤：S1、利用采利柯夫解得到线化后卡尔曼单位压力微分方程；S2、得到混合润滑状态下的非稳态润滑动态辊缝摩擦应力计算公式；S3、对混合润滑状态下的轧制力进行预报,确定预报模型；S4、对预报模型的预测精度进行验证和分析。

【技术特征摘要】
1.一种混合润滑状态下的轧制力预报方法，其特征在于：其包括以下步骤：S1、利用采利柯夫解得到线化后卡尔曼单位压力微分方程；S2、得到混合润滑状态下的非稳态润滑动态辊缝摩擦应力计算公式；S3、对混合润滑状态下的轧制力进行预报,确定预报模型；S4、对预报模型的预测精度进行验证和分析。2.根据权利要求1所述的混合润滑状态下的轧制力预报方法，其特征在于：所述步骤S1中利用采利柯夫解得到线化后的卡尔曼单位压力微分方程的步骤具体为：S11、确定单位压力微分方程：单位压力基本微分方程初始为：忽略在变性区中轧件的加工硬化、温度及变形速度的影响，则变形抗力K值近似为常数，将上式变为如下形式：S12、根据采利柯夫的假定，以过变形区终点作垂线为y轴，以轧件中轴线为x轴，得到A点坐标为B点坐标为其中，l是变形区接触弧长；H和h分别是轧件入口和出口厚度，则通过A与B两点的直线方程式为：对上式进行微分计算，得到：或应用采利柯夫解，将卡尔曼单位压力微分方程中的用替换，得到线性化后的卡尔曼单位压力微分方程如下所示：其中：px是轧辊对轧件的单位正压力，MPa；tx是轧辊与轧件间的单位摩擦力，N；Δh是压下量；正号表示后滑区，负号表示前滑区。3.根据权利要求1所述的混合润滑状态下的轧制力预报方法，其特征在于：步骤S2所述的得到混合润滑状态下非稳态润滑动态辊缝摩擦应力的计算公式具体包括以下步骤：S21、总摩擦应力的典型表达式为：τ＝Aτa+(1-A)τb其中，τa是边界润滑摩擦应力，τb是流体动力润滑摩擦应力，A是表面真实接触面积比；假设粗糙接触表面边界润滑摩擦应力τa能够根据粘着摩擦理论计算：τa＝k，其中k是材料的剪切强度，由润滑油的剪切作用产生的流体动力润滑摩擦应力τb由下式计算：其中，ε0是润滑油粘度，u(x)是轧件速度，hx是工作区任意位置的油膜厚度；S22、基于步骤S21得到混合润滑状态下的总摩擦应力表达式为：式中，k是材料的剪切强度，ε0是润滑油粘度，v是轧制速度，h0是入口油膜厚度，u1是轧...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘爽，卢会峰，黄茹楠，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13