【新刊速览】和东平：基于颗粒阻尼吸振的波纹辊轧机非线性垂振控制

  2. 先进金属复合材料成形技术与装备教育部工程研究中心， 山西 太原 030024)

  轧机振动理论的研究一直是轧制成形领域的前沿科学问题，对板材的质量和设备的稳定运行至关重要。随着轧制复合成形技术的加快速度进行发展，波纹辊轧机作为一种具有特殊辊型的设备，在复合板制备上具有细化晶粒、改善板形、提高结合强度等突出优点，慢慢的变成为当前的研究热点，但是复杂辊型曲线所诱发的轧制力动态变化对轧机的稳定性控制提出了新的挑战。为了对波纹辊轧机的非线性垂振做到合理的控制，建立了考虑波平辊系之间的非线性刚度、波纹界面非线性阻尼和轧制力动态波动的非线性垂振方程，通过分岔图、最大Lyapunov指数、相轨迹和Poincare截面分析了轧制力的动态变化对系统稳定性的影响，发现轧制力的动态变化诱发系统产生了复杂的动力学行为。设计了一种颗粒阻尼吸振器对波纹辊轧机非线性垂振来控制，运用多尺度法求解得到了安装颗粒阻尼吸振器系统的幅频特性曲线方程，分析了钢珠颗粒群质量、吸振器刚度系数、阻尼系数以及质量比对幅频特性曲线的影响，通过数值仿真研究了颗粒阻尼吸振器对非线性垂振的控制效果。最后，通过试验验证了颗粒阻尼吸振器设计的正确性和可行性，缩短动态过程调整时间的同时也减小了系统的振幅，为波纹辊轧机非线性动力学分析及稳定性控制提供理论指导和技术上的支持。02

  波纹辊轧机； 动态轧制力； 非线性垂振； 颗粒阻尼吸振器； 多尺度法03

  随着大量新工艺、新技术的采用，轧机振动呈现出许多新问题，这成为国内外众多学者研究的焦点，也是轧制理论与实践相结合亟待解决的前沿课题。波纹辊轧机作为一种具有特殊辊型的设备，在复合板制备上具有细化晶粒、改善板形、提高结合强度等突出优点，慢慢的变成为当前的研究热点。但是，复杂辊型曲线所引发的轧制力动态波动对压下系统的稳定性提出了更为严苛的要求，也成为轧机振动领域的研究难点。在波纹辊轧机的工作过程中，轧制力的周期重载变化以及波-平辊系之间的非线性刚度突变都可能诱发非线性垂振，从而影响设备正常运行的稳定性。国内外的专家学者针对轧机振动理论及其控制策略的研究做了大量工作，最先开始对轧机垂直振动问题进行理论建模及其机理研究。YARITA I等建立了上下对称的四自由度质量-弹簧轧机垂直振动模型，发现工作辊与轧制界面间的刚度变化会对轧辊的垂直振动产生一定的影响；TAMIYA T等基于轧机辊系结构的对称特点，建立了辊系振动系统的单自由度动力学模型，研究表明入口张力与辊缝大小的变化之间有的相位差引起了轧辊的3倍频颤振；TLUSTY J等提出了轧机辊系振动的稳定性准则以及一套轧机振动的基本理论，认为轧辊发生3倍频颤振的根本原因是张力相位的延迟；YUKIO K等通过探索五自由度非对称轧机垂直振动模型，发现摩擦因数和轧制速度的变化对轧机的垂直振动有很大的影响；CAO L等从微观和宏观尺度上针对轧制界面间的非稳态摩擦特性对轧机稳定性的影响进行了验证；SUN J等通过最大李雅普诺夫指数和双参数分岔分析了四辊冷轧轧机参数对非线性振动的影响；PENG R R等针对基于动态轧制力影响的四辊轧机非线性振动特性提出了一种时滞位移操控方法；为保证轧制过程的高速与稳定运行，孙杰等开发了融合数据与机制的轧机振动特性分析及振动抑制控制策略；侯东晓等通过研究板带轧机垂直振动与液压压下系统中伺服阀非线性流量的作用关系发现，调整伺服阀响应时间可降低系统振幅不稳定频率区域，为轧机压下系统稳定性控制提供了参考。

  轧机振动的控制是将轧机辊系由非稳态调整到稳定运作时的状态。WANG L等通过把模糊神经网络控制应用于轧机的扭转振动有效提升了系统的稳定性；ORLOWSKA-KOWALSKA T等针对轧机扭转振动开发了一种自适应鲁棒控制管理系统；KIMURA Y等在冷轧机上安装动力吸振器来吸收振动能量，通过对振动信号检测发现动力吸振器对轧机振动的控制有非消极作用；WEHR M等在轧机机架和支撑辊之间设计安装了液压衬板，通过液压衬板产生的摩擦阻尼作用来提高轧机的吸振能力；HAO S等针对非线性动力吸振器提出了一种能量整形操控方法；WANG M等提出了一种应用于轧辊垂直振动控制的新型颗粒阻尼吸振器，并采用自适应遗传算法对吸振器的关键参数进行了优化，得到了最佳质量比和阻尼比；刑邵阳等向振动控制管理系统中引入了一种半主动负刚度动力吸振器，可以有效控制振幅；刘彬等建立了考虑轧机压下油缸非线性弹簧力影响的吸振器-辊系两自由度模型，通过求解耦合系统的平衡点发现提高吸振器的刚度系数可以有很大成效避免混沌行为的出现。

  如何对波纹辊轧机的非线性垂振行为进行相对有效控制是保证设施安全稳定性的关键科学问题。由于轧机结构紧密相连，用于附加吸振子结构的空间存在限制，目前还没有学者针对颗粒阻尼吸振器在波纹辊轧机振动控制中的应用展开相关研究。本文的研究目的是设计一种应用于波纹辊轧机非线性垂振控制的颗粒阻尼吸振器，并建立轧辊与颗粒阻尼吸振器相互作用的非线性动力学模型，通过理论分析、数值仿真以及试验验证相结合的方法来证明颗粒阻尼吸振器设计的可行性、正确性与实用性，为波纹辊轧机非线性动力学分析及稳定性控制提供了一种新思路，对现实的生产具备极其重大指导意义。

  1)本文建立了考虑轧制力动态波动、波纹界面间非线性阻尼和波-平辊系非线性刚度的波纹辊轧机非线性垂振动力学模型。通过分岔图、最大Lyapunov指数、相轨迹和Poincare截面分析了动态轧制力变化对系统稳定性的影响。2)设计了一种颗粒阻尼吸振器，运用多尺度法求解得到了安装辊系-吸振器耦合系统的幅频特性曲线方程，分析了钢珠颗粒群质量、吸振器刚度系数和阻尼系数对幅频特性曲线的影响。通过数值仿真和试验验证研究了颗粒阻尼吸振器对波纹辊轧机非线性垂振的控制效果，缩短系统动态过程调整时间的同时也减小了振幅。

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