毕业设计（论文）宽带钢UCM六辊冷轧机力学行为与板形控制性能

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1、北京科技大学本科生毕业设计（论文）摘要冷轧带钢是钢铁工业的主干产品，应用于国民经济各部门，其在金属材料总产量中所占的比例也在不断地提高。随着汽车、家电、轻工制造业等自身自动化水平的提高，对冷轧板带产品的板形精度提出了越来越严格的要求。本文以某宽带钢UCM六辊冷轧机为研究对象，开展了UCM轧机力学行为与板形控制性能研究，完成的主要工作如下：(1) 结合生产实际建立了UCM六辊冷轧机辊系弹性变形有限元模型。采用大型通用有限元软件ANSYS的APDL语言，建立了可参数化修改的UCM六辊轧机辊系变形有限元模型，提高了有限元模型仿真计算的适应性。 (2) 仿真分析了宽带钢UCM六辊冷轧机板形控制特性。利

2、用所建立的辊系弹性变形有限元模型，分析了工作辊弯辊、中间辊弯辊、中间辊横移及轧制力等因素对轧机的力学行为及板形控制性能的影响，在大量的仿真计算及数据分析的基础上，揭示了辊间压力分布、辊缝凸度调节域、辊缝横向刚度等反应轧机力学行为和板形控制性能的指标的变化规律，为寻找均匀辊间压力分布改善板形的途径提供了可靠的理论依据；(3) 提出了UCM六辊冷轧机中间辊新辊形。针对生产现场的板形缺陷和轧辊剥落等问题，通过理论研究和仿真分析，提出了兼顾板形控制能力和防止轧辊剥落的新中间辊辊形，并分析了其板形控制性能。关键词：六辊轧机，有限元法，力学行为，板形控制，辊形宽带钢UCM六辊冷轧机力学行为与板形控制性能M

3、echanical Behavior and Shape Control Performance of Wide Strip UCM Six-high Cold Rolling MillsAbstractCold-rolled steel is the backbone of the iron and steel industry products, applied to all sectors of the national economy, and its proportion of metallic materials production has been improved. With

4、 the automotive, home appliances, light manufacturing improving their level of automation, stringent requirements on the shape accuracy cold-rolled plate and strip products is increasing. One UCM six-high cold mill is the object，that is used to carry out the research on mechanical behavior and shape

5、 control performance. Main researching contents are as follows: (1) Combined with the production of the actual establishment of the UCM six-high cold mill, a parametric static model of roll cluster of six-high mill was established. Use large general-purpose finite element software ANSYS-APDL to modi

6、fy the parameters of the UCM department of the six-high mill roll deformation finite element model and made the finite element model of the adaptive simulation better.(2) Analysis the shape control performance. Established by the use of roll elastic deformation finite element model, an analysis of w

7、ork roll bending, roll bending the middle and intermediate roll shifting, factors such as the rolling force of the mill and the mechanical behavior of shape control performance, in a large number of simulation and data analysis based on revealed the inter-roll pressure distribution, roll gap adjustm

8、ent crown domain, the horizontal stiffness of joints, such as roller mill mechanical response and performance of shape control of changes of indicators, in order to find a uniform pressure distribution between rolls ways to improve the shape provides a reliable theoretical foundation for modifying t

9、he technical process parameters and searching the routines to improve strip shape quality.(3) Putting forward a new middle roll contour. Site for the production of plate-shaped defects and roll off and so on, through theoretical studies and analysis, putting forward a new middle roll contour to bala

10、nce the shape control performance and prevent roll peeling, and an analysis of the of their shape control performance .Key Words：Six-high mill, Finite element, Mechanical behavior, Shape control, Roll contour目录摘要1Abstract2引言11冷轧带钢板形控制研究综述21.1板形及板形影响因素21.1.1板形的基本概念21.1.2 横截面外形21.1.3 带钢平坦度31.1.4 浪形的生成

11、过程41.1.5 影响板形的主要因素51.2冷轧带钢轧机及板形控制技术61.2.1 冷轧带钢轧机现状61.2.2 板形控制技术91.3研究背景及主要内容101.3.1 研究背景及意义101.3.2 研究意义111.3.3研究目标及主要内容131.4 本章小结132 UCM轧机六辊辊系三维有限元模型的建立142.1 有限单元法的基本知识142.1.1 结构离散化142.1.2 单元分析142.1.3 整体分析152.2 辊系有限元模型的建立152.2.1 假设条件152.2.2 模型简化162.2.3实体单元的选取与划分172.2.4接触单元的选取与划分182.2.5约束与加载182.2.6 仿

12、真工况的确定192.3 本章小结193UCM六辊冷轧机力学行为分析203.1辊系的弹性变形理论203.1.1 轧辊的弹性挠曲203.1.2 轧辊弹性压扁253.2 辊间压力分析303.2.1支持辊与中间辊辊间压力分析303.2.2 工作辊与中间辊辊间压力分析313.2.3 辊间压力分布不均匀度系数333.3 本章小结354 UCM六辊冷轧机板形控制性能分析364.1 承载辊缝形状364.2 辊缝凸度调节域384.3 辊缝横向刚度404.4 本章小结425新辊形技术方案及其板形控制性能435.1 轧辊辊形设计准则435.2 新辊形方案的提出435.2.1新中间辊端部多项式辊形设计445.2.2

13、新中间辊端部辊形参数445.3 新旧辊形方案的辊间压力分布对比465.3.1 支持辊与中间辊辊间压力分布对比465.3.2 中间辊与工作辊辊间压力分布对比495.3.3 采用新辊形后辊间压力分布不均匀度系数525.4 新旧辊形方案轧机板形控制性能对比545.4.1 承载辊缝形状对比545.4.2 辊缝凸度调节域对比555.5 本章小结56结论57参 考 文 献58附 录 1 外文文献61附 录 2外文文献翻译62在 学 取 得 成 果63致谢646- -北京科技大学本科生毕业设计（论文）引言钢铁工业是一个国家的支柱产业，随着科学技术的日益发展，生产力水平的不断提高，对带钢的产品质量提出了越来越

14、苛刻的要求。带钢的产品质量主要包括性能、厚度、板形和表面情况等，其中，板形与厚度是决定带钢几何精度的两大指标。板形主要包含带钢平坦度、横截面凸度和边部减薄量3 项内容。目前，厚度控制技术已经能够将纵向厚度偏差稳定地控制在成品厚度1%或5m 甚至2m 的范围以内，而横截面凸度和边部减薄量则一般控制在1020m 的水平。80 年代以来，随着汽车、家电等轻工业的发展，工业用户对板形平坦度的要求越来越高，原来的平坦度20I 就可以接受，而现在的要求则是10I 甚至5I。板形控制技术就是针对板形影响因素所引起的辊缝形状变化而进行相应补偿的技术。为了获得良好的板形，人们起初是从工艺上着手，通过设定初始辊缝

15、形状，改变轧制规程及调整热凸度等方法进行了种种尝试，然而这些调节手段都普遍存在着响应速度慢，不能实现在线的即时控制等不足之处，而且对于异常板断面如局部高点等缺陷的控制几乎无能为力。鉴于这种情况，人们的眼光开始转向了轧机本身，从设备的结构出发，开发设计出装备有各种执行机构的板形控制轧机，如HC轧机、UC轧机、PC轧机、CVC轧机等。六辊轧机由于其刚度的稳定性和高效率的板形控制能力，使它自20世纪70年代问世以来就得到了较快的发展及应用。UCM六辊轧机目前已成为冷轧薄板的主流机型之一。它主要通过中间辊弯辊、中间辊移动和工作辊弯辊三种装置进行板形控制，因而可以减少工作辊直径，减少轧制负荷，增大道次压

16、下量。随着六辊轧机的广泛使用，人们希望对其控制性能有更深层次的认识，并且各主要控制手段如何合理分配以达到最优的控制效果，是迫切需要解决的问题。对轧制过程的准确理论解析是进行生产和控制的基本前提件。研究典型工况下轧机的力学行为与辊缝形状，对带钢板形控制有重要意义。1冷轧带钢板形控制研究综述1.1板形及板形影响因素1.1.1板形的基本概念目前，描述带钢板形的两个最重要的指标是横截面外形(Profile)和平坦度(Flatness)。横截面外形反映的是沿带钢宽度方向的几何外形特征，而平坦度反映的是带钢沿长度方向的几何外形特征12。这两个指标相互影响，相互转化，共同决定了带钢的板形质量，是板形控制中不

17、可或缺的两个方面。1.1.2 横截面外形横截面外形的主要指标有凸度(Crown)、边部减薄(Edge drop)和楔形(Wedge)。图1.1 带钢横截面凸度图(1)横截面凸度横截面凸度是指带钢截面中心处厚度与两侧标志点平均厚度之差。 (11) 式中：横截面凸度； 带钢截面中心处厚度； 分别为两侧标志点厚度通常取为20mm或40mm。(2)比例凸度带钢横截面凸度与带钢中心厚度的比值称为带钢横截面的比例凸度，有些文献也称之为相对凸度。 (12)(3)边部减薄也称边降，由于轧辊与带钢接触边缘处应力分布的特殊情况，以及带钢在这个区域的横向流动，导致这个区域的厚度急剧减小。操作侧边部减薄： (13)传

18、动侧边部减薄： (14)式中：分别为两侧标志点厚度； 分别为带钢两侧边缘厚度，通常取为5mm。(4)楔形楔形 是指带钢操作侧与传动侧边部标志点厚度之差。 (15)(5)带钢横截面的描述 带钢横截面的厚度分布规律往往用多项式描述： (16)式中：常数项，为带钢横截面中心处厚度； 分别为一次项、二次项、四次项系数。多项式的二次分量就是二次凸度，四次分量为四次凸度1.1.3 带钢平坦度常用相对延伸差来对平坦度进行表示，相对延伸差的单位可理解为每米长度的延伸差，按下式表示：(17)或者用来表示,。对延伸差表示平坦度的方法，常常用在理论计算与分析中。除此之外在，生产中常常使用波浪度来表示平坦度。 (18

19、)式中：R波高；L波长。图1.2 带钢波浪度的表示 为了和凸度对应，采用车比雪夫多项式来描述带钢平坦度在宽度上的分布。其中一次平坦度、二次平坦度、四次平坦度分别用表示： (19) (110)1.1.4 浪形的生成过程总的来说，能影响承载辊缝形状的因素都可以影响带钢的板形。而板形控制的实质是对带钢内部应力的控制。当带材卸掉张力时，带材中仍存在不均匀分布的内应力，即残余内应力。严格的讲，只要带材沿横向有不均匀延伸存在或有不均匀分布应力存在，就可以说带材的板形平坦度不良。无论带材上有没有张力的作用，如果沿横向最大纤维相对长度差没有超过其临界屈曲应变差，带材就不会发生翘曲变形；否则，板形平坦度缺陷还将

20、表现为另一种明显形式瓢曲浪形。习惯上把瓢曲浪形按位置分为单侧边浪、双侧边浪、中浪、四分之一浪、边中复合浪及任意位置局部浪形。在实际生产中，一般只把自然状态下带材表现出来的瓢曲浪形才叫平坦度缺陷。浪形的生成过程可以用图 1.3 形象的反映。图1.3 浪形的生成过程 对应于带钢凸度，可以把单边浪定义为一次浪形缺陷，中浪和边浪定义为二次浪形缺陷，边中复合浪和四分之一浪定义为高次浪形缺陷。实际生产过程中，带钢表现出的浪形缺陷多种多样。产生高次浪形的原因就是在1 /4位置上的凸度控制不理想3。1.1.5 影响板形的主要因素在宽带钢冷轧过程中，若视带钢在变形区内无宽展发生，要避免长度延伸不均匀发生，辊逢的

21、调控必须自始至终保持比例凸度不变，也就是说要遵循等比例凸度原则进行轧制。造成轧机轧制过程中板形缺陷的因素有很多13，主要可归纳为以下几点： (1) 轧辊的弹性挠曲的影响 带钢在轧辊的压力作用下产生塑性变形，但带钢同时给予轧辊反作用力轧制力，使轧辊发生弯曲变形。轧制力越大，轧辊的弯曲变形越严重，导致带钢边部的厚度与中心处的厚度差越大。(2) 轧辊间的弹性压扁的影响 在轧辊间压力的作用下，轧辊间接触区域将发生弹性压扁。弹性压扁沿接触长度的分布是非线性的。(3) 工作辊与带钢之间的弹性压扁的影响 工作辊与带钢间弹性压扁的影响就要复杂的多。在带钢的边缘区域，轧辊失去一侧作用力，弹性压扁急剧下降。(4)

22、 轧辊的热凸度金属塑性变形会产生热量，金属与轧辊的摩擦也会产生热量，这些热量一部分被冷却水带走，另一部分则滞留在轧辊里，使轧辊形成一定形状的热凸度。轧制薄规格带材时，热凸度对带钢板形的影响非常敏感。(5) 初始辊形的影响合理选择轧辊初始辊形，可使板形变化始终被限制在轧机控制能力之内，这是获得良好板形的重要保证4。(6) 轧辊的不均匀磨损的影响在一个轧制计划的前段，带钢的板形是正常的，但随着轧制公里数的增加，由于轧辊不均匀磨损导致带钢，渐渐出现板形缺陷。(7) 热轧来料硬度不均的影响 带钢在热轧过程中，边部冷却快，温度下降要比中部大，会导致不同终轧温度下带钢边部硬度与中部硬度的区别，热轧带钢边部

23、出现硬度沟。(8) 来料凸度的影响在实际生产中，当来料凸度变化时，已定的轧制状态就会变化，因而使变形发生变化。 1.2冷轧带钢轧机及板形控制技术1.2.1 冷轧带钢轧机现状下面对各种轧机的机型，及其基本板型控制手段进行了介绍。从表1.1中可以看出各种冷轧带钢轧机的基本特点。表1.1代表轧机的基本特点 轧机名称开发公司基本特点HC轧机日本日立该轧机是在普通4 辊轧机的基础上，在支持辊和工作辊之间安装一对可轴向移动的中间辊，中间辊的轴向移动方向相反。通过中间辊的横移，消除了支持辊与工作辊之间的有害接触区，提高了轧制的板形控制能力，可适用于任何宽度带材的轧制。HCW(HC系列)四辊轧机：工作辊窜移+

24、工作辊弯辊HCM(HC系列)六辊轧机：中间辊窜移+工作辊弯辊HCMW(HC系列)六辊轧机：工作辊窜移+中间辊窜移+工作辊弯辊UCM(HC系列)六辊轧机：中间辊窜移+工作辊弯辊+中间辊弯辊UCMW(HC系列)六辊轧机：工作辊窜移+中间辊窜移+工作辊弯辊+中间辊弯辊CVC（可连续变动轧辊凸度轧机）德国西马克将上、下轧辊辊身磨削成相同的S形CVC曲线，上、下辊的位置倒置180度，当曲线的初始相位为零时，形成等距的S形平行辊缝，通过轧辊窜动机构，使上、下CVC轧辊相对同步窜动，就可在辊缝处产生连续变化的正、负凸度轮廓，从而适应工艺对轧辊在不同条件下，能迅速、连续、任意改变辊缝凸度的要求。SmartCr

25、own（可连续变动轧辊凸度轧机）奥钢联工作辊磨削成纺锤形（或称S 形），上下工作辊反对称。通过抽动工作辊来改变辊缝的形状，从而来达到调节板形的目的。凭借SmartCrown辊的独特形状，可以改善带材凸度并实现更高阶的板形控制，系统的一个特点是大幅度消除两助波浪。UPC（万能下凸度轧机）德国MDS工作辊磨削成雪茄形（cigar shape）形，上下工作辊反对称。通过抽动工作辊来改变辊缝的形状，从而来达到调节板形的目的。PC(对辊交叉四辊轧机)日本三菱上支持辊和上工作辊为一组，轴线平行；下支持辊和下工作辊为一组，轴线平行。上、下两组轧辊相互交叉成一定的角度。改变轧辊的交叉角度，就可以改变辊缝形状，

26、所以可以改变板凸度和板形。DSR（液压胀形辊）法国VAI Clecim公司主要由静止辊芯、旋转辊套、7个柱塞式液压缸、推力垫及电液伺服阀等部分组成。DSR动态板形辊多用于四辊轧机的支持辊，可成对使用，也可单独使用。其工作原理是根据板形仪测量计算出的实际曲线与目标板形曲线比较，得到一组偏差，通过7个单独调控的液压压下缸，沿整个带宽经旋转辊套给板带分布相应的轧制力，来进行高精度的板形(平直度)控制。VC(在线可变凸度支持辊)日本住友金属公司主要由芯轴、辊套、密封油腔、油路、旋转连接器和高压泵站等部分组成。VC辊控制板形的原理较简单，辊套和芯轴之间设有密封油腔，通过改变油腔内的压力，即使支持辊改变辊

27、形(轧辊凸度)油腔压力与直径胀大在一定范围内呈线性关系，且可做无级调节，因此，可以参与到闭环板形控制系统中。NIPCO（辊缝可控轧辊）瑞士舒尔茨艾舍维斯NIPCO轧辊是由静止心轴和可以绕静止心轴转动的筒形辊套构成的。液压压力腔位于静止心轴和辊套之间。按照压力分布的情况，把几个活塞编成一组，形成几个控制区，用高压油来进行控制。在20世纪，我国仅有武钢、宝钢、本钢和攀钢四个企业拥有板带冷连轧机组。进入21世纪，随着我国钢产量的大幅提高，特别是2004年以来，年产量以超过5000万吨的速度增长，新建的板带冷轧机组也迅速增加。从表1.2中可以年看到我国近几年投产或改造的冷轧机组的情况。表1.2 我国主

28、要冷轧带钢酸轧联合机组概况序号冷轧厂冷连轧机组轧机规格/mm设计能力/万t/a投产/改造年份/年轧机型式主要产品及产量/万t1宝钢5 机架四辊20302101989全连续式连轧机组冷轧产品150，热镀锌产品25，电镀锌产品9，彩涂板16，压型板1013 架四辊+45 架六辊CVC4+CVC6142072.281994酸-轧联合机组电镀锡产品40，冷硬卷产品32.285 机架六辊UCMW15501402000酸-轧联合机组冷轧产品45，热镀锌产品35，电镀锌产品25，电工钢产品355 机架六辊UCM18001702005酸-轧联合机组冷轧产品90，热镀锌产品805 机架四辊1 架WRC 和WRS

29、1220701984/2000常规冷连轧机组冷轧产品61，电镀锡产品162武钢5 机架四辊（改造）17001781978/2003酸-轧联合机组普通冷轧板115，热镀锌板25，电2 武钢 工钢205 机架六辊CVC622302152005酸-轧联合机组汽车板卷90，热镀锌板卷105，彩涂板203鞍钢1 架六辊(1700)+4 架四辊（1676改造）HCM+四辊16761801990/2000酸-轧联合机组冷轧产品100，热镀锌产品50，彩涂产品305 机架六辊UCM17801502003酸-轧联合机组冷轧产品70，热镀锌产品805 机架六辊UCM15001002005酸-轧联合机组中、低牌号无

30、取向硅钢80，冷硬卷产品201、5 架六辊（UCM）+24 架四辊(HCW)21302002006酸-轧联合机组冷轧产品97，冷硬卷1034本钢4 机架四辊（改造）16701201995/2004酸-轧联合机组冷轧产品70，热镀锌产品43，彩涂产品175 机架六辊UCM19701902005酸-轧联合机组冷轧卷90，热镀锌产品60，彩涂产品20，冷硬卷205包钢5 机架六辊CVC617001302005酸-轧联合机组冷轧产品90，热镀锌产品30，彩涂产品106攀钢4 机架六辊UCM12201001995/2003酸-轧联合机组冷轧产品50，热镀锌产品507马钢4 机架六辊UCM17201502

31、004酸-轧联合机组冷轧产品80，热镀锌产品708涟钢4 机架六辊UCM17501502005酸-轧联合机组冷轧产品80，热镀锌产品55，彩涂板159邯钢5 机架六辊CVC617801372005酸-轧联合机组冷轧产品80，热镀锌产品36，彩涂板12，冷硬卷1510唐钢5 机架六辊UCM17502002006酸-轧联合机组冷轧产品35，热镀锌产品135，彩涂板301.2.2 板形控制技术 板形控制的实质是对辊缝沿带材宽度方向辊缝全长的控制。各种板形控制技术也都是围绕着改变承载辊缝形状来对带钢板形的控制，下表为常见板形控制技术汇总 14。表1.3 常见板形控制技术汇总调控方法原 理应 用特点压下

32、倾斜整体改变辊缝形状广泛只针对单侧边浪液压弯辊中间辊弯辊使轧辊挠曲有效改弯辊缝形状中部作用明显工作辊弯辊边部作用明显支持辊变形SC、IC改弯辊形或轧辊弯曲特性不广泛结构复杂，作用有限VCL，VCR自动改变接触线长度较广泛简单有效，改造方便VC以外力方式无级调节支持辊辊形适合低轧制力场合结构复杂，密封难NIPCO，DSR轧辊移位HC(UC)系列轧辊横移直接或间接改变辊缝形状冷轧广泛灵活方便，调节能力强CVC系列广泛PC轧辊交叉直接改变辊缝形状热轧广泛工艺手段初始辊形配置直接改变辊缝形状广泛预先考试，非在线作用优化规程分配压下量时考虑板形精细分段冷却改变温度场广泛可控制任意浪形滞后大当前各种轧机机

33、型所采用的控制板形的基本策略有两种1315：柔性辊缝控制策略、刚性辊缝控制策略。(1) 柔性辊缝控制策略 柔性辊缝控制策略即通过操作板形调控机构的设定值，使承载辊缝形状能够在较大的范围内连续可控变化，消除由于带钢规格变动、轧辊辊形变化或轧制力波动而导致的承载辊缝曲线形状与当前轧制带钢板廓的比例凸度偏差，保证轧制过程始终满足板形平坦性良好条件。液压弯辊、变辊形(CVC，SmartCrown，PC，DSR，VC，NIPCO，分段冷却)、变轧制力均属于柔性辊缝控制策略。(2) 刚性辊缝控制策略刚性辊缝控制策略即通过操作板形调控机构的设定值，使承载辊缝形状能够在面临带钢规格变动或轧制力波动时能保持不变

34、，维持承载辊缝形状曲线与当前轧制带钢板廓的比例凸度接近，并仍能满足板形平坦性良好条件。VCL，SC，IC，VCR，HC，UC属于刚性辊缝控制策略。另外，不能忽略轧机板形控制系统在发挥轧机板形控制技术时的作用，相关介绍可参照文献1617 。1.3研究背景及主要内容1.3.1 研究背景及意义随着我国钢铁业的迅速发展，板带材产品的比例在不断扩大，新建了一大批先进的冷热轧带钢生产线，而这些大型的板带材轧机设备，尤其是近年来所新建的大型宽带钢冷连轧机设备绝大多数都是引进日本日立公司的UCM系列冷轧机或是德国西马克公司的CVC轧机4。1.3.1.1 UCM轧机概况UCM轧机是由日本日立公司开发的一种六辊轧

35、机，它是在HC轧机基础上发展起来的新一代冷轧机之一。图1.5为UCM轧机辊系示意图，UCM轧机相比于HCM轧机增加了中间辊弯曲，其中间辊不仅能轴向移动还设有正弯辊，工作辊设有正负弯辊，它的进一步演变是增加工作辊轴向移动的UCMW轧机。图1.5 UCM轧机辊系示意图1.3.1.2 UCM轧机特点UCM轧机具有如下特点1823：(1) UCM轧机通过中间辊的轴向移动，提高工作辊的刚性，减少工作辊的挠度，使工作辊正负弯辊留有充分的裕量，进行即时调节。(2) 可减少带钢边部减薄和减少边裂宽度，减少切边损失，提高成材率。(3) 可采用小直径工作辊，大压下量，减少轧制道次和轧机数量。1.3.2 研究意义以

36、往可逆式轧制是在单机架上进行的，近年来出现了一种新的可逆式冷轧方式，称为紧凑式冷轧机(compact cold mill，简称CCM轧机)，带钢是在由两个架组上实现连续可逆轧制的。双机架连续可逆式轧制很适合产量在50万t90万t规模范围的冷轧厂，它是单机架可逆式轧制与多机架可逆式轧制之间的过渡方式。由于可逆式宽带钢冷轧机具有生产规模小、灵活性高、投资少、品种规格变换快而批量小的特点，使它在服务个性化用户的需求上，特别是一些高附加值产品上，优越性很明显。双机架冷轧机组在国内尚属全新领域，某厂1500UCM冷轧机组是我国最新自主设计制造的现代化双机架冷轧机组，设计年生产能力63.8万t，轧制产品厚

37、度为0.25-2.0mm、宽度800-1350mm，是我国目前轧制厚度最薄的冷轧机组之一。该厂1500冷轧薄板重点工程采用双机架UCM六辊可逆冷轧机组，利用双机座工作辊的正负弯辊系统、中间辊正弯辊系统及中间辊横移系统等丰富板形控制手段用于满足工业用户日趋严苛的带钢板形质量要求。UCM六辊轧机服役期内辊系力学行为复杂，从图1.61.10可以看出该轧机存在显著的带钢板形质量缺陷和严重的轧辊辊身剥落或断裂，如带钢板形平坦度浪形形态、大小复杂且频繁发生。针对此套1500冷轧机组带钢重大板形缺陷与轧辊剥落问题，全面的了解其力学行为和板形控制性能，找到解决现有问题的方法，以充分发挥双机架UCM六辊冷轧机较

38、为先进机械装备及技术潜力，满足冷轧薄宽板的板形质量要求，同时也为以后对UCM轧机的进一步研究提供理论参照具有重要理论意义与价值。图1.6 不对称高次浪形和复合浪图1.8 剥落的工作辊图1.7 大单边浪图1.9 剥落的中间辊图1.10 发生断裂的支持辊1.3.3研究目标及主要内容针对某厂UCM六辊冷轧机在生产中存在的问题开展以下工作:(1) 建立UCM六辊冷轧机辊系的有限元模型； (2) 研究UCM六辊冷轧机六辊辊系的弹性变形和辊间压力分布；(3) 分析UCM六辊冷轧机的板形控制性能以及它在控制高次浪形方面的特性；(5) 提出兼顾板形控制性能和防止轧辊剥落的轧辊辊形及其配置方案。1.4 本章小结

39、本章主要介绍了与文相关的背景资料；明确的提出了要解决的问题，即某厂1500UCM六辊冷轧机生产过程中产生复杂的板形缺陷问题，并且出现严重的轧辊剥落和轧辊断裂；确定了研究目标及主要研究内容。2 UCM轧机六辊辊系三维有限元模型的建立为了对宽带钢UCM六辊冷轧机的力学行为与板形控制性能进行仿真分析，本文建立了轧机辊系的有限元模型2832。2.1 有限单元法的基本知识一般的力学分析方法主要分为解析法和数值法。有限单元法是一种数值解法。经典的解析法是从研究连续体中的无限小的微分体入手，得出描述连续体性质的微分方程，然后根据边界条件、初始条件可解得问题的一个通解。这个解可以给出连续体内任一点上所求参数的

40、值。然而，对于大多数工程实际问题来说，由于几何形状的不规则，材料的非线性和不均匀，边界条件、初始条件的不健全，其解题能力非常有限。因此数值法得到广泛应用。有限单元法就是一种数值解法。有限单元法的分析计算一般按照结构离散化、单元分析和整体分析三个步骤来进行。2.1.1 结构离散化这是有限单元法的基础，就是用由有限个方位不同但几何性质及物理性质均相似的单元组成的集合体来代替原来的连续体或结构。每个单元仅在节点处和其他单元及外部有联系。具体实施时，大致可分为如下四个步骤：建立数学模型、.单元的划分、.载荷的移置、约束的简化。2.1.2 单元分析单元分析是有限单元法的实质性内容，包括以下几步：(1)

41、选取位移模式。假定位移是坐标的某种简单函数，这种函数称为位移函数或位移模式。选定位移模式后，单元内任一点的位移均可由节点位移表示，其矩阵形式是 (2-1)式中为单元内任一点的位移分量列阵；是单元节点位移列阵；是形函数矩阵，其元素是坐标的函数。(2) 利用几何方程，由(2-1)式导出单元的应变表达式 (2-2)式中单元内任一点的应力分量列阵；称为应变矩阵或几何矩阵。(3) 利用物理知识，由(2-2)式导出用节点表示的单元应力表达式 (2-3)式中为单元内任一点的应力分量列阵；称为应力矩阵(4) 利用平衡条件或虚功方程建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系 或，即 (2-4)式中为单元的节点

42、力分量列阵；为单元刚度矩阵。2.1.3 整体分析整体分析是有限元仿真计算的最后一步，包括两方面内容：(1) 根据节点平衡方程，建立以整体刚度矩阵为系数的，整体节点位移和外载的关系式总体平衡方程 (2-5)(2) 考虑几何边界条件，修改总体刚度矩阵，求解出全部未知位移分量。最后计算并整理出所要求的结果。2.2 辊系有限元模型的建立采用有限元软件ANSYS的APDL(ANSYS Parametric Design Language)语言，建立了可参数化修改的1500UCM六辊冷轧机辊系静力学四分之一模型。2.2.1 假设条件建立UCM轧机辊系有限元模型是一个从具体的实际问题到抽象的理论描述的过程。

43、实际轧制过程中，轧机承载辊缝的形状要受轧制时的张力、扭矩、材料特性、轧制温度、润滑情况、轧制压力分布等多种因素的影响，并且这些影响因素在实际轧制过程中时刻变化，进而时刻影响轧机出口辊缝的形状。建立有限元模型不可能考虑到所有的实际情况，必须进行必要的假设15，32：(1) 忽略张力、轧制扭矩及润滑情况的影响；(2) 轧辊的均为匀质、各向同性材料；(3) 辊系各辊轴线共面，为对称情况；(4) 工作辊与中间辊、中间辊与支持辊间无滑动；(5) 不考虑温度的影响，即不考虑热凸度影响。2.2.2 模型简化在一个轧制过程中，轧辊是不停转动的，但是工作辊与带钢、中间辊与工作辊、支持辊与中间辊的接触区域在确定的

44、轧制条件下几乎是不变的，这就使得我们可以用静态的模型来对UCM冷轧机的力学行为进行分析。(1) 首先建立辊系几何模型，轧辊辊系为全对称，在辊系模型的剖开面上加对称约束即可。由于存在中间辊轴向移动，辊系为反对称，所以需要建立二分之一辊系模型，考虑到计算机的内存和计算速度限制，为了提高计算速度只需要建立四分之一辊系模型。轧辊辊颈和辊身相连，轧辊之间相互接触。基本几何参数如表2.1所示：(2) 工作辊、中间辊和支持辊辊形均按点输入，这样可精确反映辊形的实际值，图2.1和表2.2为中间辊端部初始辊形参数；(3) 只计算轧制线以下的辊系的变形，带钢与辊系之间的作用均布压力来体现。表2.1 轧机几何参数表

45、轧辊辊颈（直径mm长度mm）辊身（直径mm长度mm）支持辊80085013001500中间辊2808604901530工作辊2208904251500图2.1倒角长度50mm中间辊端部辊形表2.2 中间辊端部辊形数据距辊身点距离/mm半径差/mm-7651.25078223-7550.80032026-7450.45010130-7350.20002000-7250.05000125-7157150.000000007250.050001257350.200020007450.450101307550.800320267651.250782232.2.3实体单元的选取与划分ANSYS单元库有1

46、00多种单元类型，考虑到辊系变形模型是一个三维实体模型，因此选取单元库中的Solid45(八节点六面体)等参单元作为主要的单元。同时，为增加辊缝的计算精度，在与带钢接触的小区域内采用Solid95(二十节点六面体)高阶等参单元。在单元的划单元细分。图2-1为划分单元后的辊系计算模型。图 2.2 四分之一辊系三维有限元模型2.2.4接触单元的选取与划分接触是一种高度的边界非线性行为，需要较大的计算资源。求解接触问题存在两个难点：接触区域、表面之间是接触或分开是未知的、突然变化的；大多数接触问题需要计算摩擦，而摩擦使问题的收敛性变得困难。ANSYS对于刚性柔性接触问题和柔性柔性接触问题均能求解。另

47、外，ANSYS支持三种接触方式：点点、点面、面面接触，每种接触使用特定的接触单元。对于判断表面间是否接触的问题，ANSYS采用了事先指定接触面和目标面的处理方法。当接触面上节点穿透目标面时，表明表面间接触了。为了满足接触协调性，在接触面间垂直于目标面的方向施加一作用力Fn，Fn值的大小与所选用的接触算法有关。对于面面接触单元，ANSYS提供两种接触算法：扩展拉格朗日算法和罚函数法，前者是为了找到精确的拉格朗日乘子而对罚函数修正项进行反复迭代，这种算法不易引起病态条件，对接触刚度的灵敏度较小，但有时需更多的计算时间。在辊系变形模型中，对于六辊轧机，工作辊与中间辊、中间辊与支持辊之间的接触属于柔柔

48、接触问题。为了减少计算时间，仅在工作辊和中间辊、中间辊和支持辊的一部分可能发生接触的表面上附加接触单元，并将辊间接触区域中的工作辊和支持辊表面指定为目标面，使用的单元号为TARGET170，中间辊表面为接触面，使用的单元号为CONTACT173，以上两单元均为面面接触单元。2.2.5约束与加载 为了保证计算过程中模型不发生刚性移动和转动，需施加以下约束：在辊系对称面XY面所有节点上施加对称约束和Z方向的位移约束UZ=0；在支持辊上接触线中点处节点施加Y方向的位移约束UY=0；在工作辊、中间辊和支持辊的几何中心施加X方向位移约束UX=0。假设轧制中作用在工作辊辊颈处的单侧弯辊力为Fw，由于所建模

49、型将辊系沿XY平面切开，所以在有限元模型中，作用在工作辊辊颈截面中心处弯辊力为Fw/2，同理作用在中间辊辊颈截面中心的集中弯辊力为FI/2。轧制力P在带钢宽度范围内均匀分布，并以均布载荷的形式作用于辊系的对称面内。2.2.6 仿真工况的确定表2.4为1500冷轧机的轧制产品规格，表2.5为1500冷轧机性能参数。为了分析整体力学行为和板形控制性能，运用所建立的有限元模型对1500冷轧机的承载辊缝形状进行仿真研究，采用以下有限元仿真参数：带钢宽度B：结合实际生产中所轧带钢宽度范围：800mm1350mm，选择其中代表性的宽度规格：800mm，1020mm，1280mm；单位轧制力q：选择轧制力6

50、kN/mm，8kN/mm，10kN/mm进行计算；中间辊横移量S：选择三种中间辊横移量，Smin0mm，Smid100mm，Smax200mm，定义不窜辊时窜辊量为0mm。弯辊力：确定工作辊的正负弯辊力Fw(-180kN360kN)和中间辊的正弯辊力FI(0500kN)，分别选取其最小值、中间值和最大值进行仿真计算。表2.4 轧制产品规格厚度/mm宽度/mm卷材内径/mm卷材外径/mm最大卷重/t坯料1.55.0800138061010002100成品0.252.0800135061010002080表2.5 1500冷轧机性能参数类型最大轧制力/kN最大轧制速度/ m/min液压传动系统压力

51、/ MPa工作辊正/负弯辊力/ kN中间辊正弯辊力/ kN中间辊横移量/ mm轧机参数20000120014360-1805004002.3 本章小结本章介绍了与有限元相关的基本知识；采用有限元软件ANSYS的APDL(ANSYS Parametric Design Language)语言，建立了可参数化修改的六辊轧机辊系静力学四分之一模型；结合实际情况及相关技术文件确定了仿真分析中所需要的工况。3UCM六辊冷轧机力学行为分析轧机的力学行为可大致划分为六种：载荷行为、强度行为、变形行为、动态行为、热行为和随机行为33。本文主要研究的是轧机的变形行为和强度行为，主要是指辊系的弹性变形以及辊间接触

52、压力两个方面。3.1辊系的弹性变形理论在受到轧制力、辊间压力、弯辊力等外力作用时，轧辊会发生弹性变形。轧辊的弹性变形直接改变承载辊缝的形状，而承载辊逢的形状直接决定带钢的断面形状，进而决定了带钢的板形。轧辊的弹性变形分为弹性挠曲和弹性压扁两个方面12，3436。3.1.1 轧辊的弹性挠曲轧辊的弹性挠曲是指轧辊轴线的变形，一般轧辊轴线在受到外力后由一条直线变成曲线。如果按照材料力学中的概念，将轧辊视为一根梁，在受到外力作用时轧辊的弯曲变形情况就是梁的弹性挠曲，如图3-1所示。图3.1 轧辊的弹性挠曲 a受外力前；b受外力后为了便于研究弯辊力、中间辊横移量、单位轧制力等因素对轧辊弹性变形的影响，研

53、究单一因素时，控制其他影响因素为初始状态。这里取Fw=0kN，FI=0kN，S=0mm，q=10kN/mm为各因素初始状态由于仿真工况较多，下面以B1020mm的几种典型工况为例，给出各辊轴线在不同仿真工况下的挠曲曲线。3.1.1.1支持辊轴线挠曲图3.2 不同弯辊力下支持辊轴线挠曲图3.3不同单位轧制力下支持辊轴线挠曲图3.4不同中间辊横移量下支持辊轴线挠曲通过对图3.2图3.4的分析，可以得出以下结论：(1) 在不同弯辊力作用下支撑辊轴线挠曲情况相似，弯辊力的变化主要引起轴线在对称平面上的平移；(2) 随着单位轧制力q的增大，支撑辊轴线挠曲曲线的形状变化不大，总体向轧制力作用方向偏移；(3

54、) 当中间辊横移量S0时，支撑辊轴线挠曲为对称情况，当中间辊横移量发生变化的时候，支撑辊与中间辊有接接触一侧的挠曲比另一侧要大一些，中间辊横移量越大两侧差值越大，即差值与中间辊横移量S同向变化，这是由中间辊横移使得支撑辊辊身一侧不再受力，支撑辊受力情况不对称引起的。3.1.1.2 中间辊轴线挠曲图3.5不同弯辊力下中间辊轴线挠曲图3.6不同轧制力下中间辊轴线挠曲图3.7不同中间辊横移量下中间辊轴线曲通过对图3.5图3.7中，可以得出以下结论：(1) 中间辊正弯辊减小中间辊轴线挠曲，工作辊负弯辊增大中间辊轴线挠曲；(2) 随着单位轧制力q的增大，中间辊轴线挠曲曲线增大，且越靠近辊身边部变化越明显

55、；(3) 当中间辊横移量S0mm时，中间辊轴线挠曲为对称情况，中间辊未与支持辊接触一侧的挠曲比另一侧要大，中间辊横移量越大两侧差值越大，与中间辊横移量S同向变化。3.1.1.3 工作辊轴线挠曲图3.8不同弯辊力下工作辊轴线挠曲图3.9不同轧制力下工作辊轴线挠曲图3.10不同中间辊横移量下工作辊轴线挠曲通过对图3.8图3.10的分析，可以得出以下结论：(1) 工作辊正弯辊减小工作辊轴线挠曲，工作辊正弯辊降低工作辊轴线挠曲，中间辊正弯辊工作降低辊轴线挠曲；(2) 随着单位轧制力q的增大，中间辊轴线挠曲程度增大；(3) 当中间辊横移量S0mm时，工作辊轴线挠曲为对称情况，当中间辊横移量发生变化的时候

56、，工作辊部分悬空，与中间辊的接触线变短，使得中工作悬空一侧的挠曲比另一侧要大一些，中间辊横移量越大两侧差值越大，即差值与中间辊横移量S同向变化。3.1.2 轧辊弹性压扁轧辊的弹性压扁分为轧辊之间的弹性压扁及轧辊与带钢之间的弹性压扁两种类型。弹性压扁是轧辊横截面的变形情况，如图3.11所示。轧辊与轧辊之间的压力分布是不均匀的，因此轧辊之间的弹性压扁沿辊身长度方向上的分布也是不均匀的。轧辊与带钢之间的弹性压扁要考虑弹性压扁在带钢宽度方向上分布情况，特别是在带钢的边部，轧辊的弹性压扁有一个特殊的、急剧变化的区域12,34，如图3.12所示。由于仿真工况较多，下面以B1020mm的几种典型工况为例，给

57、出各辊轴线在不同仿真工况下的挠曲曲线。图3.11 轧辊的弹性压扁图3.12 轧辊的弹性压扁在边部的特殊变化3.1.2.1 支持辊与中间辊间弹性压扁图3.13不同弯辊力下支-中辊间弹性压扁图3.14不同轧制力作用下支-中辊间弹性压扁图3.15不同中间辊横移量下支-中辊间弹性压扁通过对图3.13图3.15中，可以得到以下结论：(1) 在接触区域的边部，弹性压扁急剧变化，其绝对值迅速减小；(2) 中间辊弹性压扁量随工作辊弯辊力和中间辊弯辊力的增大而增大，呈同向变化；(3) 单位轧制力q的增大，支持辊与中间辊间弹性压扁增大；(4) 中间辊横移量S0mm时，支持辊与中间辊间弹性压扁沿辊身长度方向对称分布

58、，当中间辊横移量增大时中间辊未与支持辊接触侧的压扁量随之减小，呈反向变化，而另一侧的压扁量绝对值随之增大，呈正向变化。3.1.2.2 工作辊与中间辊间弹性压扁图3.16不同弯辊力下中-工辊间弹性压扁图3.17不同轧制力作用下中-工辊间弹性压扁图3.18不同中间辊横移量下中-工辊间弹性压扁通过对图3.16图3.18的分析，可以得出以下结论：(1) 在接触区域边部，弹性压扁急剧变化，其绝对值迅速减小；(2) 当工作辊弯辊力Fw增大时，工作辊与中间辊间弹性压扁随之增大，呈正向变化；当中间辊弯辊力FI增大时，工作辊与中间辊间弹性压扁随之减小，呈反向变化；(3) 随着单位轧制力q的增大，弹性压扁整体增大

59、；(4) 中间辊横移量S0时支持辊与中间辊间弹性压扁沿辊身长度方向对称分布，当中间辊横移量S增大时工作辊未与中间辊接触侧的压扁增大。3.1.2.3 工作辊与带钢间弹性压扁图3.19不同弯辊力下工作辊与带钢间弹性压扁图3.20不同轧制力作用下工作辊与带钢间弹性压扁图3.21不同中间辊横移量下工作辊与带钢间弹性压扁通过对图3.19图3.21的分析，可以得出以下结论：(1) 在接触区域的边部，弹性压扁急剧变化，其绝对值迅速减小到零；(2) 工作辊与带钢接触区弹性压扁与几乎不受弯辊和中间辊横移的影响；(3) 随着单位轧制力q的增大，工作辊与带钢接触区弹性压扁整体增大。3.2 辊间压力分析对于带钢轧机而言，能保持长时间稳定、正常的工作是十分重要的，而现实情况是此套UCM可逆式轧机在生产过程中，轧辊出现非正常剥落，甚至断裂。这一问题的原因应该是辊间压力分布不均匀，导致轧辊的疲劳失效3536。在有限元模型中取中间辊与支持辊接触线上的是间辊节点接触压力作为辊间压力分析的基础数据，以中间辊辊身中点为原点，以中间辊辊身方向为横轴，辊间接触压力值为纵轴绘制辊间压力分布曲