高速轧机板带成型过程辊缝摩擦润滑特性试验研究

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Experimental Research on Friction and Lubrication for RollGap in High-speed Rolling ProcessesWang Qiaoyi Fang Min Chen Juan Zhao Yong(1.School of Mechanical Engineering，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou Zhejiang 310018，China；2.Southwest Aluminum(Group)Co.，Ltd，Chongqing 401326，China) 。

Abstract：The high-speed mill vibration lies in the changes of rol gap state which causes the slippage between the rollsan d strip or a negative damping and brings a self-excited vibration of system.Lubrication condition is the most active factorbetween the rol gap，its manifestation is the fluctuations of friction coefficient between the rol and strip.The law of influ·ence from friction state and the oil film thickness were tested in the regard of the emulsion content，roiling mil reductionand roling speed during the actual production of 2 800 four-high reversible cold rolling mil1.The result shows that the im-provement of the roling speed and the emulsion content is conducive to the formation of the oil film between the rol gap，the 0il film thickness trends to similar linear decline with the improvement of the reduction：the friction coeficient betweenthe rols and strip is increased with the improvement of the reduction and decreased with the improvement of the rollingspeed and the emulsion content；the roll force is increased with the improvement of the reduction that causes oil thicknessreduction，then friction state deteriorates with the reduction of flowing lubrication ingredients of the mixed lubrication statebetween the rols and strip，the specific performance is the increase of friction coefficient between rol gap。

Keywords：high-speed mil；roll gap；friction；lubrication；reduction近年来，随着经济的高速发展，轧制板带材的需求量大幅增加，从而使得轧制速度也大幅度提高，而高速轧机表现出与普通低速轧机不-样的工作状况，且易产生自激振动。导致高速轧机自激振动的关键因素之-是辊缝状态的变化，而辊缝间摩擦润滑基金项目：国家自然科学基金项目 (51175133)。

收稿日期：2012-09-l1作者简介：王桥医 (1966-)，男，博士，教授，主要从事摩擦润滑技术及理论研究 .E-mail：wangqiaoyi1989###163.com。

特性是辊缝状态的重要衡量指标之-，其表现形式为轧辊与轧件间摩擦因数的波动，它的变化规律直接影响着与之有关的过程参数的准确程度。尤其是高速轧机，轧件与辊面间的摩擦条件 对轧机的产量、产品的质量、轧制过程的力能消耗以及轧辊的磨损均有重要影响。在轧制理论中，摩擦条件及摩擦因数的取值对轧制压力无论是在定性方面、或是在定量方面都有很大的影响 。因此对轧机在轧制时摩擦因数的影响因素及其变化规律的研究是-项十分重要的课题。

在轧制中影响摩擦因数的因素很多，至今对其机2013年第4期 王桥医等：高速轧机板带成型过程辊缝摩擦润滑特性试验研究 13制和物理规律还远未搞清。本文作者针对轧机在实际生产中存在的问题，研究了乳化液浓度、轧机压下率和轧制速度等对摩擦状态的影响规律及油膜厚度变化规律。

1 试验部分1.1 试验条件为了研究轧机生产中各种外界条件变化时的摩擦润滑状态，对国内某大型铝加工企业6650/bl 400×2 800四辊可逆式冷轧机进行了现场测试研究。2 800轧机主要用于轧制铝合金板带，图 1为2 800轧机组成示意图，轧机性能参数见表 1。

图1 2 800轧机组成示意图Fig 1 Schematic diagram of 2 800 rolling mil表 1 轧机性能参数Table 1 Mil performance parameters辊径 650 mm 电机型号 2-Z2150/950辊宽 2 800 mm 电机容量 2×2 600 kW轧辊材质 70Cr3NiMo 电机转速 90～180 r/min现场用润滑油为变压器油和三乙醇氨混合物。乳化液体积分数为 15% -20%。轧件材质为铝合金5A06。对于摩擦因数采用间接测量法，通过测定轧制压力及前滑来反推摩擦因数。

1.2 试验 结果通过分析轧制过程中乳化液体积分数、轧机压下率和轧制速度对摩擦状态的影响，通过测试不同轧制工艺的力能参数，找出摩擦因数的变化规律。现场轧制实测有关数据见表2。表中 为轧件入VI厚度，为轧件出口厚度，曰为轧件宽度，P为轧制压力，C为乳化液体积分数， 为轧辊转速， 为轧辊出口截面轧件的速度。

表2 现场轧制实测数据Table 2 The field test data14 润滑与密封 第 38卷续表 21.3 理论模型研究板带轧制时的摩擦润滑机制，其首要问题是人 口区的分析。通过入口区的分析 ，确定入口油膜厚度。计算入口油膜厚度时考虑了非稳态变量如带张力、轧制速度、入口角等因素的影响。人口油膜厚度的变化是非常重要的，因为它显示了带入辊缝润滑油的数量，同时工作区的分析将建立在已知的入口油膜厚度基础之上。等温情形下考虑后张应力影响的Wil-son-Walowit的入口油膜厚度公式 为，6 0ul式中：h 是工作区与人口区交点处的油膜厚度，定义为人El油膜厚度；0是人口角； 。为大气压下的黏度；/3为黏度的压力系数；K为轧件屈服应力； 是轧件后张力； 是入口区板带和轧辊的平均表面速度。

1.4 计算程序框图及计算结果计算程序框图如图2所示，计算结果见表 3。图中 s 为前滑值， 为咬入角， 为中性角，r为轧机压下率，K为轧件屈服应力， 为由前滑模型计算的摩擦因数， 为由Hil轧制力模型计算的摩擦因数，R 为考虑弹性压扁时接触弧轧辊半径， 为考虑弹性压扁时轧辊与轧件间的接触弧长度。

原始数据输入Il中间参数计算llV ll2q2(q-2Y)Ill 1·02rl·08 蜥-1.79r4R IH。

JI结果输出I图2 计算程序框图Fig 2 Block diagram of calculation program2013年第4期 王桥医等：高速轧机板带成型过程辊缝摩擦润滑特性试验研究 15表3 计算结果Table 3 The calculation results2 结果与讨论根据实测结果，以乳化液体积分数、轧机压下率、轧制速度与摩擦因数、油膜厚度的相关关系来讨论分析。

2.1 轧机压下率对摩擦因数的影响图3(a)，(b)所示为根据前滑模型和轧制压力模型计算的摩擦因数与轧机压下率的关系∩以看出摩擦因数随轧机压下率的增加而提高，只是由于摩擦因数计算模型的不同，分布规律有差异。轧机压下率在10% ～50%之间变化，摩擦因数的变化范围为0.03-0.065。由此表明：在轧制过程中轧辊与轧件间处于流体动力润滑与边界润滑相互掺杂的混合润滑状态。随着轧机压下率的增加，轧制力随之提高，使得轧辊与轧件间的油膜厚度减小，从而轧辊与轧件间混合润滑状态的流动润滑成分相对减小，摩擦状态随之恶化，具体表现为轧辊与轧件间摩擦因数的增大。

16 润滑与密封 第 38卷RedDetion r/%(a)Reduction，，%(b)图3 摩擦因数与轧机压下率的关系Fig 3 The relationship of friction coeficient and reduction2.2 乳化液体积分数对摩擦因数的影响图4(a)，(b)所示为根据前滑模型和轧制力模型计算的摩擦因数与乳化液体积分数的变化关系。

可以看出摩擦因数随乳化液体积分数的增加呈下降趋势，但变化非常平缓。这是因为乳化液体积分数的提高有利于润滑油吸附在轧辊和轧件的表面上，导致油膜厚度增加，从而使摩擦因数降低。

Em ulsion content %(O)Emulsion content c%(b)图4 摩擦因数与乳化液体积分数的变化关系Fig 4 The relationship of friction coeficient and emulsion content2.3 轧制速度对摩擦因数的影响图5(a)，(b)所示为根据前滑模型和轧制力模型计算的摩擦因数与轧制速度的变化关系。虽然计算结果有所不同，但得到的摩擦因数均随轧制速度的提高呈下降趋势。其原因在于润滑剂进入变形区的量随轧制速度的提高而增加，以至流体动力润滑所占的比例增大，有利于润滑；另外轧制速度的提高使得摩擦热和变形热增加，由于轧制油组成中的极压剂在较高温度条件下才能达到润滑作用，故轧制时摩擦因数降低。

Rolling speed v，(m ·rain )(a)Rolling speed v/(m 。min )(b)图5 摩擦因数与轧制速度的变化关系Fig 5 Th e relationship of friction coeficient and roUing speed2.4 油膜厚度变化规律分析众所周知在轧制过程中辊缝油膜厚度与轧制工艺参数、材料性能、润滑油性质、辊面粗糙度等诸多因素有关。

如图6所示分别为在现场轧制工艺参数下，并结合式 (1)得出的轧制界面辊缝油膜厚度与轧制速度、压下率、乳化液体积分数变化的相关关系∩以看出轧制速度的提高有利于辊缝中油膜的形成，乳化液体积分数的增加也有利于辊缝中油膜的形成，相反油膜厚度随压下率的提高呈类似线性下降趋势。

z'，Ⅱ0 g 000茸0譬uO 0 O O O 0 O 0 O O '，口 u 葛 昱-4e帽芑 IJ2013年第4期 王桥医等：高速轧机板带成型过程辊缝摩擦润滑特性试验研究 17Rollingspeed v/(m ·rain )(a)Reduction rl%(b)Emulsiou content( %(c)图6 辊缝油膜厚度与轧机速度、压下率、乳化液体积分数的变化关系Fig 6 The relationships of oil film thickness and rolingspeed，reduction，emulsion content3 结论(1)摩擦因数随乳化液体积分数的增加呈下降趋势，但变化非常平缓。在轧制过程中从润滑油吸附性角度分析，乳化液体积分数的提高有利于润滑油吸附在轧辊和轧件的表面上，导致油膜厚度的增加，从而使摩擦因数降低。

其原因在于润滑剂进入变形区的量随轧制速度的提高而增加，以至流体动力润滑所占的比例增大，有利于润滑；另外轧制速度的提高使得摩擦热和变形热增加，由于轧制油组成中的极压剂在较高温度条件下才能达到润滑作用，故轧制时润滑摩擦因数降低。

(3)轧制速度的提高有利于辊缝中油膜的形成，乳化液体积分数的增加也有利于辊缝中油膜的形成，相反油膜厚度随压下率的提高呈类似线性下降趋势。

(4)在轧制过程中轧辊与轧件间处于流体动力润滑与边界润滑相互掺杂的混合润滑状态。随着轧机压下率的增加，轧制力随之提高，使得轧辊与轧件间的油膜厚度减小，从而轧辊与轧件间混合润滑状态的流动润滑成分相对减小，摩擦状态随之恶化，具体表现为轧辊与轧件间摩擦因数的增大。