轧机扭振建模及预测算法的研究

论文摘要

预测轧机在各类因素下的低频扭振突变失稳,是提高轧制生产效率和产品质量的关键。课题在国家十五科技攻关“大型宽带钢冷连轧成套设备研制及轧机主传动系统扭振关键技术问题的研究及应用（批准号:ZZ02-13B-02-03-1）”的资助下,深入开展了轧机扭振建模和扭振预测算法的研究,通过揭示轧机的渐发性扭振和突发性扭振的发生及演化机理,形成了实现轧机扭振性态判别的预测算法。课题在连续集值和微分包含的框架下,设计了从拓扑集值到微分包含再回到拓扑集值的研究思想,对轧机扭振实施预测的研究方法。首先,在连续拓扑集值的框架下,通过把轧机扭振的力矩和转角位移看作系统的输入输出信号,综合运用系统动力学和拓扑理论构建了轧机在复杂非线性工况下的全局耦合统一模型,获得了定量描述模态降阶的轧机扭振的系统灵敏度和局部灵敏度计算公式;在微分包含的框架下,通过解析轧机扭振在各类典型工程载荷下的动态响应,揭示出轧机扭振的演化机制,形成轧机扭振性态预测的定量分析方法。实现了对轧机扭振拓扑网络输出的模糊评判和估计识别。其次,用定性的方法研究了分岔及分岔点的平衡位置,通过追踪分岔解,研究了轧机扭振平衡点失稳后的振动性态以及在各参数区域内稳态振动的形式,使非线性轧机扭振周期系统同一频率上多个解的稳定收敛问题获得解决,获得了轧机扭振的运动稳定性准则和结构稳定性准则,形成了轧机扭振稳定性预测的定性方法。进一步,将信号的统计特征提取和拓扑网络的融合思想有机结合,构建了实现轧机扭振的系统预测算法和局部预测算法,包括:扭振拓扑网络的系统预测算法、单一轴段扭振局部预测算法、转速波动级数解耦的扭振局部预测算法、模式平面特征量提取的局部预测算法。上述各算法可分别实现轧机扭振系统中不同层次和不同部位的扭振定量预测及综合评价。最后,在扭振实验平台上设计制作试验件和搭建传感测量系统,验证了课题所研究的轧机扭振相关理论和扭振预测算法的正确性、可行性和有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的及意义
• 1.2 轧机扭振的基本形式和特征
• 1.3 轧机扭振建模和预测算法的研究进展
• 1.3.1 轧机扭振建模的研究进展
• 1.3.2 轧机扭振预测算法的研究进展
• 1.4 课题研究思路及研究内容
• 第2章 轧机扭振分析的建模研究
• 2.1 引言
• 2.2 轧机扭振分析的拓扑建模思想
• 2.3 轧机扭振分析的拓扑网络模型
• 2.3.1 基于拓扑网络的轧机扭振单支模型
• 2.3.2 基于拓扑网络的轧机扭振分支模型
• 2.3.3 基于拓扑网络的轧机扭振实例验证
• 2.3.4 基于拓扑网络的轧机扭振时域仿真
• 2.4 基于拓扑网络的轧机扭振灵敏度研究
• 2.4.1 轧机扭振系统灵敏度的研究
• 2.4.2 轧机扭振局部灵敏度的研究
• 2.4.3 轧机扭振单一轴段局部灵敏度分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 轧机扭振动态响应求解
• 3.1 引言
• 3.2 轧机扭振拓扑网络的矩阵形式
• 3.2.1 不同边界条件的动态响应
• 3.2.2 典型工程载荷作用的动态响应
• 3.2.3 考虑间隙作用的动态响应求解
• 3.3 本章小结
• 第4章 轧机扭振稳定性的研究
• 4.1 引言
• 4.2 轧机扭振的非线性特性研究
• 4.3 轧机扭振的稳定性研究
• 4.3.1 轧机扭振的有界性
• 4.3.2 轧机扭振的Lyapunov 稳定性
• 4.4 轧机扭振周期系统运动稳定性的研究
• 4.5 轧机扭振结构稳定性的研究
• 4.5.1 轧机扭振结构稳定性的平衡位置分析
• 4.5.2 轧机扭振结构稳定性的稳定域估计
• 4.6 轧机扭振瞬态工况和稳态工况的稳定性研究
• 4.6.1 瞬态咬入过程的稳定性研究
• 4.6.2 稳态轧制过程的稳定性研究
• 4.6.3 阶跃加载过程的稳定性研究
• 4.7 轧机扭振稳定的必要条件和充分条件
• 4.7.1 轧机扭振稳定的必要条件
• 4.7.2 轧机扭振稳定的充分条件
• 4.8 本章小结
• 第5章 轧机扭振预测算法的研究
• 5.1 引言
• 5.2 轧机扭振拓扑网络模型的预测思想
• 5.3 轧机扭振的局部预测算法
• 5.3.1 基于单一轴段的轧机扭振预测算法的研究
• 5.3.2 基于转速波动级数解耦的轧机扭振预测算法的研究
• 5.3.3 基于模式平面特征量提取的轧机扭振预测算法的研究
• 5.4 轧机扭振的系统预测算法
• 5.5 本章小结
• 第6章 实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验装置和传感测量系统
• 6.3 实验步骤和实验数据
• 6.4 实验分析和算法验证
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介