一种轧机联轴器疲劳寿命的在线计算方法

1.本发明属于冶金装备智能维护技术领域，涉及一种轧机联轴器疲劳寿命的在线计算方法。


背景技术：

2.正反转重型万向联轴器广泛应用于各大钢铁厂轧机中，其可靠平稳运行直接决定钢铁生产的质量和效率。然而，由于联轴器承受巨大的轧制扭矩和频繁正反转运行，导致联轴器极易出现开裂事故，对生产安全和企业的正常生产造成巨大的危害，所以对联轴器疲劳寿命预测、疲劳损伤监测和在线疲劳评估非常重要。现有的评估方法主要是基于疲劳仿真的数学评估技术，但对于复杂模型尚未有疲劳寿命快速计算方法，无法实现在线参数与复杂模型的实时共融评估。因此，建立快速实时、实用性强和准确高的疲劳寿命计算方法来实现正反式重型万向联轴器及类似装备的在线疲劳损伤快速评估、实时寿命预测与全寿命周期智能运维等具有重大意义。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明旨在提供一种轧机联轴器疲劳寿命的在线计算方法，解决现有技术中复杂模型疲劳损伤模型难以与在线轧制参数实时共融的技术问题，能够达到快速准确地对实时变化的轧制工况参数所对应的联轴器疲劳寿命实时在线准确评估的目的。
4.为了实现上述目的，本发明提供了一种轧机联轴器疲劳寿命的在线计算方法，该方法包括以下步骤：步骤1：基于轧制过程联轴器扭转冲击机理与特性，建立轧制过程瞬态动力学模型并进行仿真分析，得到重型正反式万向联轴器载荷特性的影响规律：a. 得到瞬态冲击特性与间隙、转速等参数的关系；b. 得到轧制参数对稳定轧制扭矩的影响；c. 得到副转角等运动副对扭矩波动的影响；步骤2：基于步骤1所得到的载荷特性的影响规律建立载荷特性瞬态时域曲线，再基于材料疲劳特性曲线和疲劳损伤求解方法建立的疲劳损伤离线计算模型，得到板材温度、板材厚度、材质、压下量、摆角和轴向窜动等参数对疲劳损伤值的影响；步骤3：基于适合损伤变化特性的样本设计方法、拟合方法和步骤2所得参数对疲劳损伤值的变化规律，建立疲劳损伤与工况参数快速求解数值响应面模型；步骤4：将数学响应面模型进行程序化封装，建立疲劳损伤实时求解软件；步骤5：将在线监测方法获得的轧制参数输入到步骤4所建立的疲劳损伤实时求解软件中，得到单道次轧制疲劳损伤值；步骤6：基于上述步骤1到步骤5所述的疲劳损伤积累在线计算方法，将步骤5所得疲劳损伤值逐道次叠加得到全生命周期实时疲劳损伤和实时剩余寿命，并与破坏性试验结果进行对比验证和精度评估。
5.所述步骤3中，疲劳损伤与工况参数快速求解数值响应面模型为能进行分布式并行信息处理的人工神经网络数学模型：，式中，x1为板材温度，x 2
为板材厚度，x 3
为材质的屈服强度，x 4
为压下量，x 5
为摆角，x 6
为轴向窜动。
6.所述步骤5中，在线监测方法为基于工厂实际轧制环境，采用电涡流传感器实时监测联轴器的所需的运动副参数信号并处理集成为轧制监测系统。
7.与现有技术对比，本发明的有益效果是：（1）本发明的一种轧机联轴器疲劳寿命的在线计算方法，在疲劳损伤机理方面，考虑了轧板的柔性和轧制时相邻道次联轴器正反转切换时的扭转冲击特性的重要性，建立了轧制作业刚柔耦合瞬态动力学仿真模型，提高了实际轧制参数对联轴器疲劳损伤影响的准确性；（2）本发明的一种轧机联轴器疲劳寿命的在线计算方法，在疲劳寿命计算方面，考虑了轧制工况参数随机多变的特性，提出了单道次实时瞬态工况的疲劳仿真和逐道次积累计算方法，实现了单道次和逐道次疲劳损伤积累准确计算，从而实现了疲劳寿命实时准确评估；（3）本发明的一种轧机联轴器疲劳寿命的在线计算方法，在在线疲劳评估与监测方法方面，考虑了复杂模型疲劳损伤模型难以与在线轧制参数实时共融问题，建立了人工神经网络数学响应面模型，实现了对重型轧制联轴器疲劳损伤实时在线准确评估和监测。
附图说明
8.图1为本发明方法的计算方法流程图。
9.图2为本发明方法所述步骤1中的轧制扭矩特性研究流程图。
10.图3为本发明方法实施例的重型正反式万向联轴器模型。
11.图4为本发明方法所述步骤3中的适合损伤变化特性的样本设计方法流程图。
12.图5为本发明方法所述步骤3中的适合损伤变化特性的拟合方法列举图。
13.图中：1-扁头，2-铜滑块，3-叉头。
具体实施方式
14.下面结合附图和优选实施方式对本发明进行具体的说明：如图1所示，一种轧机联轴器疲劳寿命的在线计算方法，包括以下步骤：步骤1：基于轧制过程联轴器扭转冲击机理与特性，使用ansys/ls-dyna软件以1800mm宽厚板轧机为对象，建立包括轧板、轧辊及支撑辊、正反转式联轴器三部分的轧制过程瞬态动力学模型，其中轧板为柔性体，联轴器及轧辊为刚性体。对轧板进行六面体网格划分，材料采用粘弹塑性本构方程，可充分考虑温度、变形速率等因素对变形抗力的影响。对于刚体模型进行几何清理和网格划分。网格划分完成后按照实际工况对联轴器加、约束和实际接触面。设置轧板的运动速度和联轴器叉头端的转速，对正反转两道次的加减速、咬入、稳定轧制、抛钢阶段进行仿真分析，并基于如图2所示的轧制扭矩特性研究流程图，得到重型正反式万向联轴器载荷特性的影响规律：a. 得到瞬态冲击特性与间隙、转速等参数的关系；
b. 得到轧制参数对稳定轧制扭矩的影响；c.得到副转角等运动副对扭矩波动的影响；上述所建立的瞬态动力学模型为考虑了板材柔性对冲击的重要影响而将板材粘弹塑性有限元法与工具的多刚体动力学方法相结合起来建立的轧制作业刚柔耦合动态仿真模型，得到了较为准确的载荷特性影响规律，提高了实际轧制参数对联轴器疲劳损伤影响的准确性。
15.步骤2：基于步骤1所得到的载荷特性的影响规律建立载荷特性瞬态时域曲线，再基于材料疲劳特性曲线和疲劳损伤求解方法建立的疲劳损伤离线计算模型。对如图3所示的重型正反式万向联轴器模型进行网格划分，得到有限元分析模型，建立接触对，施加约束和载荷并进行瞬态动力学仿真，得到各个时刻整个机构的应力及变形分布，再将结果与实际测量数据对比验证模型的精度及修正模型。进一步进行材料粗糙度、应力集中系数、平均应力修正、厚度修正、雨流系数修正等参数设置，根据累积损伤理论进行求解可得到正反转式重型联轴器的单道次轧制过程中的疲劳损伤及寿命分布云图。通过单因素分析法，通过研究疲劳损伤值随板材温度、厚度、辊缝值等工况参数的变化规律，设置合适的变化增量，设计板材温度、板材厚度、辊缝值等不同工况参数,开展不同参数值对应下的疲劳仿真，得到板材温度、板材厚度、材质、压下量、摆角和轴向窜动等参数对疲劳损伤值的影响。
16.所述步骤2中，疲劳损伤求解方法为基于计数方法和疲劳累积方法对有限元瞬态应力求解模型求解开裂点应力，得到开裂点应力时域曲线及其特性。提出了单道次实时瞬态工况的疲劳仿真计算方法和轧制逐道次积累计算方法，实现了单道次疲劳损伤的精准计算和轧制逐道次积累准确计算，从而实现了疲劳寿命实时准确评估。
17.步骤3：采用智能优化的自适应 crpf 算法、粒子滤波算法、metropolis
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hastings 等算法进行试采样，并基于适合损伤变化特性样本设计方法得到正交实验表，再进行疲劳损伤仿真得到疲劳损伤值。基于适合损伤变化特性的数学拟合方法对和步骤2所得参数对疲劳损伤值的变化规律进行拟合，建立疲劳损伤与工况参数快速求解数值响应面模型。
18.所述步骤3中，如图4所示适合损伤变化特性的样本设计方法流程图，采用正交试验设计方法得到参数正交试验表，再对由正交试验表数据参数进行疲劳损伤仿真得到疲劳损伤值。正交试验设计，是指研究多因素多水平的一种试验设计方法。根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备均匀分散，齐整可比的特点。正交试验设计可以实现以最少的试验次数达到与大量全面试验等效的结果，因此应用正交表设计试验是一种高效、快速而经济的多因素试验设计方法。
19.所述步骤3中，如图5所示的适合损伤变化特性的拟合方法列举图，采用降低维度算法、神经网络算法、回归算法和自组织映射算法。这些数学拟合方法能够通过其输入样本学会检测其规律性和输入样本相互之间的关系，并且根据这些输入样本的信息自适应调整网络，使网络以后的响应与输入样本相适应。
20.所述步骤3中，疲劳损伤与工况参数快速求解数值响应面模型为能进行分布式并行信息处理的人工神经网络数学模型： ，式中，x1为板材温度，x2为板材厚度，x3为材质的屈服强度，x4为压下量，x5为摆角，x6为轴向窜动。该数学
模型能够快速准确地求得任意工况参数组合下的仿真结果。
21.步骤4：将数学响应面模型进行程序化封装，建立疲劳损伤实时求解软件。软件制作完成后，对软件的程序进行调试，保证软件的稳定性。软件界面设计有数据输入接口，实现从现有监测系统中提取板厚、温度、转速等用于计算疲劳损伤的重要参数。
22.所述步骤4中，数学响应面模型及其程序化封装采用matlab语言编写和封装。matlab具有高效的数值计算及符号计算功能；具有完备的图形处理功能，能实现计算结果和编程的可视化，具有友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，具有功能丰富的应用工具箱，为用户提供了大量方便实用的处理工具。
23.步骤5：将通过在线监测方法获得联轴器扁头的轴向窜动及水平摆角两个参数和现有监测系统监测到的板厚、温度、材质(屈服强度)、压下量、转速、电流等参数输入到步骤4所建立的疲劳损伤实时求解软件中，得到单道次轧制疲劳损伤值。
24.所述步骤5中，在线监测方法为基于工厂实际轧制环境，采用电涡流传感器实时监测联轴器的所需的运动副参数信号并处理集成为轧制监测系统。电涡流传感器通过电涡流效应原理，准确测量被测体与探头端面的相对位置，其特点是长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响。
25.步骤6：基于所述的疲劳损伤积累在线计算方法，将步骤5所得疲劳损伤值逐道次输入到步骤4中的实时求解软件疲劳损伤叠加接口中，得到全生命周期实时疲劳损伤和实时剩余寿命。

技术特征：
1.一种轧机联轴器疲劳寿命的在线计算方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：基于轧制过程联轴器扭转冲击机理与特性，建立轧制过程瞬态动力学模型并进行仿真分析，得到重型正反式万向联轴器载荷特性的影响规律：a、得到瞬态冲击特性与间隙、转速等参数的关系；b、得到轧制参数对稳定轧制扭矩的影响；c、得到副转角等运动副对扭矩波动的影响；步骤2：基于步骤1所得到的载荷特性的影响规律建立载荷特性瞬态时域曲线，再基于材料疲劳特性曲线和疲劳损伤求解方法建立的疲劳损伤离线计算模型，得到板材温度、板材厚度、材质、压下量、摆角和轴向窜动等参数对疲劳损伤值的影响；步骤3：基于适合损伤变化特性的样本设计方法、拟合方法和步骤2所得参数对疲劳损伤值的变化规律，建立疲劳损伤与工况参数快速求解数值响应面模型；步骤4：将数学响应面模型进行程序化封装，建立疲劳损伤实时求解软件；步骤5：将在线监测方法获得的轧制参数输入到步骤4所建立的疲劳损伤实时求解软件中，得到单道次轧制疲劳损伤值；步骤6：基于上述步骤1到步骤5所述的疲劳损伤积累在线计算方法，将步骤5所得疲劳损伤值逐道次叠加得到全生命周期实时疲劳损伤和实时剩余寿命，并与破坏性试验结果进行对比验证和精度评估。2.根据权利要求书1所述的一种轧机联轴器疲劳寿命的在线计算方法，其特征在于：所述步骤3中，疲劳损伤与工况参数快速求解数值响应面模型为能进行分布式并行信息处理的人工神经网络数学模型：，式中，x1为板材温度，x2为板材厚度，x 3
为材质的屈服强度，x 4
为压下量，x 5
为摆角，x 6
为轴向窜动。3.根据权利要求书1所述的一种轧机联轴器疲劳寿命的在线计算方法，其特征在于：所述步骤5中，在线监测方法为基于工厂实际轧制环境，采用电涡流传感器实时监测联轴器的所需的运动副参数信号并处理集成为轧制监测系统。

技术总结
本发明涉及一种轧机联轴器疲劳寿命的在线计算方法，属于冶金装备智能维护领域。轧机联轴器疲劳失效频繁发生对钢铁生产造成巨大的危害，而现有的评估方法无法实现在线参数与复杂模型的实时共融评估。因此，本发明提出该解决方法：建立轧制过程瞬态动力学模型并进行仿真，再建立疲劳损伤离线计算模型，得到轧制参数对疲劳损伤值的影响，再建立疲劳损伤与工况参数快速求解数值响应面模型并进行程序化封装，再将在线监测的轧制参数输入，得到疲劳损伤值和实时剩余寿命，并进行对比验证和精度评估。本发明可实现了轧机联轴器疲劳损伤在线准确评估和监测。准确评估和监测。准确评估和监测。


技术研发人员：扶志刚 姜永正 周晓峰 翁杰弟 吴国兵 朱升硕
受保护的技术使用者：湖南科技大学
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8