酸轧机组拉矫机工作辊磨损预测模型研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 26 日 作者简介：李宏大（1990），男，满族，辽宁开原人，中级职称，本科学历，研究方向为冷轧拉矫机相关工艺设备及热轧产品质量。-18-酸轧机组拉矫机工作辊磨损预测模型研究 李宏大 唐山市应急管理局，河北 唐山 063000 摘要：摘要：酸轧机组是冷轧产品的重要生产设备，在金属加工行业中起着至关重要的作用，其中拉矫机作为酸轧机组的核心设备之一，负责对金属卷材进行矫直、拉伸和去应力等工序。然而，长期运行和高强度的工作环境使得拉矫机的工作辊容易遭受磨损，严重影响了生产效率和产品质量。基于此，文章简要阐述了酸轧机组拉矫机的结构特点，并对酸轧机组拉矫机工作辊的磨损特征和磨损机理进行了深入分析，从而提出了建立酸轧机组拉矫机工作辊磨损预测模型的有效措施。关键词：关键词：酸轧机组；拉矫机；工作辊；磨损预测模型 中图分类号：中图分类号：TG3 在传统的拉矫机工作辊的磨损情况检测方法中，通常是基于经验和周期性检查进行确定，该方法无法提前预测磨损情况，不能有效采取相应的维护措施，亟需建立一个准确的酸轧机组拉矫机工作辊磨损预测模型。目前，随着机器学习和数据分析技术的进步，利用历史数据和相关因素来建立预测模型已成为一种可行和有效的方法，实现对拉矫机工作辊的磨损进行全面、准确的分析和预测，以便提前采取维护和更换措施，从而降低生产风险，提高生产效率和产品质量，为金属加工行业的发展和进步做出积极贡献。1 酸轧机组拉矫机的特点 酸轧机组拉矫机是钢铁冶金工业中常用的设备之一，主要用于在酸洗工艺中的钢卷拉矫处理环节，酸洗是指将钢卷浸泡在酸性溶液中，以去除表面的氧化皮、锈蚀和其他不良物质，以净化表面和改善钢材质量，而在酸洗之前，为了使钢卷表面更加平整、去除表面的弯曲和应力失稳，通常需对钢卷进行拉矫处理1。酸轧机组拉矫机主要由拉矫机架、传动装置、辊子和钢卷输送系统等组成，钢卷主要是通过拉矫机工作辊的作用，经过连续的拉矫工序，使钢卷不断地得到拉伸和弯曲，以实现表面的平整和应力的释放；传动装置则负责提供动力和转动力矩，使辊子能够旋转和施加足够的压力，将钢卷进行拉矫。并且，酸轧机组拉矫机还具备高速连续拉矫的能力，可以快速处理大批量的钢卷，提高生产效率和产量，且可根据不同钢材的性质和要求，准确实现拉矫参数调节和系统控制，以达到理想的拉矫效果。此外，酸轧机组拉矫机还可以适应不同类型和规格的钢卷，能够处理不同材质、不同厚度的钢材，应对多种拉矫工艺要求，并通过优化机架结构和辊子布置，确保稳定的运行和较小的设备振动，以保证高质量的拉矫效果。2 酸轧机组拉矫机工作辊的磨损特征分析 2.1 酸轧机组拉矫机工作辊的磨损特征 酸轧机组拉矫机工作辊的表面经过长期的摩擦和压力作用，容易出现表面磨损，如表面光洁度下降，出现磨痕、磨痕和磨粒等现象，影响拉矫质量并提高摩擦系数，使得钢卷产生不均匀的拉矫应力，导致表面质量下降。并且，工作辊背面作为与驱动设备直接接触的部分，承受着相对较大的摩擦力和压力，长时间的摩擦作用会导致工作辊背面的磨损和疲劳，导致辊子的几何尺寸变化、表面平整度下降和背面凸度变化，进而影响钢卷的拉矫效果。由于工作辊与材料之间还存在侧向挤压和侧移摩擦，工作辊的侧面也容易出现磨损，侧向磨损主要表现为辊子侧面金属的消耗和辊子几何形状的改变，进而影响钢卷的拉矫稳定性和平整度。此外，长期的动态载荷和应力作用，以及温度的变化，也会导致工作辊出现疲劳开裂，疲劳开裂主要发生在辊子的高应力集中区域，如辊子表面和背面的切割处，严重影响工作辊的使用寿命和安全性。2.2 酸轧机组拉矫机工作辊磨损机理分析 在酸轧机组拉矫过程中，工作辊表面与钢卷表面中国科技期刊数据库 工业 A-19-之间存在相对滑动和压力作用，而由于摩擦力和压力的作用，表面微观颗粒会破坏工作辊表面的原子结构，形成磨痕和磨粒，且随着时间的推移和工作辊与钢卷的多次接触，磨痕和磨粒会进一步扩大和深化，从而导致表面磨损加剧2。并且，在酸洗工艺中，酸洗液具有强腐蚀性，可溶解钢材表面的氧化皮、锈蚀和其他不良物质，而在拉矫过程中，酸洗液也会与工作辊表面接触，引起化学反应，进而导致工作辊表面金属脱落和磨损。此外，由于工作辊背面与驱动设备之间存在相对滑动和压力作用，工作辊表面会经历循环应力的作用，容易引起疲劳磨损，且疲劳磨损主要发生在辊子的高应力集中区域，如辊子表面的切割处和辊颈等部位。因此，为了延长工作辊的使用寿命，应采取适当的维护和保养措施，如定期涂抹耐磨润滑剂、调整拉矫参数，以及合理安排使用周期，避免过度磨损和损坏。2.3 酸轧机组拉矫机工作辊磨损预测模型的建立意义 对于拉矫机工作辊而言，建立预测模型可提前预警工作辊的磨损问题，帮助相关人员及时采取维护措施，避免由于工作辊磨损引起的生产质量下降、生产停机等问题，使得维护过程更加可控，提高生产效率。同时，预测模型的建立使得维护工作更具科学性、准确性和经济性，通过预测模型，可制定合理的维护计划，如根据预测结果，合理安排工作辊的更换或磨削计划，减少停机时间，并最大程度地降低维护成本。并且，由于工作辊的磨损会对生产效率和产品质量产生负面影响，而通过预测模型，可以及时预警和解决工作辊磨损问题，保证工作辊的正常运转，从而提高生产效率和产品质量，降低次品率，提升酸轧机组的生产能力和竞争力。此外，预测模型的建立依赖于大量的数据采集和分析工作，通过数据的收集和分析，可以更好地了解工作辊磨损的规律和影响因素，为决策提供数据支持，模型的建立也可促使决策过程更加客观、准确和可靠，有助于优化运营管理和生产决策，提升生产效率和市场竞争力，实现可持续发展。3 酸轧机组拉矫机工作辊磨损预测模型建立措施 3.1 模型结构的确定 在建立酸轧机组拉矫机工作辊磨损预测模型前，首先需明确要预测的目标，即工作辊的磨损情况，一般可以工作辊表面的磨损深度、工作辊的剩余寿命，以及其他可以准确描述工作辊磨损程度的指标作为预测目标。同时，收集与工作辊磨损相关的数据，包括工作辊的使用情况、工作参数、工作状态等，以及与工作辊磨损相关的外部因素，如钢卷的材质、规格等，并对收集到的数据进行预处理，包括缺失值处理、数据平滑处理、异常值处理等3。并且，从收集到的数据中提取相关特征，用于建立预测模型，特征包括工作辊使用时间、工作辊的材质、驱动力的大小、工作辊的直径等，并考虑利用该领域前沿技术和专业经验，提取更高级别的特征，以便更好地描述工作辊磨损的规律。此外，还需根据问题的性质和数据的特点，选择适合的预测模型，常见的模型包括线性回归、支持向量机、决策树、神经网络等，一般可根据实际情况选择单一模型，也可以考虑组合多个模型进行预测，并利用交叉验证或留出法等方法对模型进行验证与优化，提高模型的预测能力和鲁棒性。3.2 模型参数分析 在建立酸轧机组拉矫机工作辊磨损预测模型时，模型参数分析是其中的关键步骤，可帮助设计师充分理解模型的影响因素，并对模型的性能进行评估。在训练模型之前，通常需对模型的初始参数进行设置，可根据相关领域的知识和经验来选择合适的参数值，也可使用某些默认的参数值作为初始设置，并对于模型中的每个参数，进行灵敏度分析，评估其对模型输出的影响程度。例如，通过在参数中一次性改变一个单位，并观察输出结果的变化完成评估分析，帮助设计师更好地理解参数与模型输出之间的关系，从而确定哪些参数对模型的性能影响最大。基于灵敏度分析的结果，根据模型输出的目标，利用优化方法（如网格搜索、遗传算法等）来优化模型参数，提高模型的预测能力更好，并对模型使用交叉验证或留出法等方法进行评估，比较不同参数设置下的模型表现，选择性能最佳的参数设置作为最终的模型参数。此外，还需对模型参数的稳定性进行深入研究，一般可通过引入噪声或随机变动评估模型参数的稳定性，如引入随机扰动进行重采样，并观察模型参数的变化，进一步优化模型的性能。3.3 参数优化 中国科技期刊数据库 工业 A-20-在酸轧机组拉矫机工作辊磨损预测模型中，参数优化是为了使模型的预测能力达到最佳状态，通过调整模型的参数来提高模型性能。第一，可采用网格搜索的参数优化方法，其主要是基于预定义的参数空间，在每个参数的可能取值组合上进行穷举搜索，评估每个组合的性能，并通过比较不同参数组合的性能，选择性能最优的参数组合。第二，随机搜索与网格搜索的不同之处在于，不是遍历所有可能的参数组合，而是从预定义的参数空间中随机选择一组参数组合，并评估其性能，通过对多个随机生成的参数组合进行评估，选择表现最好的组合。第三，贝叶斯优化是一种基于贝叶斯理论的优化方法，可以更高效地搜索参数空间并寻找最优参数组合，其主要是通过实时更新参数的后验概率分布，选择下一个要评估的参数组合，从而尽快找到最佳参数设置，贝叶斯优化特别适用于参数空间较大或评估成本较高的情况下。第五，遗传算法是一种基于自然选择和遗传机制的参数优化方法，其主要是通过模拟遗传过程中的选择、交叉和变异等操作，逐代进化参数组合，直到找到最优的参数设置，遗传算法可以处理非线性、非凸的参数优化问题，并具有较好的全局搜索能力4。此外，对于可计算梯度的模型，还可使用梯度优化方法来调整参数，通过计算参数对应的损失函数的梯度，并根据梯度的变化方向来更新参数值，常用的梯度优化算法包括随机梯度下降（SGD）、Adam、RMS prop 等，实现快速收敛并找到局部最优解。在进行模型参数优化时，除了选用合适的优化方法，还应根据实际情况选择优化的范围和步长，进行适当的正则化和约束，并进行交叉验证或留出法等模型验证方法来评估不同参数设置下模型的性能，选择性能最佳的参数设置。3.4 模型验证 在建立酸轧机组拉矫机工作辊磨损预测模型后，一般还需进行模型验证，以评估模型的准确性和预测能力，通常先将收集到的数据划分为训练集和测试集，以 70%的数据作为训练集，30%的数据作为测试集，训练集用于训练模型，测试集用于评估模型的性能。并且，使用测试集数据来评估模型的预测能力，对于磨损预测模型，常见的评估指标包括均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）、决定系数（R2）等，用于衡量模型的拟合程度和预测能力，其中越接近 0 的 RMSE 和MAE 值越好，R2 值越接近 1 越好。同时，采用交叉验证的模型验证方法，更全面地评估模型的性能。例如，k 折交叉验证将数据划分为 k 个子集，每次使用其中的k-1 个子集作为训练集，另一个子集作为测试集，通过多次交叉验证并计算平均指标，可以更准确地评估模型的性能5。此外，还可将模型的预测结果与实际观测结果进行对比，通过绘制预测结果与实际结果的散点图、线性回归图或误差分布图，更加直观地比较预测的准确程度，并根据验证结果，对模型进行调整和改进，如改变模型的结构、增加或减少特征，或者调整模型的超参数等，通过反复验证和改进，逐渐提高模型的预测准确性和稳定性。3.5 模型的应用和监测 在建立健全酸轧机组拉矫机工作辊磨损预测模型后，需将建立好的预测模型应用于实际生产环境中，如实时监测、提供预警、制定维护计划等方面，并在每个工作周期结束时，使用模型对下一个工作周期的工作辊磨损进行预测，提前预警可能出现的磨损问题。同时，使用传感器和监测装置持续进行数据采集和更新，保证模型的准确性和实用性，及时收集工作辊的使用时间、径向力、表面温度、润滑与冷却情况等与工作辊磨损相关的数据，并进行周期性的监测和验证。例如，通过比较模型的预测结果与实际观测结果，检查模型的准确性和稳定性，如果发现模型的预测误差较大或出现偏差，需要调查原因并进行模型调优和改进。此外，还需根据模型预测的结果，建立相应的预警和报警机制，当工作辊磨损超过预设阈值时，预警机制可发出警报提醒相关人员，便于及时采取措施，避免工作辊磨损过度而影响生产质量和安全，以确保工作辊的正常运转，减少生产停机时间。4 结语 综上所述，在进行酸轧机组拉矫机工作辊磨损预测模型建立时，首先需确定预测模型的结构，对模型的主要参数进行深入分析，如钢卷的材料属性、尺寸厚度，拉矫机的工作参数（摩擦力、向心力等），以及工作辊的规格参数（质量、尺寸），并进行参数优化、模型验证和应用检测，提高预测模型的性能和效率。同时，酸轧机组拉矫机工作辊磨损预测模型还可基于机器学习和数据分析技术，通过大量的历史数据和相关因素，准确预测工作辊的磨损情况，提前预警工作中国科技期刊数据库 工业 A-21-辊的磨损问题，及时采取维护和更换措施，从而提高生产效率、降低维护成本，为相关行业的可持续发展提供保障。参考文献 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