基于SolidWorks的冷轧管机动平衡仿真

许 武，李 为，凡 明，赵铁勇，杨 鹏，叶明强

(1.上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072;2.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032;3.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313008)

0 前言

周期式冷轧管机是获得高精度管材的重要设备，其变形量大、成材率高、表面质量好，而被广泛使用。周期式冷轧管机的工作机构可以简化为曲柄滑块机构，曲柄滑块机构不可避免地产生较大的惯性力，不利于实现高效轧制和提高设备的可靠性。为减小不平衡惯性力引起的附加动载荷和振动，必须进行惯性力的平衡计算，以确定附加平衡重量来消除由于结构特点引起的不平衡。通过SolidWorks建立三维模型，将建立的模型利用SolidWorks中Motion分析功能得到的仿真结果与理论计算结论是否一致。

1 机构运动学分析

LG-220冷轧管机传动工作原理如图1中所示，轧机机架C点的运动描述如下:

轧机机架C点水平位移方程为

将式(2)和式(3)带入式(1)中可得

由二项式展开，忽略高次项可得

轧机机架C点的速度为

轧机机架C点的加速度为

图1 LG-220曲轴传动机构简图Fig.1 Diagram of crankshaft transmission mechanism of LG-220 cold mill

垂直平衡重D点垂直位移方程为

垂直平衡重D点的速度为

垂直平衡重D点的加速度为

2 各构件力学分析

通过受力分析，将各构件施加的力等效到曲轴上，然后对曲轴铰点A进行力学分析。设定力与X，Y轴正方向一致为正，力矩顺时针为负，逆时针为正。

轧机机架C:质量mj;机架连杆:质量ml，质心位置a，连杆长度lj;曲轴:质量mq，质心位置q，曲柄半径R;垂直平衡重:质量mz;平衡重连杆:质量mp，质心位置b，连杆长度lp，错距，e;扇形块配重:质量ms，质心位置s;机架连杆与水平方向的夹角，β;平衡重连杆与垂直方向的夹角γ;机架连杆对机架的力与机架连杆对曲拐B点的力是一对平衡力。

机架受力分析，机架连杆对机架的力为

机架连杆与水平方向的夹角为

本文不考虑轧制力、摩擦力对平衡的影响。

机架连杆对机架的力为

机架连杆对B点的力为

机架连杆对B点的力沿X轴的分力为

机架连杆对B点的力沿X轴的分力对A的矩为

机架连杆对B点的力沿Y轴的分力为

机架连杆对B点的力沿Y轴的分力对A的矩为

垂直平衡重连杆对垂直平衡重的力与垂直平衡重连杆对曲拐B点的力是一对平衡力。

垂直平衡重连杆对垂直平衡重的力为

平衡重连杆与垂直方向的夹角为

垂直平衡重连杆对曲拐B点的力为

垂直平衡重连杆对B点沿X轴的分力为

垂直平衡重连杆对B点的力沿X轴的分力对A的矩为

垂直平衡重连杆对B点的力沿 Y轴的分力为

垂直平衡重连杆对B点的力沿Y轴的分力对A的矩为

曲轴离心力为

曲轴离心力沿X轴的分力为

曲轴离心力沿Y轴的分力为

曲轴的重量矩为

扇形块离心力为

扇形块离心力沿X轴的分力为

扇形块离心力沿Y轴的分力:

扇形块的重量矩为

通过力学分析，将曲轴上所受到的力分解。X轴方向的分力为

Y轴方向的分力为

对曲轴铰点A的合力矩为

3 基于SolidWorks模型建立的样机仿真

SolidWorks完全按照对象实物建模，在动力学特性上非常接近于物理样机，因而对动力学的仿真评估可以代替对物理样机总体设计性能的评估。美国的DS SolidWorks公司开发的SolidWorks Motion是一个虚拟原型机仿真工具。借助ADAMS的强力支持，本身具有交互式的实体建模功能，用于建模的工具较强，对于不规则形状的零件容易实现，而对于复杂机构的装配更是方便操作。将建立的模型利用SolidWorks中的Motion插件进行模拟运算，研究软件得到的结论与理论计算结果的差距。

3.1 LG-20冷轧管机的SolidWorks建模

在SolidWorks中主要完成零件的三维建模、零件质量特性的确定以及零件的装配，并可以对模型施加简单的约束。图2为某公司的LG-220冷轧管机的曲轴传动系统三维几何模型。模型按实物建模，使得仿真结果更准确。对模型进行简化和做适当的处理。本模型采用五个子装配:机架系统、轧辊装配、机架连杆装配、垂直平衡重锤装配和曲轴装配，组成总的曲轴传动系统的装配。总的装配模型建立完成后，就可以将模型转换到SolidWorks Motion环境中了。

3.2 模型的导入与仿真

在开发新产品时，利用SolidWorks按实物建模，使得模型更接近物理样机，仿真步骤如图3所示。

该模型在SolidWorks环境下建立了:1个机架系统、2个轧辊装配、2个连杆系统、1个曲轴系统和大地，共七个刚体，曲轴系统和曲轴箱座之间的转动副连杆系统和曲轴之间的转动副、连杆系统和机架系统之间的转动副、以及机架系统和大地之间的移动副，并在曲轴系统和曲轴箱座之间的转动副上施加了旋转运动。利用SolidWorks中的Motion分析，SolidWorks用户不用退出其应用环境，就可以将装配的总成根据其运动关系定义为机械系统，进行系统的运动学仿真，并进行干涉检查，确定运动的起始位置、计算运动副的作用力。利用SolidWorks的结果和图解功能，可以得到系统的运动特性和动力学特性。

3.3 仿真分析

考虑曲轴传动系统的偏心作用，忽略转动不均匀程度的影响，即认为曲轴转速恒定。根据理论计算的起始位置及方向定义曲轴在SolidWorks模型中的起始位置及旋转方向，转速均为50 r/min。

4 计算与结论

4.1 LG-220冷轧管机

具体参数如表1中所示，在solidworks中确定了各构件的质量和质心后，利用静力代换法将各构件的质量代换到A～E五点处，各点经代换后的质量见表1。

表1 LG-220冷轧管机计算参数Tab.1 Calculated parameters of LG-220 cold mill

4.2 仿真结果比较

将上述参数带到相应公式得到的结果与Motion分析得到的结果做比较。

图4、图5和图6分别给出了理论计算值与三维模拟值的计算结果对比。将Motion分析得到的轧机机架C点的加速度、配重块的加速度值以及曲轴箱座X、Y方向受力结果输出到excel，与理论计算的结果做比较可以看出，各值在一个周期内的变化趋势基本一致，只是幅值上有微小差别。

图4 机架加速度与配重加速度理论值与模拟值对比Fig.4 Comparison of theoretical and simulation results for framework acceleration and bob-weight acceleration

图5 曲轴箱座水平和竖直方向受力理论值与模拟值对比Fig.5 Comparison of theoretical and simulation results for stress in horizontal and vertical directions of gear box seat

图6中为Motion分析得到的能源消耗即功率消耗值，通过公式转换成合力矩结果输出到excel，与理论计算的结果做比较得出:趋势一致，幅值有微小差别。

4.3 仿真分析

(1)根据LG-220冷轧管机相关参数，Solid-Works仿真结果与理论计算结果基本一致，为利用SolidWorks进行冷轧管机动平衡分析的可行性提供了可靠保证。

图6 合力矩对比Fig.6 Comparison of resultant moment

(2)利用SolidWorks的强大功能对设备进行了仔细分析，在不同的曲轴转速下，通过选择合理的配重方式，配重质量，使曲轴箱座x、y方向力的峰值明显降低，合力矩的峰值波动明显降低。为设备设计的合理性提供了可靠保证。

(3)速度增加后，支撑处受力和输入扭矩显著增加，要提高轧机速度需要对原轧机各构件的强度进行重新校核。

5 结束语

利用SolidWorks三维建模软件和动力学仿真软件建立了LG-220冷轧管机曲轴传动系统的虚拟原型机，并进行了动力学仿真。从三维建模、动力学仿真到结果分析都获得了满意的结果。SolidWorks设计不仅能检测出设备各种工况时是否干涉，提高设备设计的准确性，同时为理论计算提供准确的重量参数，为合理的配重提供优化方案。

［1］盛祥耀，李欧，居余马.高等数学［M］北京:高等教育出版社，1986.

［2］刘国良.Solidworks 2006完全自学手册［M］北京:北京希望电子出版社，2006.

［3］杨义勇，金德闻.机械系统动力学［M］北京:清华大学出版社，2009.