轧机机架的动态特性仿真与结构优化

李永恒,

(洛阳有色金属加工设计研究院, 河南 洛阳 471039)

轧机机架的动态特性仿真与结构优化

李永恒,何中要

(洛阳有色金属加工设计研究院, 河南 洛阳471039)

应用有限元分析方法,对某铝带二辊轧机机架装配系统进行了动态特性仿真,得出了固有频率和振型的变化规律.针对轧机机架的薄弱环节,通过参数化方法进行灵敏度分析和结构优化设计,使系统的动态特性得到提高,该结论为高性能轧机的设计优化,提供了一定的参考.

机架装配; 有限元分析; 动态特性; 结构优化

0 前 言

轧机机架是工作机座的重要部件,在轧制过程中不仅要承受和抵消主要负荷,而且在咬料和抛料时还要承受强烈的冲击振动[1].机架的振动严重影响了产品的质量和精度,限制了轧制速度的提高,轧机的剧烈振动甚至可能造成断带或设备损坏[2].因此,轧机机架除了要有足够的强度和刚度外,还必须要有较好的动态特性.对轧机振动理论和现象的研究已成为现代轧机设计和安全生产所必须注意的问题[3].本文应用有限元分析方法,对某铝带二辊轧机机架装配系统进行动态特性仿真,旨在通过参数化方法进行灵敏度分析和结构优化设计,使系统的动态特性得到提高.

1 轧机机架装配系统模型的建立

1.1 轧机机架装配的实体模型

机架装配包括底座、机架、导轨、轧辊锁紧装置、横梁和滑板等.两片机架和上部横梁及下部导轨通过螺栓固紧后装配在底座上,成为整体机架.在机架窗口内侧面装有滑板,在机架操作侧装有锁紧装置,如图1所示.

图1 轧机机架装配模型图Fig.1 Model drawing of rolling-mill housing assembly

1.2 轧机机架装配的有限元模型

在建立有限元模型之前,需要对实体模型进行必要的简化,忽略对模态影响很小的圆角、倒角、孔特征、锁紧装置、滑板、底座、螺栓以及螺母等零部件.然后将简化好的模型通过Inventor-Workbench的接口菜单直接导入Ansys-Workbench工作平台中.

2 轧机机架动态特性仿真与分析

2.1 轧机机架装配模态计算结果

经过有限元分析计算,得到机架装配系统的前9阶固有频率及相应的振型.表1列出了各阶模态的固有频率和对应的振型描述.各阶振型如图2(a)～图2(i)所示.

表1 机架固有频率及振型描述Tab.1 Natural frequency and vibration mode of housing

2.2 模态仿真结果分析

(1) 前三阶模态的振型主要是机架的整体振动,随着阶数的增高,立柱、导轨、横梁的振动幅度增大.这说明低阶模态往往表现出系统的整体振动,高阶模态反映了系统的局部振动.而在轧制过程中由于负载或者轧制速度的变化会产生激振频率,若与系统固有频率接近,就会发生共振.所以应尽量避免低阶整体共振,减小重要部件高阶局部共振.

(2) 从第四阶(227.44 Hz)、第五阶(406.79 Hz)、第六阶(469.21 Hz)、第七阶(501.11 Hz)以及第九阶(691.78 Hz)的振型变化中,可以发现:立柱均出现整体或者局部摆动、扭动以及中间部位的鼓动,最大值达到2.23 mm(第四阶).综合这几阶立柱的振型情况,可知立柱是机架中的薄弱部位,有必要对其进行适当的结构优化设计,提高其刚度.

3 轧机机架动态特性灵敏度分析与结构优化设计

3.1 动态特性灵敏度分析

对于机架振动系统而言,动态特性的灵敏度分析可以获得机架结构设计参数(主要指结构的尺寸、形状、质量、材料等)对机架特性参数(固有频率、各阶振型、总变形等)的影响程度.根据分析结果再对结构进行优化设计.立柱是机架的薄弱部位,所以本文重点对立柱进行分析和优化.

选取机架立柱的3个主要参数作为设计变量.分别是立柱的截面长度(DS_A)、宽度(DS_B)和总高(DS_H).然后分别以机架的一阶固有频率、四阶固有频率以及机架总质量作为目标函数.优化的目标是:提高机架的固有频率,降低振动变形,同时适当降低质量.图3给出了各个设计参数对机架固有频率和总质量的影响程度.

基于图3参数灵敏度图,可得到如下结果:

(1) 立柱截面长度、宽度和总高与质量均正相关.其中,宽度对质量影响最大,参数灵敏度数值约为0.125;其次是总高,约为0.1;最小为长度,参数灵敏度数值约为0.05;

(2) 立柱截面长度和宽度与一阶、四阶固有频率正相关,高度与固有频率负相关.其中,高度对一阶、四阶固有频率影响最大,灵敏度数值分别约为-0.38、-0.35,宽度灵敏度数值分别约为0.24、0.19,长度灵敏度数值分别约为0.05、0.01.

图2 轧机机架各阶模态振型图Fig.2 Drawing of each order modal vibration mode

图3 参数灵敏度图Fig.3 Drawing of parameters sensitivity

根据以上分析可知,为满足优化目标,优化的方向为:尽量减小机架立柱高度,增大截面宽度,适当改变截面长度.

3.2 机架结构优化设计

在灵敏度分析的基础上,对轧机立柱进行结构优化设计,综合考虑轧辊装置、辊缝调节量,并将优化后参数取整,优化结果见表2.

从表2中可以发现,通过改变机架立柱结构设计变量,机架质量有所降低,同时较大幅度提高了机架装配系统固有频率,说明通过对立柱的优化设计,提高了机架装配系统动态特性的预期目标.

表2 机架优化前后各参数对比分析Tab.2 Each parameter analysis before and after optimization

4 结 论

(1) 对轧机机架装配系统进行有限元建模,并对其进行动态特性分析,获得系统前八阶模态固有频率和各自对应的振型图,同时分析总结前八阶振型情况,确定机架立柱为薄弱部位,是结构动态优化设计的目标.

(2) 通过动态特性灵敏度分析,获得了3个设计参数对一阶、四阶固有频率以及机架总质量目标函数的影响程度,确定了优化设计方向.优化后的结构质量降低了2.33%,一阶和四阶固有频率分别提高了22.73%和12.86%,机架装配系统的动态特性得到了显著提高.

[1]邹家祥.轧钢机械[M].3版.北京:冶金工业出版社,2004:186-245.

[2]赵弘,白晶.轧机振动及非线性分析[J].机械,2003(5):16-19.

[3]李谋渭.轧机振动研究的新进展[J].重型机械,1994(6):8-11.

DynamicCharacteristicsSimulationandStructuralOptimizationofRolling-millHousing

LIYong-heng,HEZhong-yao

(LuoyangEngineering&ResearchInstituteforNonferrousMetalsProcessing,Luoyang471039,China)

By using finite element analysis method,the simulation of dynamic characteristics was performed on the two-high mill housing assembly system.The natural frequency and vibration mode were obtained.Aiming at the weak components of the mill housing,through the sensitivity analysis and structural optimization method,the dynamic characteristics of the system were improved.The conclusion will provide a certain reference for the design optimization of high-performance mill.

housing assembly; finite element analysis; dynamic characteristics; structural optimization

1005-2046(2014)02-007９-04

10．13258／j．cnki．snm．2014．02．00９

2014-01-12

李永恒(1985-),男,硕士,助理工程师,主要从事有色金属加工设备设计与调试.E-mail:243192796@163.com.

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