基于不同结构参数及工况对辊筒动力学特性影响的有限元分析

高致富张 锋焦 伟

（1．神华神东电力有限责任公司，陕西神木，719300；2．陕西科技大学轻工与能源学院，陕西西安，710021）

·辊筒动力学特性·

基于不同结构参数及工况对辊筒动力学特性影响的有限元分析

高致富1张 锋2焦 伟2

（1．神华神东电力有限责任公司，陕西神木，719300；2．陕西科技大学轻工与能源学院，陕西西安，710021）

通过ANSYS有限元软件对不同工况和结构参数的干网导辊进行动力学特性分析，着重探究了辊筒的长度、直径、壁厚以及轴承支撑刚度对辊筒动力学特性的影响。分析得出辊筒长度对其动力学特性影响较大，直径和壁厚可以改善辊筒振幅，支撑刚度对其几乎无影响。降低纸机横幅、增大辊筒直径可以提高车速，壁厚对改善辊筒振幅效果最为明显。

高速纸机；辊筒；动力学；特性；有限元分析

辊筒是纸机上应用非常广泛的旋转部件，种类繁多，数量可达数百个。然而，随着纸机车速的不断提高，转速逐渐接近于临界转速，纸机将产生共振现象影响正常工作，尤其对长径比较大的小径辊表现优为突出，如干网导辊、案辊以及引纸辊等［1﹣2］。纸机辊筒的动力学特性不仅影响了纸张质量和纸机综合效率，还直接限制纸机车速的进一步提高。影响纸机辊筒动力学特性的因素很多，比如辊筒结构（长度、壁厚、直径）、支撑刚度、外部激励、陀螺效应、轴承阻尼系数、油膜温度、轴承机构参数等。本文通过ANSYS Workbench有限元模态分析，选用最具有代表性的高速纸机干网导辊为对象，对不同工况和结构参数的干网导辊进行辊筒动力学特性分析，探究辊筒长度、直径、壁厚以及轴承支撑刚度对辊筒动力学特性的影响。

1 辊筒的建模

通过Solidworks三维软件建立导辊简化整体模型，初始主要技术参数如表1所示。结构简化内容包括：轴头和筒体作为一个整体；将轴头简化为几段阶梯轴；不考虑键槽、倒角、圆角、小孔、油槽、安装孔、螺纹等结构；忽略了包胶层、螺栓、螺母、垫片、铜套以及不锈钢套等对导辊的影响［3］。将干网导辊模型导入ANSYSWorkbench中，对材料属性进行设定，并采用默认方法划分网格［4］。同时，添加径向特定支撑刚度轴承的弹性支撑（两端各一个）、轴向的给定位移约束（轴向约束一端位移为0，一端自由）［5﹣6］，忽略了毛毯载荷、结构载荷和热载荷。导辊在造纸机上作为刚性转子，设置求解前三阶振型和振幅结果，对其进行模态分析计算［7﹣9］。

表1 干网导辊模型的相关技术参数

2 辊筒动力学特性有限元分析

通过控制变量法着重于导辊的长度、直径、壁厚以及支撑刚度参数对其动力学特性的影响一一进行分析探究。

2.1 长度

辊筒长度是纸机纸幅的决定性因素，也是造纸企业中极其关注的焦点之一。为了研究辊筒长度对辊筒动力学特性的影响，需要建立一系列导辊动力学模型，依次设置导辊辊面长度为3000、4000、5000、6000、7000、8000 mm，其余参数不变。分别对上述6个动力学模型进行模态分析，得出不同长度导辊的前三阶固有频率和振幅的详细数据如表2所示，不同长度导辊的前三阶固有频率和振幅变化曲线如图1和图2所示。

表2 不同长度干网导辊的前三阶固有频率和振幅

图1 不同长度的干网导辊前三阶固有频率变化曲线图

图2 不同长度的干网导辊前三阶振幅变化曲线图

根据表2和图1可知，导辊前三阶固有频率都随着导辊长度的增加而减小。由表2和图2可知，前两阶振幅都随着导辊长度的增加而减小，而第三阶振幅是先减小后增大，振幅最小的导辊辊面长度在7000 mm左右。然而，最理想的纸机导辊是固有频率较大而振幅较小。但随着导辊长度的增大，只能减小振幅，无法增大固有频率，反而减小了固有频率。因此，根据导辊动力学特性和导辊长度的关系可知，选用导辊长度时要综合考虑对固有频率和振幅的影响。在特定的情况下，重点考虑主要因素而适当放宽次要因素。当导辊的转速不高时，很难接近导辊的一阶临界转速，所以固有频率为次要因素，而振幅为主要因素。为了达到减小振幅的目的，可以适当增大导辊的长度，这样既可保证纸机的正常运行，又可增加纸机幅宽。

2.2 直径

辊筒直径是改善动力学特性的主要因素之一，也是影响纸幅宽度的因素之一。工业中通常使用的导辊直径大概为500 mm，选取导辊直径分别为490、510、530、550、570和590 mm，设定导辊结构其他的参数为：辊面长度6000 mm，壁厚20 mm，支承刚度2．2×106N/mm。分析计算可得不同直径导辊前三阶固有频率和振幅的数据，如表3所示。不同直径导辊的前三阶固有频率和振幅变化曲线如图3和图4所示。根据表3中得到的一阶固有频率实验数据分析，计算可得不同参数导辊决定的纸机临界车速分布如图5所示。

根据表3和图3可知，随着导辊直径的增大一阶和二阶固有频率逐渐增加，而三阶固有频率逐渐减少。根据表3和图4可知，随着导辊直径的增大，前三阶振幅都在减小。由图3和图5分析可知，导辊直径增加对一阶固有频率影响较小，但是对于纸机车速影响较大。在导辊为刚性转动时，增加导辊直径既有利于纸机提高速度，又可减小振幅。因此，导辊直径是提高纸机车速的重要影响因素之一。

2.3 厚度

辊筒壁厚是决定辊筒刚度的主要参数。为了探究辊筒壁厚与辊筒动力学特性的研究，现将导辊的壁厚分别设置为10、12、14、16、18和20 mm。其他参数为：导辊辊面长度6000 mm，内径500 mm，支承刚度2．2×106N/mm。对不同壁厚导辊的固有频率和无外部激励时的振幅分析计算，得出导辊动力学特性的实验数据如表4所示。绘制导辊的前三阶固有频率和振幅随着壁厚变化曲线如图6和图7所示。根据表4中一阶固有频率实验数据，分析可得不同壁厚参数导辊的纸机临界车速情况，如图8所示。

表3 不同直径干网导辊的前三阶固有频率和振幅

表4 不同壁厚干网导辊的前三阶固有频率和振幅

图3 不同直径干网导辊的前三阶固有频率变化曲线图

图4 不同直径干网导辊的前三阶振幅变化曲线图

图5 不同直径干网导辊适用的临界车速变化曲线图

图6 不同壁厚干网导辊的前三阶固有频率变化曲线图

图7 不同壁厚干网导辊的前三阶振幅变化曲线图

图8 不同壁厚干网导辊适用临界车速变化曲线图

由于辊筒壁厚的改变，引起辊筒重力和辊筒刚度的变化。也就是说，壁厚越厚，其重力及刚度也随之增加。而重力及刚度都是影响辊筒运行的本质因素。从表4和表6可知，除10 mm壁厚辊筒第三阶固有频率外，辊筒随着壁厚的增加固有频率逐渐减小，其中第三阶固有频率变化较为显著。这是因为随着壁厚增加，辊筒重力对固有频率影响较大，从而降低了辊筒的临界转速。当转速越高时，辊筒重力对固有频率的影响也就越大，因此第三阶固有频率变化较为显著。从表4和图7可知，随着辊筒壁厚的增加前三阶振幅减少较为显著。这是因为随着壁厚的增大，辊筒刚度对振幅的影响较大，改善振幅较为显著。然而，由于10 mm壁厚辊筒重力较小，且其刚度较差，其刚度对固有频率的影响表现较为突出，产生的振幅较大，从而降低了第三阶固有频率。从图8可知，辊筒壁厚的变化对纸机临界车速影响不大。因此，增加辊筒壁厚主要可以减少辊筒的振幅，对提高纸机车速有一定的作用。

表5 不同支承刚度干网导辊的前三阶固有频率和振幅

图9 干网导辊的前三阶固有频率随支承刚度的变化曲线图

图10 干网导辊的前三阶振幅随导辊支承刚度的变化曲线图

2.4 轴承支撑刚度

轴承的动力学特性在转子动力学分析中起着非常重要的作用。然而迄今为止还没有系统、完整的滚动轴承动力学特性分析方法和数据可供参考。转子的支承刚度是影响临界转速的一个重要因素，转子在刚性支承和弹性支承下，临界转速的变化非常显著，所以也必须从转子动力学角度计算轴承刚度对导辊的临界转速和振幅的影响。在轴承﹣转子系统的动力学特性计算中，如果轴承座和轴承整体的刚度远大于轴的刚度时，这时轴可以看成是刚性支承；当轴承座和轴的刚度接近的时候，轴和轴承座可以作为一个整体来处理；而当轴的刚度远大于轴承座的刚度时，这时轴必须以弹性支承来处理，否则会对计算结果影响较大。本课题中导辊轴承的刚度很大，可以近似看成是一个弹性支承的轴承﹣转子系统，但是为了研究导辊的支承刚度与模态分析之间的关系，本课题依然认为导辊的支承是具有一定刚度的弹性支承系统。

为了研究导辊的支承刚度与导辊的固有频率、振幅的关系，选取轴承支撑刚度分别为2．2×105、2．2× 106、2．2×107、2．2×108、2．2×109、2．2×1010、2．2×1011N/mm。导辊其余参数为：长度6000 mm，壁厚20 mm，直径540 mm。经分析计算可得：不同支承刚度下导辊的前三阶固有频率和振幅的实验数据如表5所示。根据实验数据绘制导辊的前三阶固有频率和振幅随导辊支承刚度的变化曲线如图9和图10所示。

根据表5和图9分析可知，随着轴承支撑刚度的增大导辊前三阶固有频率变化幅度非常小。由表5和图10分析可知，随着轴承支撑刚度增大导辊前三阶振幅趋近于某个值。即当支撑刚度大于或等于某个值时，支撑刚度对导辊各阶固有频率和振幅几乎没有影响。这是因为随着支撑刚度的逐渐增大，轴承﹣转子系统由弹性支撑转变为刚性支承，因此，继续增加刚度值对导辊的固有频率和振幅无影响。根据上述分析可知，轴承的支撑刚度对导辊前三阶固有频率和振幅几乎没有影响。

3 总 结

本课题通过对典型的高速纸机干网导辊的动力学特性分析，总结出辊筒结构和工况参数对辊筒动力学特性的影响程度，得出了辊筒结构参数对辊筒动力学特性影响较大，而工况影响较小。具体表现为，辊筒长度对前三阶固有频率和振幅都有影响，而对辊筒固有频率影响最为明显；增大辊筒直径对提高纸机车速是有利的；辊筒壁厚对振幅影响较为显著；增加支撑刚度对辊筒动力学特性几乎没有影响，只是将轴承﹣转子系统的弹性支撑转化为刚性支撑。其中，辊筒长度对辊筒动力学特性影响最大，也是最复杂的。因此，在设计辊筒时，一定要综合考虑辊筒结构对辊筒动力学特性的影响，以保证纸机正常运行和辊筒的使用寿命，降低生产成本。

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（责任编辑：马 忻）

Finite Element Analysis of the Influence of Working Condition and Structure Parameters on Dynam ic Characteristic of the High﹣speed Paper M achine Roller

GAO Zhi﹣fu1，*ZHANG Feng2JIAOWei2
（1．Shenhua Shendong Electtic Powet Co.，Ltd.，Shenmu，Shaanxi Ptovince，719300；2．Light Industty and Enetgy College，Shaanxi Univetsity of Science and Technology，Xi'an，Shaanxi Ptovince，710021）（*E﹣mail：710140884@qq．com）

With the continuous increasing of papermachine speed，roller dynamic performance is very important and itwill limit the increase of papermachine speed．The paper analyzed differentworking conditions and structure parameters and researched dynamic characteristics of dry felt guide roller by using the finite elementsoftware ANSYSworkbench．Itwas emphatically investigated that the impactof the length，di﹣ameter，wall thickness and bearing supporting stiffness on the dynamic characteristics of the roller．The analysis results indicated that the roller length had greater influence on its dynamic characteristics，and increasing diameter and wall thickness could improve amplitude，but support rigidity almosthad no effecton it．Reducing papermachinewidth and increasing roller diameter could improve the speed，wall thick﹣ness affected most obviously the vibration amplitude of the roller．

high speed papermachine；roller；dynamics；character；finit element analysis

高致富先生，助理工程师；主要研究方向为：旋转机械及动力系统。

TQ051．3；TS734+．4

A

0254﹣508X（2015）09﹣0050﹣05

2015﹣05﹣17（修改稿）