出钢冲击对不同倾角万向接轴连接电机轴的影响

2021-12-24关丽坤任学平

重型机械 2021年6期

关丽坤，范增，任学平

(内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头 014010)

0 前言

轧机前后工作辊道为了能可靠地将轧件送入轧钢机轧辊，要求辊道辊子尽可能地靠近轧辊[1]。因此，在这些轧机机架上，都有专门的孔、台阶或者凹槽，以便安装辊子。这些辊子被称为机架辊。承受着轧件抛出和钢锭翻转的巨大冲击负荷,当钢锭加热温度不足或不匀时,轧件对辊道的冲击和顶撞就更为严重[1]。对驱动机架辊道的电机有很大的影响，加之辊道电机频繁正反转的运转和电机防松不好容易造成轴不对中的影响，因而电机轴容易疲劳断裂，致使机架辊成为惰辊，造成轧制出的钢表面精度达不到既定要求，成为影响钢厂经济效益受损的因素[2]。在某轧钢厂生产线上倾斜布置机架辊道电机，一年内在2月、4月出现两次机架辊道电机轴断裂。

1 断口分析

轧机辊道电机轴断裂如图1所示，电机轴断裂位置在轴的键槽处，观察断口的宏观形貌，可见断口较为平整，无明显塑性变形，断面与电机轴线垂直，为明显的疲劳断裂。断口可划分为3个区域，第一个区域为边缘断裂源区，区域较小，为应力集中区域；第二个区域为裂纹较大的裂纹扩展区域，占断口整体面积的60%左右，表面光滑有疲劳裂纹；第三部分为瞬时断裂区域，因受力面积的不断减小导致的瞬时断裂，该区域表面粗糙，有金属光泽。可以判断为电机轴断裂原因为疲劳断裂。

图1 电机轴断裂图

2 动力学分析

2.1 建立辊道系统动力学模型

本文重点研究轧机出钢时产生的冲击对电机轴的影响[2]，因为现场区域的限制等因素影响，连接电机轴与机架辊的万向接轴的倾角也不同。但发现角度为3°、5°的万向接轴连接的电机轴未发生疲劳断裂，角度为8.1°的万向接轴连接的电机轴发生疲劳断裂，因此对不同倾角下的万向接轴建模分析。

在满足精度的前提下对传动系统其他部件进行简化处理。通过已知模型在SolidWorks中进行建模，建立0°、3°、5°、8.1°、10°、12°六个模型。

图2 辊道系统虚拟样机模型

在SolidWorks中进行建模后，保存为.xt格式文件，再导入到Adams/View模块中，如图3所示。

2.2 辊道系统边界条件的确定

通过文献[5]计算出辊道系统受力。

(1)轧件落到辊子上的冲击负荷。

(1)

式中，Q为作用在该辊子上的轧件重量；h为轧件落下的高度；K1为计算动能时，辊子质量的换算系数；K2为计算动量时，辊子质量的换算系数；G1为辊子重量；E为轧件落下的能量；I1为辊子辊身断面的惯性力矩；I2为辊子辊颈断面的惯性力矩；a为支点到辊身中间的距离；c为支点到辊身边缘的距离。

由式(1)求得冲击负载P=2 226 762 N。

(2)辊道驱动力矩计算[6]。

(2)

由式(2)求得M=1 965.4 N·m。

2.3 辊道系统部件之间约束关系

不同倾角的辊道系统分别从SolidWorks中导入Adams中后，其各部件之间的约束关系，如表1所示。

表1 各部件之间的约束

电机轴与电机端部法兰之间通过Contact Force命令设置[6]弹性接触对如图3所示。

图3 弹性接触对参数

2.4 添加驱动

其工作转速为276 r/min，额定转矩为2 000 N·m。因为YGP型电动机在3～50 HZ为恒转矩调速运行，50～100 HZ为恒功率调速运行。电动机变频范围为0～15.6 HZ，所以为恒转矩M阻=M×η=1941 N·m,在电机轴上施加的驱动函数为

STEP(time,0,1656d*time,1,1656d)+STEP(time,1,0d,3,0)+STEP(time,3,0,4,-1656d)

机架辊上施加的冲击力函数为

STEP(time,0,0,0.2,-2226762)+STEP(time,0.2,-2226762,0.5,0)

机架辊上施加的阻转矩函数为

STEP(time,0,0,0.5,-1941)+STEP(time,0.5,0,3, 0)+STEP(time,3,0,4 ,1941)

2.5 辊道系统动力学分析结果

由Adams仿真分析可以得到不同倾角下X、Y、Z轴向力矩如图4，其中X轴的方向为电机轴的切线方向，Y轴的方向为电机轴的径向方向，Z轴的方向为电机轴的轴向方向。随着倾角的增加电机轴受到的总力矩也随之增加，如图5所示。

图4 不同倾角下电机轴X、Y、Z轴向力矩

根据图4折线图信息可得知，轧件冲击力对电机轴轴向力矩的影响很小，几乎最大仅为473 N·m，相对于其他方向产生的力矩可以忽略不计；在倾角0°到5°之间，随着角度的增加，电机轴径向方向的力矩和电机轴切线方向的力矩也在增加，且电机轴径向方向的力矩增大比切线反向的力矩增加的快；但在倾角5°到10°之间，电机轴切线方向的力矩增大速度很快从77 623 N·m增大到2.151×105N·m，而电机轴径向方向的力矩在5°到8°时有所减小，在8°到10°时增长也很小；在10°到12°时电机轴径向方向的力矩增大迅猛从86 399 N·m增大到2.37×105N·m，而切线方向的力矩有所下降。

可以得出在倾角8°电机轴切线方向的力矩相对其他方向来说对电机轴影响较大，比0°和3°时电机轴切向方向的力矩大很多，约1.79×105N·m。

由图5可知,随着万向接轴角度的增大，轧机出钢产生的冲击载荷对电机轴产生的力矩也会增大。在角度为0°时的最大力矩仅有2 019 N·m，从5°到8°时合力矩增大趋势最大。

图5 电机轴受到的总力矩随万向接轴倾角的变化

3 辊道电机轴静力学分析

3.1 建立电机轴静力学模型

利用三维软件Solideworks建立简化的辊道电机轴模型，但必须在保证计算准确和快捷的前提下减化对整体刚度和强度影响不大的孔洞和沟槽，还需要去掉一些小的倒角和过渡圆角，以免增加网格划分和分析计算的难度。建好的模型保存为.xt格式待用。

辊道电机轴的工作流程：启动、负载、制动。通过对不同万向接轴角度电机轴受力进行分析，找出电机轴易出现疲劳开裂的地方。

3.2 不同轴向间隙下的受力仿真

运用Ansys Workbench Environment中静力学仿真模块对不同万向接轴倾角下的辊道电机轴进行仿真[7]。将电机轴的三维模型导入并打开Designmodeler模块生成模型。在Engineering Data中设置材料参数如表2所示，打开 Mechanical 进行网格划分，电机轴采用四面体网格划分，其他部件由系统自动控制。对电机键槽处进行细化处理设置单元尺寸为3.0 mm，Transition设置为Slow，Weak springs设置为off，其他为系统自动控制。网格划分后模型的节点数为82 084，网格单元数为52 458，划分完网格后的有限元模型，如图7所示。接触都设置为固定约束。

表2 部件及材料参数

预紧力计算公式为

(3)

式中，ds为螺纹危险剖面的计算直径；σS为螺栓材料的屈服极限。

通过式(3)可求得P0=226 080 N。

添加载荷:对电机输入端施加额定启动力矩2 000 N·m；由Adams动力学求解的力矩施加在电机与法兰相接触的面上；添加螺栓预紧力值为226 080 N；间隙产生的接触力添加到键的工作面。固定电机输出端，使用远程约束除电机轴旋转自由度以外的5个自动度，如图6所示。最后添加应力、应变结果项。

图6 电机轴受力约束模型

3.3 电机轴应力应变分析

辊道电机作为辊道系统的关键部件，在不同万向接轴倾角下，轧钢出钢冲击和遇到阻碍物突然停止产生最大静力距对电机轴的影响是不同的，通过Adams动力学分析[8]得到所受力矩并导出到Excel表格再导入到Workbench中。对仿真结果进行分析，查看有限元分析结果，得到6组不同倾角下的出钢冲击作用造成的电机轴的应力云图与总变形量云图情况[9]，分别如图7和图8所示。

图7 电机轴应力云图

由有限元分析结果云图可知，由图7可知在轧机出钢的过程中，得到了在万向节轴不同角度下，对电机轴产生的应力最大，最大应力在(0～410)MPa之间。角度0°、3°、5°小于电机轴的许用应力290 MPa，角度8°、10°大于电机轴的许用应力290 MPa且小于电机轴的屈服强度377 MPa，角度12°大于电机轴的屈服强度。表明万向接轴角度选用最好不要大于8°否则会造成电机轴疲劳断裂。

由图8分析可知，在轧机出钢过程中，对电机轴的冲击作用所造成的最大总变形位置为垫片外圈，说明垫片刚度要小一些，范围为0～0.25 mm，但都在允许的范围之内。