軋機機架的動態特性仿真與結構優化

李永恒,

(洛陽有色金屬加工設計研究院, 河南 洛陽 471039)

軋機機架的動態特性仿真與結構優化

李永恒,何中要

(洛陽有色金屬加工設計研究院, 河南 洛陽471039)

應用有限元分析方法,對某鋁帶二輥軋機機架裝配系統進行了動態特性仿真,得出了固有頻率和振型的變化規律.針對軋機機架的薄弱環節,通過參數化方法進行靈敏度分析和結構優化設計,使系統的動態特性得到提高,該結論為高性能軋機的設計優化,提供了一定的參考.

機架裝配; 有限元分析; 動態特性; 結構優化

0 前 言

軋機機架是工作機座的重要部件,在軋制過程中不僅要承受和抵消主要負荷,而且在咬料和拋料時還要承受強烈的沖擊振動[1].機架的振動嚴重影響了產品的質量和精度,限制了軋制速度的提高,軋機的劇烈振動甚至可能造成斷帶或設備損壞[2].因此,軋機機架除了要有足夠的強度和剛度外,還必須要有較好的動態特性.對軋機振動理論和現象的研究已成為現代軋機設計和安全生產所必須注意的問題[3].本文應用有限元分析方法,對某鋁帶二輥軋機機架裝配系統進行動態特性仿真,旨在通過參數化方法進行靈敏度分析和結構優化設計,使系統的動態特性得到提高.

1 軋機機架裝配系統模型的建立

1.1 軋機機架裝配的實體模型

機架裝配包括底座、機架、導軌、軋輥鎖緊裝置、橫梁和滑板等.兩片機架和上部橫梁及下部導軌通過螺栓固緊后裝配在底座上,成為整體機架.在機架窗口內側面裝有滑板,在機架操作側裝有鎖緊裝置,如圖1所示.

圖1 軋機機架裝配模型圖Fig.1 Model drawing of rolling-mill housing assembly

1.2 軋機機架裝配的有限元模型

在建立有限元模型之前,需要對實體模型進行必要的簡化,忽略對模態影響很小的圓角、倒角、孔特征、鎖緊裝置、滑板、底座、螺栓以及螺母等零部件.然后將簡化好的模型通過Inventor-Workbench的接口菜單直接導入Ansys-Workbench工作平臺中.

2 軋機機架動態特性仿真與分析

2.1 軋機機架裝配模態計算結果

經過有限元分析計算,得到機架裝配系統的前9階固有頻率及相應的振型.表1列出了各階模態的固有頻率和對應的振型描述.各階振型如圖2(a)～圖2(i)所示.

表1 機架固有頻率及振型描述Tab.1 Natural frequency and vibration mode of housing

2.2 模態仿真結果分析

(1) 前三階模態的振型主要是機架的整體振動,隨著階數的增高,立柱、導軌、橫梁的振動幅度增大.這說明低階模態往往表現出系統的整體振動,高階模態反映了系統的局部振動.而在軋制過程中由于負載或者軋制速度的變化會產生激振頻率,若與系統固有頻率接近,就會發生共振.所以應盡量避免低階整體共振,減小重要部件高階局部共振.

(2) 從第四階(227.44 Hz)、第五階(406.79 Hz)、第六階(469.21 Hz)、第七階(501.11 Hz)以及第九階(691.78 Hz)的振型變化中,可以發現:立柱均出現整體或者局部擺動、扭動以及中間部位的鼓動,最大值達到2.23 mm(第四階).綜合這幾階立柱的振型情況,可知立柱是機架中的薄弱部位,有必要對其進行適當的結構優化設計,提高其剛度.

3 軋機機架動態特性靈敏度分析與結構優化設計

3.1 動態特性靈敏度分析

對于機架振動系統而言,動態特性的靈敏度分析可以獲得機架結構設計參數(主要指結構的尺寸、形狀、質量、材料等)對機架特性參數(固有頻率、各階振型、總變形等)的影響程度.根據分析結果再對結構進行優化設計.立柱是機架的薄弱部位,所以本文重點對立柱進行分析和優化.

選取機架立柱的3個主要參數作為設計變量.分別是立柱的截面長度(DS_A)、寬度(DS_B)和總高(DS_H).然后分別以機架的一階固有頻率、四階固有頻率以及機架總質量作為目標函數.優化的目標是:提高機架的固有頻率,降低振動變形,同時適當降低質量.圖3給出了各個設計參數對機架固有頻率和總質量的影響程度.

基于圖3參數靈敏度圖,可得到如下結果:

(1) 立柱截面長度、寬度和總高與質量均正相關.其中,寬度對質量影響最大,參數靈敏度數值約為0.125;其次是總高,約為0.1;最小為長度,參數靈敏度數值約為0.05;

(2) 立柱截面長度和寬度與一階、四階固有頻率正相關,高度與固有頻率負相關.其中,高度對一階、四階固有頻率影響最大,靈敏度數值分別約為-0.38、-0.35,寬度靈敏度數值分別約為0.24、0.19,長度靈敏度數值分別約為0.05、0.01.

圖2 軋機機架各階模態振型圖Fig.2 Drawing of each order modal vibration mode

圖3 參數靈敏度圖Fig.3 Drawing of parameters sensitivity

根據以上分析可知,為滿足優化目標,優化的方向為:盡量減小機架立柱高度,增大截面寬度,適當改變截面長度.

3.2 機架結構優化設計

在靈敏度分析的基礎上,對軋機立柱進行結構優化設計,綜合考慮軋輥裝置、輥縫調節量,并將優化后參數取整,優化結果見表2.

從表2中可以發現,通過改變機架立柱結構設計變量,機架質量有所降低,同時較大幅度提高了機架裝配系統固有頻率,說明通過對立柱的優化設計,提高了機架裝配系統動態特性的預期目標.

表2 機架優化前后各參數對比分析Tab.2 Each parameter analysis before and after optimization

4 結 論

(1) 對軋機機架裝配系統進行有限元建模,并對其進行動態特性分析,獲得系統前八階模態固有頻率和各自對應的振型圖,同時分析總結前八階振型情況,確定機架立柱為薄弱部位,是結構動態優化設計的目標.

(2) 通過動態特性靈敏度分析,獲得了3個設計參數對一階、四階固有頻率以及機架總質量目標函數的影響程度,確定了優化設計方向.優化后的結構質量降低了2.33%,一階和四階固有頻率分別提高了22.73%和12.86%,機架裝配系統的動態特性得到了顯著提高.

[1]鄒家祥.軋鋼機械[M].3版.北京:冶金工業出版社,2004:186-245.

[2]趙弘,白晶.軋機振動及非線性分析[J].機械,2003(5):16-19.

[3]李謀渭.軋機振動研究的新進展[J].重型機械,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,碩士,助理工程師,主要從事有色金屬加工設備設計與調試.E-mail:243192796@163.com.

TH112

A