基于ANSYS的2150 mm萬能軋機機架模態分析

鄭云龍，涂川，曹帥，馬成斌，鞠德強，李繼宏

（鞍鋼集團工程技術有限公司，遼寧 鞍山 114021）

2150 mm萬能軋機工作時，整機承受著復雜的動負荷，這些動負荷直接或間接地傳遞給機架［1］，即使機架有很大的強度和剛度，仍然產生一些用靜力學分析無法解釋的現象和問題。為此，有必要對機架進行模態分析。利用ANSYS有限元軟件中的自帶建模功能，分別建立2150 mm萬能軋機的主機架和立輥機架三維實體模型，分別對主機架和立輥機架進行模態分析，計算出各自15階固有頻率和振型圖，獲取主機架和立輥機架各階主要模態的特性，得出對實際生產影響最大的固有頻率，并提出改善方案。

1 軋機機架有限元模型的建立

萬能軋機的主機架和立輥機架分別是水平輥系和立輥輥系的承載零件，建模時需要從如下幾方面進行考慮：

（1）2150 mm萬能軋機機架由一個主機架（水平輥機架）和分別配置在其前后的兩個立輥機架構成，2150 mm萬能軋機機架結構如圖1所示。其中，兩個立輥機架分別與主機架靠一組定位螺栓把合，三個軋機機架分別用地腳螺栓固定。因此，三個機架不屬于剛性連接，需分別建模進行模態分析。

（2）萬能軋機的主機架為對稱結構，因此分析整個軋機時只建立單側牌坊即可；分別置于主機架前、后的立輥機架結構關于主機架完全對稱，因此只建立一個立輥機架模型即可。

圖1 2150 mm萬能軋機機架結構

（3）主機架和立輥機架上的油孔和螺紋孔等對分析影響很小，故將其忽略，得到主機架和立輥機架的模型如圖2所示。

圖2 2150 mm萬能軋機機架三維模型

2 ANSYS軟件的模態計算

運用ANSYS有限元軟件對萬能軋機機架的模態分析過程如下：

（1）2150 mm萬能軋機主機架和立輥機架的材質均為ZG25的鑄鋼件，其參數如下：彈性模量 E=2.02×1011Pa，泊松比 μ=0.3，密度 ρ=7.8×103kg/m3。

（2）根據機架實際安裝情況，在施加約束時，對主機架和立輥機架的地腳螺栓孔內施加水平方向約束；對機架與地基接觸面施加垂直方向約束；由于重力對模態求解并無影響，故可忽略［2］。

（3）采用8節點Solid45體單元，精度為1的自由網格劃分方式分別對主機架和立輥機架的三維實體模型進行網格劃分，機架有限元模型及約束情況見圖3。其中，主機架有限元模型及約束情況見圖3（a）；立輥機架有限元模型及約束情況見圖 3（b）。

（4）機架在軋制過程中產生的自激振動是非常復雜，理論上應按無限多個自由度處理，但是由于系統的低階頻率和其相應的模態對其響應有較大影響（因為其高頻諧波受阻尼影響較大很快衰減，所以不占主要成分）［3］，因此，在分析時只須考慮前幾階模態，僅對機架前15階固有頻率進行研究。

圖3 機架有限元模型及約束情況

3 有限元模態計算結果分析

坐標系中，Z軸方向為板坯軋制方向，X軸方向為軋輥軸向方向，Y軸方向為豎直方向。沿板坯軋制方向（Z軸方向）看，選擇軋機的左側為傳動側，右側為操作側。

3.1 主機架有限元模態計算結果分析

通過對主機架進行有限元分析和進行模態擴展，即擴展振型，可以得到主機架前15階固有頻率以及非常直觀的振型圖。

圖4為主機架各階振型圖，從X軸方向看，主機架前15階各階振型如圖4（a）所示,從Z軸方向看，前15階各階振型如圖4（b）所示。

表1為2150 mm萬能軋機主機架前15階固有頻率及振型的特征說明。需要特殊說明的是，主機架是由兩個完全對稱的牌坊組成，而在此僅對其一側牌坊進行模態分析。因此，對于整個主軋機而言，在主軋機實際振動中，單側牌坊某些由主振動引發的變形可以相互削弱。

軋機主機架牌坊的立柱承受較大軋制力時容易發生彈性變形，是設計時應重點考慮的部位［1］。從2150 mm萬能軋機主機架各階振型的分析中可以看出，主機架的動態彎曲和扭轉變形是影響主軋機動態性能的主要因素，尤其是第9階固有頻率下的振型，橫梁沿垂直（Y軸）方向的上下運動（垂振）將對主軋機軋制板坯的質量造成很大的影響。

圖4 主機架各階振型圖

表1 2150 mm萬能軋機主機架前15階固有頻率及振型的特征說明

3.2 立輥機架有限元模態計算結果分析

通過對立輥機架進行有限元分析和模態擴展，可以得到立輥機架前15階固有頻率和直觀振型圖。圖5為立輥機架各階振型圖，從X軸方向看，立輥機架前15階各階振型見圖5（a）,從Z軸方向看，前15階各階振型見圖5（b）。

表2為2150 mm萬能軋機立輥機架前15階固有頻率及振型的特征說明。

從萬能軋機立輥機架各階振型的分析中可以得知，立輥機架上、下兩組橫梁的動態彎曲和扭轉變形是影響立輥軋機動態性能的主要因素，尤其是第13階固有頻率下的主振型，左右牌坊間相對運動，會對立輥軋機軋制板坯的質量造成很大影響。

圖5 立輥機架各階振型圖

表2 2150 mm萬能軋機立輥機架前15階固有頻率及振型的特征說明

4 結論

（1）主機架牌坊的立柱作為主機架較薄弱的部位，是設計時應該考慮的環節，優化設計主軋機牌坊時，若適當增加局部剛度，可進一步提高主軋機牌坊的動態性能和主軋機對板坯的軋制質量。

（2）立輥機架的上、下兩組橫梁是立輥軋機機架較為薄弱的部位，在對設備改進時，若適當增加橫梁剛度，可以大幅提高立輥軋機的動態性能。

（3）當激振頻率與固有頻率重疊時會導致機架整體共振，進而損壞設備，因此，工況下應盡量避免各振源在這幾階頻率附近出現。主機架的第9階固有頻率和立輥機架的第13階固有頻率，由于其頻率較低、振源易于實現，并且振幅不僅對板坯的軋制影響較大，同時對機架強度和剛度影響較大，故應注意使萬能軋機周圍各振源的頻率與之避開。