基于ANSYS的2150 mm萬(wàn)能軋機(jī)機(jī)架模態(tài)分析

鄭云龍，涂川，曹帥，馬成斌，鞠德強(qiáng)，李繼宏

（鞍鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司，遼寧 鞍山 114021）

2150 mm萬(wàn)能軋機(jī)工作時(shí)，整機(jī)承受著復(fù)雜的動(dòng)負(fù)荷，這些動(dòng)負(fù)荷直接或間接地傳遞給機(jī)架［1］，即使機(jī)架有很大的強(qiáng)度和剛度，仍然產(chǎn)生一些用靜力學(xué)分析無(wú)法解釋的現(xiàn)象和問題。為此，有必要對(duì)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)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(wàn)能軋機(jī)的主機(jī)架和立輥機(jī)架三維實(shí)體模型，分別對(duì)主機(jī)架和立輥機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算出各自15階固有頻率和振型圖，獲取主機(jī)架和立輥機(jī)架各階主要模態(tài)的特性，得出對(duì)實(shí)際生產(chǎn)影響最大的固有頻率，并提出改善方案。

1 軋機(jī)機(jī)架有限元模型的建立

萬(wàn)能軋機(jī)的主機(jī)架和立輥機(jī)架分別是水平輥系和立輥輥系的承載零件，建模時(shí)需要從如下幾方面進(jìn)行考慮：

（1）2150 mm萬(wàn)能軋機(jī)機(jī)架由一個(gè)主機(jī)架（水平輥機(jī)架）和分別配置在其前后的兩個(gè)立輥機(jī)架構(gòu)成，2150 mm萬(wàn)能軋機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，兩個(gè)立輥機(jī)架分別與主機(jī)架靠一組定位螺栓把合，三個(gè)軋機(jī)機(jī)架分別用地腳螺栓固定。因此，三個(gè)機(jī)架不屬于剛性連接，需分別建模進(jìn)行模態(tài)分析。

（2）萬(wàn)能軋機(jī)的主機(jī)架為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此分析整個(gè)軋機(jī)時(shí)只建立單側(cè)牌坊即可；分別置于主機(jī)架前、后的立輥機(jī)架結(jié)構(gòu)關(guān)于主機(jī)架完全對(duì)稱，因此只建立一個(gè)立輥機(jī)架模型即可。

圖1 2150 mm萬(wàn)能軋機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)

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

圖2 2150 mm萬(wàn)能軋機(jī)機(jī)架三維模型

2 ANSYS軟件的模態(tài)計(jì)算

運(yùn)用ANSYS有限元軟件對(duì)萬(wàn)能軋機(jī)機(jī)架的模態(tài)分析過(guò)程如下：

（1）2150 mm萬(wàn)能軋機(jī)主機(jī)架和立輥機(jī)架的材質(zhì)均為ZG25的鑄鋼件，其參數(shù)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(jù)機(jī)架實(shí)際安裝情況，在施加約束時(shí)，對(duì)主機(jī)架和立輥機(jī)架的地腳螺栓孔內(nèi)施加水平方向約束；對(duì)機(jī)架與地基接觸面施加垂直方向約束；由于重力對(duì)模態(tài)求解并無(wú)影響，故可忽略［2］。

（3）采用8節(jié)點(diǎn)Solid45體單元，精度為1的自由網(wǎng)格劃分方式分別對(duì)主機(jī)架和立輥機(jī)架的三維實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，機(jī)架有限元模型及約束情況見圖3。其中，主機(jī)架有限元模型及約束情況見圖3（a）；立輥機(jī)架有限元模型及約束情況見圖 3（b）。

（4）機(jī)架在軋制過(guò)程中產(chǎn)生的自激振動(dòng)是非常復(fù)雜，理論上應(yīng)按無(wú)限多個(gè)自由度處理，但是由于系統(tǒng)的低階頻率和其相應(yīng)的模態(tài)對(duì)其響應(yīng)有較大影響（因?yàn)槠涓哳l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(shí)只須考慮前幾階模態(tài)，僅對(duì)機(jī)架前15階固有頻率進(jìn)行研究。

圖3 機(jī)架有限元模型及約束情況

3 有限元模態(tài)計(jì)算結(jié)果分析

坐標(biāo)系中，Z軸方向?yàn)榘迮鬈堉品较?，X軸方向?yàn)檐堓佪S向方向，Y軸方向?yàn)樨Q直方向。沿板坯軋制方向（Z軸方向）看，選擇軋機(jī)的左側(cè)為傳動(dòng)側(cè)，右側(cè)為操作側(cè)。

3.1 主機(jī)架有限元模態(tài)計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)主機(jī)架進(jìn)行有限元分析和進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展，即擴(kuò)展振型，可以得到主機(jī)架前15階固有頻率以及非常直觀的振型圖。

圖4為主機(jī)架各階振型圖，從X軸方向看，主機(jī)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(wàn)能軋機(jī)主機(jī)架前15階固有頻率及振型的特征說(shuō)明。需要特殊說(shuō)明的是，主機(jī)架是由兩個(gè)完全對(duì)稱的牌坊組成，而在此僅對(duì)其一側(cè)牌坊進(jìn)行模態(tài)分析。因此，對(duì)于整個(gè)主軋機(jī)而言，在主軋機(jī)實(shí)際振動(dòng)中，單側(cè)牌坊某些由主振動(dòng)引發(fā)的變形可以相互削弱。

軋機(jī)主機(jī)架牌坊的立柱承受較大軋制力時(shí)容易發(fā)生彈性變形，是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的部位［1］。從2150 mm萬(wàn)能軋機(jī)主機(jī)架各階振型的分析中可以看出，主機(jī)架的動(dòng)態(tài)彎曲和扭轉(zhuǎn)變形是影響主軋機(jī)動(dòng)態(tài)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(yùn)動(dòng)（垂振）將對(duì)主軋機(jī)軋制板坯的質(zhì)量造成很大的影響。

圖4 主機(jī)架各階振型圖

表1 2150 mm萬(wàn)能軋機(jī)主機(jī)架前15階固有頻率及振型的特征說(shuō)明

3.2 立輥機(jī)架有限元模態(tài)計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)立輥機(jī)架進(jìn)行有限元分析和模態(tài)擴(kuò)展，可以得到立輥機(jī)架前15階固有頻率和直觀振型圖。圖5為立輥機(jī)架各階振型圖，從X軸方向看，立輥機(jī)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(wàn)能軋機(jī)立輥機(jī)架前15階固有頻率及振型的特征說(shuō)明。

從萬(wàn)能軋機(jī)立輥機(jī)架各階振型的分析中可以得知，立輥機(jī)架上、下兩組橫梁的動(dòng)態(tài)彎曲和扭轉(zhuǎn)變形是影響立輥軋機(jī)動(dòng)態(tài)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(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)對(duì)立輥軋機(jī)軋制板坯的質(zhì)量造成很大影響。

圖5 立輥機(jī)架各階振型圖

表2 2150 mm萬(wàn)能軋機(jī)立輥機(jī)架前15階固有頻率及振型的特征說(shuō)明

4 結(jié)論

（1）主機(jī)架牌坊的立柱作為主機(jī)架較薄弱的部位，是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮的環(huán)節(jié)，優(yōu)化設(shè)計(jì)主軋機(jī)牌坊時(shí)，若適當(dāng)增加局部剛度，可進(jìn)一步提高主軋機(jī)牌坊的動(dòng)態(tài)性能和主軋機(jī)對(duì)板坯的軋制質(zhì)量。

（2）立輥機(jī)架的上、下兩組橫梁是立輥軋機(jī)機(jī)架較為薄弱的部位，在對(duì)設(shè)備改進(jìn)時(shí)，若適當(dāng)增加橫梁剛度，可以大幅提高立輥軋機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。

（3）當(dāng)激振頻率與固有頻率重疊時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)架整體共振，進(jìn)而損壞設(shè)備，因此，工況下應(yīng)盡量避免各振源在這幾階頻率附近出現(xiàn)。主機(jī)架的第9階固有頻率和立輥機(jī)架的第13階固有頻率，由于其頻率較低、振源易于實(shí)現(xiàn)，并且振幅不僅對(duì)板坯的軋制影響較大，同時(shí)對(duì)機(jī)架強(qiáng)度和剛度影響較大，故應(yīng)注意使萬(wàn)能軋機(jī)周圍各振源的頻率與之避開。