熱連軋機(jī)軸向振動(dòng)仿真研究

裴令明

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司 安徽馬鞍山243021)

1 前言

某廠熱連軋生產(chǎn)線由德國(guó)西馬克公司設(shè)計(jì)的四輥軋機(jī)F1-F7組成，F(xiàn)6經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)存在不同振動(dòng)程度的軸向振動(dòng)，導(dǎo)致集油盒承受強(qiáng)烈的軸向振動(dòng)載荷而頻繁發(fā)生損壞。

軋機(jī)振動(dòng)研究一般依據(jù)振動(dòng)形式可分為機(jī)座垂直系統(tǒng)的振動(dòng)和主傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，而近二十多年熱連軋機(jī)的振動(dòng)研究焦點(diǎn)多為工作輥水平振動(dòng)。許多學(xué)者對(duì)前兩種振動(dòng)做了大量研究，而研究軸向振動(dòng)[1-4]卻寥寥無幾，也并未對(duì)軸向振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理做出合理的解釋。

2 軋機(jī)主傳動(dòng)振動(dòng)現(xiàn)象

為了摸清振動(dòng)狀態(tài)，以F6軋機(jī)為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，主要包括工作輥軸承座、弧形齒集油盒、人字齒軸承座以及電機(jī)軸承座的軸向加速度信號(hào)和頻譜分析如圖1所示。

經(jīng)頻譜分析咬鋼瞬間激發(fā)的主傳動(dòng)系統(tǒng)軸向振動(dòng)頻率約18、30和55Hz，咬鋼之后依然存在56Hz軸向振動(dòng)如圖2所示。

圖1 軋機(jī)主傳動(dòng)軸向振動(dòng)加速度

圖2 軋制過程典型扭矩信號(hào)

利用扭矩遙測(cè)系統(tǒng)對(duì)主傳動(dòng)軸扭矩進(jìn)行了測(cè)量，典型的扭矩信號(hào)如圖3所示主傳動(dòng)系統(tǒng)扭振也存在56Hz的振動(dòng)中心頻率。

圖3 軋制過程中扭矩信號(hào)頻譜圖

3 軋機(jī)主傳動(dòng)軸向振動(dòng)固有模態(tài)分析

為了探索軋機(jī)軸向振動(dòng)規(guī)律，首先利用ANSYS模態(tài)分析模塊對(duì)軋機(jī)主傳動(dòng)軸向振動(dòng)固有特性進(jìn)行求解。

利用ANSYS軟件對(duì)整個(gè)主傳動(dòng)系統(tǒng)建立三維立體模型如圖4所示，模型共有單元數(shù)14460、節(jié)點(diǎn)數(shù)82380。包括支撐輥、工作輥、軸承座、弧形齒接軸、齒輪座、電機(jī)中間圓筒接手和電機(jī)軸以及聯(lián)軸器。定義X軸為主傳動(dòng)軸向方向、Y軸表示軸的徑向方向和Z軸軋制方向。

圖4 有限元網(wǎng)格劃分

經(jīng)過仿真分析獲得主傳動(dòng)軸向振動(dòng)1階固有振型和1階固有頻率為28.65Hz，軸向振動(dòng)3階固有振型和3階固有頻率為55.82Hz。固有頻率仿真計(jì)算結(jié)果表明軋機(jī)軸向振動(dòng)是以軸向第3階固有頻率來進(jìn)行振動(dòng)的，這與實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合。

4 基于ANSYS的諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)是分析結(jié)構(gòu)在承受隨時(shí)間正弦變化載荷作用下穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種技術(shù)。為了方便研究主傳動(dòng)的軸向振動(dòng)，首先把隨時(shí)間變化的軸向力簡(jiǎn)化為一諧波載荷：

F=FO+AOsinωt

其中FO=1063.6kN，表示軸向力實(shí)際大??；AO=53.18kN，表示軸向力正弦波動(dòng)幅值。

在電機(jī)的軸端加載軸向諧波載荷進(jìn)行諧響應(yīng)分析，來模擬轉(zhuǎn)子不對(duì)中軸向振動(dòng)響應(yīng)。分別選取電機(jī)端面軸心點(diǎn)、軋輥端面軸心點(diǎn)、人字齒端面軸心點(diǎn)以及弧形齒聯(lián)軸器端面軸心點(diǎn)的軸向振幅，得到主傳動(dòng)系統(tǒng)的諧響應(yīng)如圖5-圖8所示。

圖5 電機(jī)軸軸心節(jié)點(diǎn)幅頻特性

由仿真結(jié)果可以看出，在軸向振動(dòng)諧波的作用下，電機(jī)軸、人字齒軸、弧形齒聯(lián)軸器和工作輥的軸端面節(jié)點(diǎn)在56Hz處同時(shí)出現(xiàn)軸向位移峰值，分別約為5.0×10-3m、2.3×10-8m、2.80×10-8m和8×10-8m。56Hz頻率接近于軸向振動(dòng)的3階固有頻率56Hz,因此在56Hz附近能夠引起主傳動(dòng)第3階軸向振動(dòng)。

圖6 人字齒軸向端面節(jié)點(diǎn)軸向位移幅頻特性

圖7 弧形齒聯(lián)軸器軸端面節(jié)點(diǎn)幅軸向位移幅頻特性

圖8 工作輥軸端面節(jié)點(diǎn)軸向位移幅頻特性

4 結(jié)論

以熱連軋機(jī)F6作為研究對(duì)象，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和仿真研究，可以得出以下結(jié)論：

1)F6軋機(jī)在咬鋼過程出現(xiàn)3個(gè)振動(dòng)頻率，分別為18、30和56Hz，正常軋制后56Hz依然存在，這對(duì)集油盒產(chǎn)生了長(zhǎng)期的激勵(lì)。

2)利用ANSYS對(duì)軸向模態(tài)進(jìn)行了分析，獲得了第階56Hz的固有頻率，說明軋機(jī)軸向振動(dòng)與固有頻率基本吻合。

3)通過諧響應(yīng)分析得到主傳動(dòng)主要零部件的軸向響應(yīng)的幅頻特性規(guī)律，與實(shí)測(cè)結(jié)果也基本吻合。

綜上所述，軋機(jī)主傳動(dòng)在咬鋼和正常軋制過程中將固有頻率激發(fā)，導(dǎo)致振動(dòng)嚴(yán)重，使集油盒頻繁損壞，提供給軋機(jī)主傳動(dòng)振動(dòng)能量是軋機(jī)主傳動(dòng)電機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)在軋機(jī)主傳動(dòng)速度控制回路中增加了陷波濾波器[5-8]，振動(dòng)得到很大的緩解，最終使集油盒壽命大大提高。