周研 ， 李耀剛

（1.河北聯(lián)合大學(xué)，河北唐山063000；2.唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司設(shè)備機(jī)動(dòng)部，河北唐山063000）

0 引言

與其他種類的大型高載荷機(jī)械設(shè)備類似，軋機(jī)在其軋制生產(chǎn)過程中也必然存在著振動(dòng)現(xiàn)象。系統(tǒng)的外載荷主要為軋制力矩和主電機(jī)扭矩。垂直振動(dòng)的受載系統(tǒng)一般包括軋輥、軸承座、壓下系統(tǒng)、彎輥裝置、機(jī)架等。軋制力、彎輥力、平衡力等是垂直振動(dòng)系統(tǒng)的主要外載荷。軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的主要振動(dòng)形式為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，而軋鋼機(jī)工作機(jī)座的主要振動(dòng)形式為垂直振動(dòng)。軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性對(duì)軋制質(zhì)量也有較大的影響，本文以唐鋼某廠的冷軋生產(chǎn)線中的六輥軋機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵件萬向聯(lián)軸器進(jìn)行有限元分析。

1 萬向接軸器分析

萬向接軸的三維裝配圖如圖1所示。

圖1 萬向接軸的三維裝配圖

左端的接軸部分與軋輥相連，右端的接軸與分配箱相連，中間部分靠兩個(gè)萬向節(jié)相連。

兩個(gè)叉頭與十字軸都是銷孔連接，可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的，萬向聯(lián)軸器就是通過兩個(gè)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的銷孔連接的配合實(shí)現(xiàn)“萬向”功能的。所以在萬向聯(lián)軸器中叉頭和萬向接軸均為關(guān)鍵件，其強(qiáng)度是否滿足直接影響萬向聯(lián)軸器的傳動(dòng)功能。

下面對(duì)叉頭及萬向接軸進(jìn)行有限元分析。

1）萬向接軸諧響應(yīng)分析。

雖然模態(tài)和諧響應(yīng)同屬于線性分析，本著研究的嚴(yán)謹(jǐn)性，諧響應(yīng)分析仍然采用0°和12°兩種工作狀態(tài)。

由任務(wù)書可知軋制力矩為84 kN·m，力矩由萬向接軸接近電機(jī)的那端傳到軋輥經(jīng)過了萬向聯(lián)軸器和滾子軸承，查表得傳遞效率分別為0.96和0.98，電機(jī)端扭矩為M，則 M×0.96×0.98=84，得M=89.3 kN·m。

將扭矩加載到與十字軸相接處的半圓面上，同時(shí)變換為面力F，與十字軸接觸的兩個(gè)圓面的距離l為184 mm，則

解得 F=2.427×105N。

約束：根據(jù)萬向接軸的實(shí)際工作狀態(tài)，電機(jī)端叉頭端面全約束，萬向聯(lián)軸器的中心軸線上加全約束。在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束。

載荷：將扭矩轉(zhuǎn)換成力偶施加在軋輥端端面的節(jié)點(diǎn)上。

取諧響應(yīng)分析時(shí)施加的簡諧波的頻率范圍為0～1100 Hz，載荷步為20步。

2）結(jié)果分析。

在模型上取點(diǎn)如圖2，分別觀察節(jié)點(diǎn)在X、Y、Z三個(gè)方向上的共振情況。為了與真實(shí)狀況相接近，通過在兩個(gè)模型取不同區(qū)域的點(diǎn)形成曲線，進(jìn)一步觀察、分析得出更能準(zhǔn)確說明問題的點(diǎn)，如圖3。

表1 連接元件的傳遞效率

圖2 諧響應(yīng)分析結(jié)果

圖3 頻率－振幅曲線

圖3 中，曲線的橫坐標(biāo)是頻率，縱坐標(biāo)是振幅。采集實(shí)體上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別觀察分析各個(gè)節(jié)點(diǎn)的X、Y、Z方向的受迫振動(dòng)情況。圖3列出的是具有代表性的四個(gè)節(jié)點(diǎn)的振形圖。

根據(jù)以上分析，得到結(jié)論：在兩種工作狀態(tài)下，萬向接軸各個(gè)節(jié)點(diǎn)的三個(gè)方向都會(huì)在100Hz、570Hz和800Hz附近的某一頻率振幅較大，有共振產(chǎn)生。建議在軋機(jī)的工作環(huán)境要避免或減少以上頻率的振動(dòng)，以免引起共振。

2 結(jié) 論

本文以冷連軋軋機(jī)為研究對(duì)象，在總結(jié)軋機(jī)振動(dòng)研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)六輥軋機(jī)垂直系統(tǒng)的主傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部分——萬向接軸進(jìn)行了有限元分析。利用ANSYS有限元軟件對(duì)萬向接軸等傳動(dòng)部件進(jìn)行了諧響應(yīng)分析,結(jié)果表明，通過對(duì)萬向接軸整體的諧響應(yīng)的分析，得到系統(tǒng)的共振點(diǎn)會(huì)在100 Hz附近，是第一階扭振頻率。故扭振對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的影響最大。

［1］ Guo R M，Urso A C，Schunk J H.Analysis of Chatter Vibration Phenomena of Rolling Mills Using Finite Element Methods［J］.Iron and Steel Eng，1993，70（7）：29-39.

［2］ 李崇堅(jiān)，段巍.軋機(jī)傳動(dòng)交流調(diào)速機(jī)電振動(dòng)控制［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2003：1-6.

［3］ 黃國權(quán).有限元法基礎(chǔ)及ANSYS應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［4］ 王瑞鵬.熱軋過程中軋機(jī)耦合振動(dòng)機(jī)理研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2012.