1700四辊带钢轧机机架的动力学特性研究 - 副本.doc

1700四辊带钢轧机机架的动力学特性研究班级：机 设 四 班姓名：王 璐学号：S100802030052010年12月1700四辊带钢轧机机架的动力学特性研究王 璐摘 要:针对1700 四辊带钢轧机振动问题, 利用大型有限元软件ANSYS, 建立机架的结构分析模型, 得出该轧机机架容易激发的固有频率和振型; 并利用结构力学理论对典型模态进行了验证。为轧机机架设计及抑制轧机振动提供了依据。关键词: 轧机机架; 有限元分析; 固有频率; 结构力学Investigation of dynamic characteristics for 1700 four rol lers strip millAbstract:Aimed at the vibration problem of 1700 four rollers strip mill, by using the large FEM softw are,structure analysis model of mill frame w as established; and the natural f requency and the vibrat ion modelswhich are easily be ex cited w ere obtained.By using structural mechanics theory, the typical model are validated, which provides reference for the design of mill frame and restraining mill vibration.Key words: mill frame; FEM analysis; natural frequency;structural mechanics轧钢机机架是轧钢机的重要部件,其上安装有轧辊、轧辊轴承座、轧辊调整装置等,不仅要承受很大地轧制力,而且咬钢和脱钢时要承受严重地冲击振动。因此,机架不仅要有足够的刚度和强度, 还要对其动力学特性进行分析,掌握其振动特性,保证其稳定性,避免工作时引起共振1-3。某大型钢厂的1700冷连轧机组在轧制薄规格板带时经常出现振动现象,对产品和设备造成不利影响。为弄清此振动问题,本文运用有限元方法(ANSYS软件)对机架的动力学特性进行分析,找出系统固有频率和主振型,并运用结构力学的方法对机架最易发生振动的第二阶模态进行分析,以此验证ANSYS软件分析结果的正确性。一、机架的动力学分析- 模态分析固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数。模态分析用于确定结构的固有频率和振型。可使设计人员避开这些频率或最大限度地减少对这些频率上的激励,从而消除过度振动和噪音。使用ANSYS有限元软件系统,可以使振动模态动态化,从而提供一个清晰的动态图像来描述结构在受到激励时的表现。ANSYS软件的模态分析是线性分析,任何非线性特征,如塑性和接触间隙单元,即使定义了也将被忽略。模态分析过程由四个主要步骤组成:(1)建模;(2)网格划分、加载及求解;(3)扩展模态;(4)后处理。1.1 建模机架结构属三维实体问题。某厂的1700冷轧机组为四架连轧系统,本文以振动较明显的第三架机座为研究对象。机座由两片闭式机架(图1)组成,传动侧机架和操作侧机架通过上下三根铸钢横梁连接(螺栓连接)而成,采用五缸式平衡装置,上横梁的中部有安装平衡缸的空腔。整个机座是通过热装地脚螺钉牢固地与轨座连接在一起。由于传动侧机架和操作侧机架基本上对过轧制中心的平面左右对称,对单片机架的模态分析就可以反映所关心整个机座3(两片)的典型动态特性。为了简化计算取机座3的操作侧机架为研究对象进行建模。机架的结构尺寸如图1。其中,机架厚度730mm,机架材料为ZG35;材料特性:弹性模量E=200GPa,泊松比0.3,密度7.8103,机架约重130000kg。1.2模型网格划分、加载及求解此分析在ANSYS9.0软件上进行,整个结构采用8节点六面体单元;由于网格划分的疏密及划分方式对模态分析影响较小,振形不变、频率因疏密不同稍有变化,因此利用Mesh Tool划分网格(见图2)。加载约束可以根据机架的安装情况及轧制过程中的受力情况确定,机架地脚螺栓联接处为刚性约束,在此表面X、Y、Z三个方向产生的位移为零。图2 机架有限元模型Fig.2 Finite element model of frame图3 第二阶模态Fig.3 Number 2 vibration modality1.3机架的模态分析结果分析求解模型的固有频率和振型采用提取大模型少阶数(15阶)精度较高的子空间法。根据振动发生的实际情况,计算到扩展模态五阶,得出机架的固有频率:1阶频率为5.278Hz,2阶频率为11.712Hz,3阶频率为25.133Hz,4阶频率为37.072Hz,5阶频率为67.809Hz。通过对1700轧机机架的前15阶振动模态分析可以看出,该机架有四种典型振动类型。(1)频率为5.278Hz,机架绕X轴前后摆动。从该机架的结构尺寸上可看出,机架沿Z方向弯曲时,其抗弯刚度系数最小,因此最容易在该方向发生变形,符合一阶振型是结构最易发生的振动形式, 也符合材料力学理论。(2)频率为11.712Hz,机架绕Z左右摆动(如图3)。(3)频率为25.133Hz,机架绕Y轴扭振,该阶模态激发与轧机的主传动系统动力特性有直接关系。(4)典型的振型为机架的垂振, 频率为67.809Hz。其他如7、8、9、10、11、14阶振型也与图6大体相似,该机架的垂振频率集中在85-180Hz,处在冷带轧机发生三倍频振动时的频率范围内。三倍频垂振对冷带轧制生产危害严重,是防止轧机振动的一个重要研究课题。在对轧机进行结构动力学设计和安装时,应尽量避开轧机垂直振动的敏感区域,使轧机顺利实现其设计要求,而不发生强烈振动现象。二、利用结构力学理论对机架进行结构动力分析利用结构力学理论求解机架一种典型振型的自振频率,通过与ANSYS软件分析结果进行对比,可以互相验证两种模态分析方法的正确性。能量法是计算自振频率比较有效的方法之一。根据能量守恒定律,当体系以某个频率自由振动时,在不考虑阻尼的情况下,体系无能量损失,因而在任一时刻,体系动能与变形能之和为一常数。当体系在振动中达到幅值的时刻, 动能为零,而变形能达到最大值;反之,当体系在静平衡位置的瞬间时,动能有最大值,变形能为零。即Umax=Vmax,Umax为最大变形能,Vmax 为最大动能。利用这一关系式即可得到确定频率的方程。如图4所示,将机架简化成刚架形式,求其在反对称振动时的最低频率即机架两阶振型固有频率。设,=2+k,=1+6k,在AB段:弯矩方程转角方程挠曲线方程将边界条件x=0,C=0;x=0,D=0代入式（5）中，得X=h时外力功代替变形能则两根立柱最大动能横梁的水平功能根据，得式中：；，分别为立柱和梁的体积密度，；分别为立柱和梁的横截面积；，厚度为730mm。把各值代入上式，则三、结 语(1)建立了某厂1700机架的有限元模型,对机架进行了动态特性分析,得出了各阶固有频率和振型,为机架的动力学分析奠定了基础。(2)利用结构力学的理论,对第二阶固有频率进行了计算,同有限元计算结果吻合,两种方法互相验证,从另一角度验证模态分析的正确性。(3)得出机架的固有频率、振型等动态性能参数对于分析轧机的振动类型、判定振源、确定抑制振动措施等都具有意义。参考文献:1 邹家祥, 徐乐江. 冷连轧机系统振动控制M. 北京: 冶金工业出版社, 1998:107-141.2 邹家祥. 轧钢机械M . 第三版. 北京: 冶金工业出版社, 2004: 151- 221.3 YUKIO K, YASUHIRO S, NOBUO N, et al. Analysis of chatter