基于不同結構參數及工況對輥筒動力學特性影響的有限元分析

高致富張 鋒焦 偉

（1．神華神東電力有限責任公司，陜西神木，719300；2．陜西科技大學輕工與能源學院，陜西西安，710021）

·輥筒動力學特性·

基于不同結構參數及工況對輥筒動力學特性影響的有限元分析

高致富1張 鋒2焦 偉2

（1．神華神東電力有限責任公司，陜西神木，719300；2．陜西科技大學輕工與能源學院，陜西西安，710021）

通過ANSYS有限元軟件對不同工況和結構參數的干網導輥進行動力學特性分析，著重探究了輥筒的長度、直徑、壁厚以及軸承支撐剛度對輥筒動力學特性的影響。分析得出輥筒長度對其動力學特性影響較大，直徑和壁厚可以改善輥筒振幅，支撐剛度對其幾乎無影響。降低紙機橫幅、增大輥筒直徑可以提高車速，壁厚對改善輥筒振幅效果最為明顯。

高速紙機；輥筒；動力學；特性；有限元分析

輥筒是紙機上應用非常廣泛的旋轉部件，種類繁多，數量可達數百個。然而，隨著紙機車速的不斷提高，轉速逐漸接近于臨界轉速，紙機將產生共振現象影響正常工作，尤其對長徑比較大的小徑輥表現優為突出，如干網導輥、案輥以及引紙輥等［1﹣2］。紙機輥筒的動力學特性不僅影響了紙張質量和紙機綜合效率，還直接限制紙機車速的進一步提高。影響紙機輥筒動力學特性的因素很多，比如輥筒結構（長度、壁厚、直徑）、支撐剛度、外部激勵、陀螺效應、軸承阻尼系數、油膜溫度、軸承機構參數等。本文通過ANSYS Workbench有限元模態分析，選用最具有代表性的高速紙機干網導輥為對象，對不同工況和結構參數的干網導輥進行輥筒動力學特性分析，探究輥筒長度、直徑、壁厚以及軸承支撐剛度對輥筒動力學特性的影響。

1 輥筒的建模

通過Solidworks三維軟件建立導輥簡化整體模型，初始主要技術參數如表1所示。結構簡化內容包括：軸頭和筒體作為一個整體；將軸頭簡化為幾段階梯軸；不考慮鍵槽、倒角、圓角、小孔、油槽、安裝孔、螺紋等結構；忽略了包膠層、螺栓、螺母、墊片、銅套以及不銹鋼套等對導輥的影響［3］。將干網導輥模型導入ANSYSWorkbench中，對材料屬性進行設定，并采用默認方法劃分網格［4］。同時，添加徑向特定支撐剛度軸承的彈性支撐（兩端各一個）、軸向的給定位移約束（軸向約束一端位移為0，一端自由）［5﹣6］，忽略了毛毯載荷、結構載荷和熱載荷。導輥在造紙機上作為剛性轉子，設置求解前三階振型和振幅結果，對其進行模態分析計算［7﹣9］。

表1 干網導輥模型的相關技術參數

2 輥筒動力學特性有限元分析

通過控制變量法著重于導輥的長度、直徑、壁厚以及支撐剛度參數對其動力學特性的影響一一進行分析探究。

2.1 長度

輥筒長度是紙機紙幅的決定性因素，也是造紙企業中極其關注的焦點之一。為了研究輥筒長度對輥筒動力學特性的影響，需要建立一系列導輥動力學模型，依次設置導輥輥面長度為3000、4000、5000、6000、7000、8000 mm，其余參數不變。分別對上述6個動力學模型進行模態分析，得出不同長度導輥的前三階固有頻率和振幅的詳細數據如表2所示，不同長度導輥的前三階固有頻率和振幅變化曲線如圖1和圖2所示。

表2 不同長度干網導輥的前三階固有頻率和振幅

圖1 不同長度的干網導輥前三階固有頻率變化曲線圖

圖2 不同長度的干網導輥前三階振幅變化曲線圖

根據表2和圖1可知，導輥前三階固有頻率都隨著導輥長度的增加而減小。由表2和圖2可知，前兩階振幅都隨著導輥長度的增加而減小，而第三階振幅是先減小后增大，振幅最小的導輥輥面長度在7000 mm左右。然而，最理想的紙機導輥是固有頻率較大而振幅較小。但隨著導輥長度的增大，只能減小振幅，無法增大固有頻率，反而減小了固有頻率。因此，根據導輥動力學特性和導輥長度的關系可知，選用導輥長度時要綜合考慮對固有頻率和振幅的影響。在特定的情況下，重點考慮主要因素而適當放寬次要因素。當導輥的轉速不高時，很難接近導輥的一階臨界轉速，所以固有頻率為次要因素，而振幅為主要因素。為了達到減小振幅的目的，可以適當增大導輥的長度，這樣既可保證紙機的正常運行，又可增加紙機幅寬。

2.2 直徑

輥筒直徑是改善動力學特性的主要因素之一，也是影響紙幅寬度的因素之一。工業中通常使用的導輥直徑大概為500 mm，選取導輥直徑分別為490、510、530、550、570和590 mm，設定導輥結構其他的參數為：輥面長度6000 mm，壁厚20 mm，支承剛度2．2×106N/mm。分析計算可得不同直徑導輥前三階固有頻率和振幅的數據，如表3所示。不同直徑導輥的前三階固有頻率和振幅變化曲線如圖3和圖4所示。根據表3中得到的一階固有頻率實驗數據分析，計算可得不同參數導輥決定的紙機臨界車速分布如圖5所示。

根據表3和圖3可知，隨著導輥直徑的增大一階和二階固有頻率逐漸增加，而三階固有頻率逐漸減少。根據表3和圖4可知，隨著導輥直徑的增大，前三階振幅都在減小。由圖3和圖5分析可知，導輥直徑增加對一階固有頻率影響較小，但是對于紙機車速影響較大。在導輥為剛性轉動時，增加導輥直徑既有利于紙機提高速度，又可減小振幅。因此，導輥直徑是提高紙機車速的重要影響因素之一。

2.3 厚度

輥筒壁厚是決定輥筒剛度的主要參數。為了探究輥筒壁厚與輥筒動力學特性的研究，現將導輥的壁厚分別設置為10、12、14、16、18和20 mm。其他參數為：導輥輥面長度6000 mm，內徑500 mm，支承剛度2．2×106N/mm。對不同壁厚導輥的固有頻率和無外部激勵時的振幅分析計算，得出導輥動力學特性的實驗數據如表4所示。繪制導輥的前三階固有頻率和振幅隨著壁厚變化曲線如圖6和圖7所示。根據表4中一階固有頻率實驗數據，分析可得不同壁厚參數導輥的紙機臨界車速情況，如圖8所示。

表3 不同直徑干網導輥的前三階固有頻率和振幅

表4 不同壁厚干網導輥的前三階固有頻率和振幅

圖3 不同直徑干網導輥的前三階固有頻率變化曲線圖

圖4 不同直徑干網導輥的前三階振幅變化曲線圖

圖5 不同直徑干網導輥適用的臨界車速變化曲線圖

圖6 不同壁厚干網導輥的前三階固有頻率變化曲線圖

圖7 不同壁厚干網導輥的前三階振幅變化曲線圖

圖8 不同壁厚干網導輥適用臨界車速變化曲線圖

由于輥筒壁厚的改變，引起輥筒重力和輥筒剛度的變化。也就是說，壁厚越厚，其重力及剛度也隨之增加。而重力及剛度都是影響輥筒運行的本質因素。從表4和表6可知，除10 mm壁厚輥筒第三階固有頻率外，輥筒隨著壁厚的增加固有頻率逐漸減小，其中第三階固有頻率變化較為顯著。這是因為隨著壁厚增加，輥筒重力對固有頻率影響較大，從而降低了輥筒的臨界轉速。當轉速越高時，輥筒重力對固有頻率的影響也就越大，因此第三階固有頻率變化較為顯著。從表4和圖7可知，隨著輥筒壁厚的增加前三階振幅減少較為顯著。這是因為隨著壁厚的增大，輥筒剛度對振幅的影響較大，改善振幅較為顯著。然而，由于10 mm壁厚輥筒重力較小，且其剛度較差，其剛度對固有頻率的影響表現較為突出，產生的振幅較大，從而降低了第三階固有頻率。從圖8可知，輥筒壁厚的變化對紙機臨界車速影響不大。因此，增加輥筒壁厚主要可以減少輥筒的振幅，對提高紙機車速有一定的作用。

表5 不同支承剛度干網導輥的前三階固有頻率和振幅

圖9 干網導輥的前三階固有頻率隨支承剛度的變化曲線圖

圖10 干網導輥的前三階振幅隨導輥支承剛度的變化曲線圖

2.4 軸承支撐剛度

軸承的動力學特性在轉子動力學分析中起著非常重要的作用。然而迄今為止還沒有系統、完整的滾動軸承動力學特性分析方法和數據可供參考。轉子的支承剛度是影響臨界轉速的一個重要因素，轉子在剛性支承和彈性支承下，臨界轉速的變化非常顯著，所以也必須從轉子動力學角度計算軸承剛度對導輥的臨界轉速和振幅的影響。在軸承﹣轉子系統的動力學特性計算中，如果軸承座和軸承整體的剛度遠大于軸的剛度時，這時軸可以看成是剛性支承；當軸承座和軸的剛度接近的時候，軸和軸承座可以作為一個整體來處理；而當軸的剛度遠大于軸承座的剛度時，這時軸必須以彈性支承來處理，否則會對計算結果影響較大。本課題中導輥軸承的剛度很大，可以近似看成是一個彈性支承的軸承﹣轉子系統，但是為了研究導輥的支承剛度與模態分析之間的關系，本課題依然認為導輥的支承是具有一定剛度的彈性支承系統。

為了研究導輥的支承剛度與導輥的固有頻率、振幅的關系，選取軸承支撐剛度分別為2．2×105、2．2× 106、2．2×107、2．2×108、2．2×109、2．2×1010、2．2×1011N/mm。導輥其余參數為：長度6000 mm，壁厚20 mm，直徑540 mm。經分析計算可得：不同支承剛度下導輥的前三階固有頻率和振幅的實驗數據如表5所示。根據實驗數據繪制導輥的前三階固有頻率和振幅隨導輥支承剛度的變化曲線如圖9和圖10所示。

根據表5和圖9分析可知，隨著軸承支撐剛度的增大導輥前三階固有頻率變化幅度非常小。由表5和圖10分析可知，隨著軸承支撐剛度增大導輥前三階振幅趨近于某個值。即當支撐剛度大于或等于某個值時，支撐剛度對導輥各階固有頻率和振幅幾乎沒有影響。這是因為隨著支撐剛度的逐漸增大，軸承﹣轉子系統由彈性支撐轉變為剛性支承，因此，繼續增加剛度值對導輥的固有頻率和振幅無影響。根據上述分析可知，軸承的支撐剛度對導輥前三階固有頻率和振幅幾乎沒有影響。

3 總 結

本課題通過對典型的高速紙機干網導輥的動力學特性分析，總結出輥筒結構和工況參數對輥筒動力學特性的影響程度，得出了輥筒結構參數對輥筒動力學特性影響較大，而工況影響較小。具體表現為，輥筒長度對前三階固有頻率和振幅都有影響，而對輥筒固有頻率影響最為明顯；增大輥筒直徑對提高紙機車速是有利的；輥筒壁厚對振幅影響較為顯著；增加支撐剛度對輥筒動力學特性幾乎沒有影響，只是將軸承﹣轉子系統的彈性支撐轉化為剛性支撐。其中，輥筒長度對輥筒動力學特性影響最大，也是最復雜的。因此，在設計輥筒時，一定要綜合考慮輥筒結構對輥筒動力學特性的影響，以保證紙機正常運行和輥筒的使用壽命，降低生產成本。

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（責任編輯：馬 忻）

Finite Element Analysis of the Influence of Working Condition and Structure Parameters on Dynam ic Characteristic of the High﹣speed Paper M achine Roller

GAO Zhi﹣fu1，*ZHANG Feng2JIAOWei2
（1．Shenhua Shendong Electtic Powet Co.，Ltd.，Shenmu，Shaanxi Ptovince，719300；2．Light Industty and Enetgy College，Shaanxi Univetsity of Science and Technology，Xi'an，Shaanxi Ptovince，710021）（*E﹣mail：710140884@qq．com）

With the continuous increasing of papermachine speed，roller dynamic performance is very important and itwill limit the increase of papermachine speed．The paper analyzed differentworking conditions and structure parameters and researched dynamic characteristics of dry felt guide roller by using the finite elementsoftware ANSYSworkbench．Itwas emphatically investigated that the impactof the length，di﹣ameter，wall thickness and bearing supporting stiffness on the dynamic characteristics of the roller．The analysis results indicated that the roller length had greater influence on its dynamic characteristics，and increasing diameter and wall thickness could improve amplitude，but support rigidity almosthad no effecton it．Reducing papermachinewidth and increasing roller diameter could improve the speed，wall thick﹣ness affected most obviously the vibration amplitude of the roller．

high speed papermachine；roller；dynamics；character；finit element analysis

高致富先生，助理工程師；主要研究方向為：旋轉機械及動力系統。

TQ051．3；TS734+．4

A

0254﹣508X（2015）09﹣0050﹣05

2015﹣05﹣17（修改稿）