熱連軋機軸向振動仿真研究

裴令明

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司 安徽馬鞍山243021)

1 前言

某廠熱連軋生產線由德國西馬克公司設計的四輥軋機F1-F7組成，F6經測試發現存在不同振動程度的軸向振動，導致集油盒承受強烈的軸向振動載荷而頻繁發生損壞。

軋機振動研究一般依據振動形式可分為機座垂直系統的振動和主傳動系統的扭轉振動，而近二十多年熱連軋機的振動研究焦點多為工作輥水平振動。許多學者對前兩種振動做了大量研究，而研究軸向振動[1-4]卻寥寥無幾，也并未對軸向振動產生機理做出合理的解釋。

2 軋機主傳動振動現象

為了摸清振動狀態，以F6軋機為對象進行測試，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軸承座的軸向加速度信號和頻譜分析如圖1所示。

經頻譜分析咬鋼瞬間激發的主傳動系統軸向振動頻率約18、30和55Hz，咬鋼之后依然存在56Hz軸向振動如圖2所示。

圖1 軋機主傳動軸向振動加速度

圖2 軋制過程典型扭矩信號

利用扭矩遙測系統對主傳動軸扭矩進行了測量，典型的扭矩信號如圖3所示主傳動系統扭振也存在56Hz的振動中心頻率。

圖3 軋制過程中扭矩信號頻譜圖

3 軋機主傳動軸向振動固有模態分析

為了探索軋機軸向振動規律，首先利用ANSYS模態分析模塊對軋機主傳動軸向振動固有特性進行求解。

利用ANSYS軟件對整個主傳動系統建立三維立體模型如圖4所示，模型共有單元數14460、節點數82380。包括支撐輥、工作輥、軸承座、弧形齒接軸、齒輪座、電機中間圓筒接手和電機軸以及聯軸器。定義X軸為主傳動軸向方向、Y軸表示軸的徑向方向和Z軸軋制方向。

圖4 有限元網格劃分

經過仿真分析獲得主傳動軸向振動1階固有振型和1階固有頻率為28.65Hz，軸向振動3階固有振型和3階固有頻率為55.82Hz。固有頻率仿真計算結果表明軋機軸向振動是以軸向第3階固有頻率來進行振動的，這與實測結果相吻合。

4 基于ANSYS的諧響應分析

諧響應是分析結構在承受隨時間正弦變化載荷作用下穩態響應的一種技術。為了方便研究主傳動的軸向振動，首先把隨時間變化的軸向力簡化為一諧波載荷：

F=FO+AOsinωt

其中FO=1063.6kN，表示軸向力實際大小；AO=53.18kN，表示軸向力正弦波動幅值。

在電機的軸端加載軸向諧波載荷進行諧響應分析，來模擬轉子不對中軸向振動響應。分別選取電機端面軸心點、軋輥端面軸心點、人字齒端面軸心點以及弧形齒聯軸器端面軸心點的軸向振幅，得到主傳動系統的諧響應如圖5-圖8所示。

圖5 電機軸軸心節點幅頻特性

由仿真結果可以看出，在軸向振動諧波的作用下，電機軸、人字齒軸、弧形齒聯軸器和工作輥的軸端面節點在56Hz處同時出現軸向位移峰值，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的3階固有頻率56Hz,因此在56Hz附近能夠引起主傳動第3階軸向振動。

圖6 人字齒軸向端面節點軸向位移幅頻特性

圖7 弧形齒聯軸器軸端面節點幅軸向位移幅頻特性

圖8 工作輥軸端面節點軸向位移幅頻特性

4 結論

以熱連軋機F6作為研究對象，經過現場測試和仿真研究，可以得出以下結論：

1)F6軋機在咬鋼過程出現3個振動頻率，分別為18、30和56Hz，正常軋制后56Hz依然存在，這對集油盒產生了長期的激勵。

2)利用ANSYS對軸向模態進行了分析，獲得了第階56Hz的固有頻率，說明軋機軸向振動與固有頻率基本吻合。

3)通過諧響應分析得到主傳動主要零部件的軸向響應的幅頻特性規律，與實測結果也基本吻合。

綜上所述，軋機主傳動在咬鋼和正常軋制過程中將固有頻率激發，導致振動嚴重，使集油盒頻繁損壞，提供給軋機主傳動振動能量是軋機主傳動電機，現場在軋機主傳動速度控制回路中增加了陷波濾波器[5-8]，振動得到很大的緩解，最終使集油盒壽命大大提高。