轧机传动系统万向接轴振动影响分析

周研 ， 李耀刚

（1.河北联合大学，河北唐山063000；2.唐山钢铁集团有限责任公司设备机动部，河北唐山063000）

0 引言

与其他种类的大型高载荷机械设备类似，轧机在其轧制生产过程中也必然存在着振动现象。系统的外载荷主要为轧制力矩和主电机扭矩。垂直振动的受载系统一般包括轧辊、轴承座、压下系统、弯辊装置、机架等。轧制力、弯辊力、平衡力等是垂直振动系统的主要外载荷。轧机主传动系统的主要振动形式为扭转振动，而轧钢机工作机座的主要振动形式为垂直振动。轧机传动系统的动态特性对轧制质量也有较大的影响，本文以唐钢某厂的冷轧生产线中的六辊轧机为研究对象，对其传动系统关键件万向联轴器进行有限元分析。

1 万向接轴器分析

万向接轴的三维装配图如图1所示。

图1 万向接轴的三维装配图

左端的接轴部分与轧辊相连，右端的接轴与分配箱相连，中间部分靠两个万向节相连。

两个叉头与十字轴都是销孔连接，可以自由转动的，万向联轴器就是通过两个可以自由转动的销孔连接的配合实现“万向”功能的。所以在万向联轴器中叉头和万向接轴均为关键件，其强度是否满足直接影响万向联轴器的传动功能。

下面对叉头及万向接轴进行有限元分析。

1）万向接轴谐响应分析。

虽然模态和谐响应同属于线性分析，本着研究的严谨性，谐响应分析仍然采用0°和12°两种工作状态。

由任务书可知轧制力矩为84 kN·m，力矩由万向接轴接近电机的那端传到轧辊经过了万向联轴器和滚子轴承，查表得传递效率分别为0.96和0.98，电机端扭矩为M，则 M×0.96×0.98=84，得M=89.3 kN·m。

将扭矩加载到与十字轴相接处的半圆面上，同时变换为面力F，与十字轴接触的两个圆面的距离l为184 mm，则

解得 F=2.427×105N。

约束：根据万向接轴的实际工作状态，电机端叉头端面全约束，万向联轴器的中心轴线上加全约束。在对称面上施加对称约束。

载荷：将扭矩转换成力偶施加在轧辊端端面的节点上。

取谐响应分析时施加的简谐波的频率范围为0～1100 Hz，载荷步为20步。

2）结果分析。

在模型上取点如图2，分别观察节点在X、Y、Z三个方向上的共振情况。为了与真实状况相接近，通过在两个模型取不同区域的点形成曲线，进一步观察、分析得出更能准确说明问题的点，如图3。

表1 连接元件的传递效率

图2 谐响应分析结果

图3 频率－振幅曲线

图3 中，曲线的横坐标是频率，纵坐标是振幅。采集实体上的各个节点，分别观察分析各个节点的X、Y、Z方向的受迫振动情况。图3列出的是具有代表性的四个节点的振形图。

根据以上分析，得到结论：在两种工作状态下，万向接轴各个节点的三个方向都会在100Hz、570Hz和800Hz附近的某一频率振幅较大，有共振产生。建议在轧机的工作环境要避免或减少以上频率的振动，以免引起共振。

2 结 论

本文以冷连轧轧机为研究对象，在总结轧机振动研究成果的基础上，对六辊轧机垂直系统的主传动系统关键部分——万向接轴进行了有限元分析。利用ANSYS有限元软件对万向接轴等传动部件进行了谐响应分析,结果表明，通过对万向接轴整体的谐响应的分析，得到系统的共振点会在100 Hz附近，是第一阶扭振频率。故扭振对传动系统的影响最大。

［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］ 李崇坚，段巍.轧机传动交流调速机电振动控制［M］.北京：冶金工业出版社，2003：1-6.

［3］ 黄国权.有限元法基础及ANSYS应用［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［4］ 王瑞鹏.热轧过程中轧机耦合振动机理研究［D］.秦皇岛：燕山大学，2012.