徐賀偉，盧秀春，楊榮剛XU He-wei， LU Xiu-chun， YANG Rong-gang（燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，秦皇島 066004）

新型矯直機(jī)矯直輥系模態(tài)分析

徐賀偉，盧秀春，楊榮剛
XU He-wei， LU Xiu-chun， YANG Rong-gang
（燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，秦皇島 066004）

為了解新型矯直機(jī)矯直輥系的動(dòng)態(tài)特性，建立矯直輥系的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)理論計(jì)算進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在對(duì)壓輥施加一定壓下量、上主動(dòng)輥施加一定預(yù)緊力條件下，推導(dǎo)構(gòu)件動(dòng)力學(xué)微分方程，計(jì)算固有頻率，用ANSYS Workbench對(duì)輥系進(jìn)行模態(tài)分析，得到輥系各階陣型，將固有頻率轉(zhuǎn)化為線頻率與模態(tài)頻率進(jìn)行對(duì)比，分析參數(shù)對(duì)模態(tài)頻率的影響。結(jié)果表明：有限元仿真分析能夠有效的反映矯直輥系動(dòng)態(tài)特性，計(jì)算得到的頻率與模態(tài)頻率相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)，模態(tài)仿真驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的合理性，增大鋼筋直徑、減小壓輥厚度和直徑、增大矯直輥厚度均能增加輥系模態(tài)頻率，鋼筋直徑、矯直輥厚度對(duì)輥系模態(tài)頻率影響較大。研究結(jié)果為新型矯直機(jī)矯直輥系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了理論支持。

動(dòng)態(tài)特性；新型矯直機(jī)；矯直輥系；模態(tài)分析

0　引言

生產(chǎn)刀具所用短圓柱合金鋼一般由長直棒料或盤料供貨的鋼筋首先經(jīng)過矯直，然后通過剪切機(jī)剪切鋼筋獲得所需長度的短圓柱合金鋼。剪切過程會(huì)對(duì)矯直后的棒料直線度產(chǎn)生一定的影響。此外，隨著建筑、鐵路等行業(yè)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)鋼筋直線度提出了較高的要求。因此，需要精密矯直機(jī)對(duì)剪切后的短圓柱合金鋼進(jìn)行精密矯直。

新型矯直機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)短圓柱合金鋼的精密矯直，較多科研工作者對(duì)其進(jìn)行了研究。近年來矯直技術(shù)發(fā)展迅速，矯直設(shè)備矯直質(zhì)量提高，控制檢測(cè)系統(tǒng)性能得到改善［1～3］。文獻(xiàn)［4］設(shè)計(jì)了一種新型管材矯直機(jī)，對(duì)矯直機(jī)矯直后管材的橢圓度、直線度、殘余應(yīng)力進(jìn)行了分析，并驗(yàn)證了新型矯直機(jī)設(shè)計(jì)的合理性；文獻(xiàn)［5］對(duì)精密矯直機(jī)的輥系受力情況進(jìn)行了分析，并用MATLAB編程、ADAMS仿真驗(yàn)證了矯直輥系設(shè)計(jì)的合理性，為矯直機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化提供理論依據(jù)；文獻(xiàn)［6］研究了十五輥矯直機(jī)的矯直模型，驗(yàn)證了板材在十五輥組合矯直機(jī)中矯直可以達(dá)到較高的矯直精度。

本文研究一種新型全自動(dòng)精密矯直機(jī)，矯直機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料、夾緊、檢測(cè)鋼筋撓度、下料等工作。在對(duì)壓輥施加一定壓下量、上主動(dòng)輥施加一定預(yù)緊力條件下，建立矯直輥系動(dòng)力學(xué)微分方程，計(jì)算了輥系固有頻率，用ANSYS Workbench對(duì)矯直輥系各階模態(tài)和輥系陣型進(jìn)行了分析，并研究了各參數(shù)對(duì)矯直輥系模態(tài)頻率的影響規(guī)律。研究結(jié)果為矯直機(jī)工作時(shí)主動(dòng)輥的轉(zhuǎn)速設(shè)置及矯直機(jī)輥系的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，避免矯直時(shí)輥系振動(dòng)對(duì)矯直精度的影響。

1　輥系結(jié)構(gòu)組成及工作原理

圖1　輥系結(jié)構(gòu)圖

新型矯直機(jī)矯直輥系由十五輥組成，分別為壓輥和左、右輥系，矯直機(jī)輥系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。輥系由主動(dòng)輥、矯直輥、輔助輥組成，電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)輥旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)輥通過摩擦帶動(dòng)上、下矯直輥旋轉(zhuǎn)，左右矯直輥通過摩擦帶動(dòng)鋼筋旋轉(zhuǎn)，矯直過程是在鋼筋旋轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行。矯直輥系左右對(duì)稱安裝，輔助輥、矯直輥中心平行，上主動(dòng)輥、上矯直輥采用浮動(dòng)安裝，實(shí)現(xiàn)矯直輥系對(duì)不同直徑鋼筋的夾緊作用，壓輥可以左右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)棒料不同彎曲點(diǎn)的矯直，同時(shí)壓輥的上下移動(dòng)改變對(duì)矯直鋼筋的壓下量，經(jīng)過幾次接觸后，減小鋼筋的殘余曲率，達(dá)到矯直的目的。

2　動(dòng)力學(xué)模型建立

2.1動(dòng)力學(xué)模型

新型精密矯直機(jī)的矯直輥系在動(dòng)力學(xué)分析中作以下假設(shè)：

1）各輥只受輥系間壓力的影響；

2）壓輥下壓δ后固定，壓輥與短圓柱合金鋼之間的接觸力為正弦力；

3）矯直輥系各輥及短圓柱合金鋼簡化為剛體，各嚙合處簡化為線性彈簧；

4）輔助支撐輥與下主動(dòng)輥固定。

在短圓柱合金鋼端面所在平面建立直角坐標(biāo)系xOy，考慮矯直輥、棒料、上主動(dòng)輥的平移自由度，建立動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。矯直輥系的上主動(dòng)輥、上矯直輥、棒料具有平移自由度，左、右兩側(cè)上主動(dòng)輥?zhàn)杂啥确謩e為yz5、yr5，左、右兩側(cè)上矯直輥?zhàn)杂啥确謩e為yz4、yr4，棒料自由度為yz3，四個(gè)下矯直輥?zhàn)杂啥确謩e為yzz2、xzz2、yzr2、xzr2、yrz2、xrz2、yrr2、xrr2。

圖2　動(dòng)力學(xué)模型

2.2各構(gòu)件動(dòng)力學(xué)微分方程

將短圓柱合金鋼安裝在矯直輥上，壓輥與鋼棒恰好接觸。對(duì)上主動(dòng)輥施加預(yù)緊力F，并將壓輥向下微移動(dòng)δ后固定，根據(jù)各輥之間相對(duì)位移關(guān)系，利用牛頓第二定律建立精密矯直機(jī)輥系各構(gòu)件動(dòng)力學(xué)微分方程，微分方程為：

式中：

θ3為下矯直輥與棒料接觸線法平面與y軸夾角；

θ2為下矯直輥與下主動(dòng)輥接觸線法平面與x軸夾角。

3　有限元模態(tài)分析

3.1有限元模態(tài)頻率與陣型

輥系尺寸參數(shù)參如表1所示。

通過SolidWorks軟件建立矯直輥系三維實(shí)體模型，將模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，將矯直輥、壓輥及輔助輥設(shè)置成結(jié)構(gòu)鋼材料，待矯鋼棒設(shè)置成合金工具鋼，對(duì)矯直輥系進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該模型共有單元數(shù)2031，節(jié)點(diǎn)數(shù)共有12635，進(jìn)行有限元模態(tài)分析［7～10］，得到輥系各階模態(tài)頻率。

表1　尺寸參數(shù)

對(duì)矯直輥系進(jìn)行模態(tài)分析，低階模態(tài)陣型決定矯直輥系的動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性，低階頻率更容易激勵(lì)引起總成振動(dòng)，Workbench分析中提取了矯直輥系前13階模態(tài)頻率，并對(duì)振型進(jìn)行了分析，結(jié)果如表2所示。圖3提取了模態(tài)陣型變化比較大的2、3、6、12階模態(tài)陣型圖。

固有頻率與模態(tài)頻率對(duì)比如表2所示，第5階頻率誤差最小，誤差值為1.19%，第12階頻率誤差最大，誤差值為4.58%，各階頻率誤差均在5%以下，模態(tài)仿真驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的合理性。

表2　模態(tài)頻率與模態(tài)陣型

圖3　輥系模態(tài)陣型圖

由圖3模態(tài)陣型圖可知，第2階模態(tài)頻率導(dǎo)致鋼筋彎曲，影響精密矯直機(jī)對(duì)鋼筋最大撓度點(diǎn)的判斷，對(duì)矯直精度有一定影響；第3階模態(tài)頻率導(dǎo)致鋼筋中部下凹，左、右主動(dòng)輥扭轉(zhuǎn)，對(duì)矯直質(zhì)量產(chǎn)生影響；第6階模態(tài)頻率主動(dòng)輥同側(cè)扭轉(zhuǎn)，影響輥系之間的摩擦傳動(dòng)；第12階模態(tài)頻率對(duì)鋼筋、主動(dòng)輥、壓輥?zhàn)冃斡绊戄^大，鋼筋彎曲、主動(dòng)輥和壓輥扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致矯直精度降低。

3.2參數(shù)對(duì)模態(tài)頻率的影響分析

改變矯直輥系結(jié)構(gòu)參數(shù)值，分析各參數(shù)對(duì)2、3、6、12階模態(tài)頻率的影響。選取短圓柱合金鋼直徑Φ1、壓輥厚度hy、壓輥直徑Φ2、矯直輥厚度h作為變化參數(shù)，分析參數(shù)變化對(duì)模態(tài)頻率變化的影響。

鋼筋直徑Φ1的變化對(duì)模態(tài)頻率影響如圖4所示。Φ1小于9.5及大于11時(shí)，ω2曲線斜率發(fā)生較大變化；Φ1小于10及大于11時(shí)，ω3曲線斜率發(fā)生較大變化；隨著鋼筋直徑Φ1的增加，ω6曲線斜率先減小后增大，ω12曲線斜率逐漸減小。

圖4　Φ1對(duì)模態(tài)頻率的影響

壓輥厚度hy的變化對(duì)模態(tài)頻率影響如圖5所示。模態(tài)頻率ω2、ω3、ω12值隨著壓輥厚度增加而減小，ω2曲線斜率發(fā)生微小變化，ω3曲線斜率逐漸增大，ω12曲線斜率逐漸減??；ω6隨著壓輥厚度的增加不發(fā)生變化。

圖5　hy對(duì)模態(tài)頻率的影響

壓輥直徑Φ2的變化對(duì)模態(tài)頻率影響如圖6所示，模態(tài)頻率ω2、ω3、ω6、ω12值隨著壓輥直徑增加而減小，ω2與ω3曲線斜率先減小后增加；Φ2小于90mm和大于110mm時(shí)，ω6曲線斜率發(fā)生較大變化；Φ2小于90mm時(shí)ω12曲線斜率逐漸減小，Φ2等于90mm時(shí)ω12曲線斜率為零，Φ2大于90mm時(shí)ω12曲線斜率逐漸增大。

圖6　Φ2對(duì)模態(tài)頻率的影響

矯直輥厚度h的變化對(duì)模態(tài)頻率影響如圖7所示。模態(tài)頻率ω2、ω3、ω6、ω12值隨著矯直輥厚度增加而增大，ω2、ω3、ω12曲線斜率先減小后增大。h小于9.5mm和大于11mm時(shí)，ω6曲線斜率逐漸增大；h大于9.5mm和小于11mm時(shí)，ω6曲線斜率逐漸減小。

圖7　h對(duì)模態(tài)頻率的影響

4　結(jié)論

在對(duì)上主動(dòng)輥施加預(yù)緊力F、壓輥向下微移動(dòng)δ條件下，建立動(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)微分方程，對(duì)理論計(jì)算進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并進(jìn)行參數(shù)分析。結(jié)果表明：

1）計(jì)算頻率與仿真頻率相對(duì)誤差較小，模態(tài)仿真驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，理論計(jì)算較全面的揭示新型矯直機(jī)的模態(tài)特性。

2）增加鋼筋直徑，模態(tài)頻率ω2、ω3、ω6、ω12值增加；增加壓輥厚度，模態(tài)頻率ω2、ω3、ω12值減小，ω6保持不變；增加壓輥直徑，模態(tài)頻率ω2、ω3、ω6、ω12值減??；增加矯直輥厚度，模態(tài)頻率ω2、ω3、ω6、ω12值增大。模態(tài)頻率隨參數(shù)的變化規(guī)律為矯直機(jī)工作時(shí)主動(dòng)輥的轉(zhuǎn)速設(shè)置提供參考。

3）增加鋼筋直徑、減小壓輥厚度及直徑、增加矯直輥厚度，可以避免輥系振動(dòng)對(duì)矯直機(jī)的影響。研究結(jié)果為全自動(dòng)矯直機(jī)矯直輥系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考。

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Modal analysis on straightening roll system of new-type straightening machine

TG333.2+3

A

1009-0134（2016）08-0026-04

2016-06-13

徐賀偉（1990 -），女，黑龍江人，碩士研究生，研究方向?yàn)槌C直原理及矯直設(shè)備。