四辊冷轧机垂直振动仿真与分析

高配彬，杜晓钟，伊晓琳，蒋惠波，翟会宾

（1.太原科技大学 山西省冶金设备设计理论与技术重点实验室，山西 太原 030024；2.山东省胶东调水工程平度管理处，山东 青岛 266700）

0 引言

在板带轧制过程中轧机常常会出现多种形式的振动，其中最常见的是机座的垂振和传动系统的扭转振动［1］。轧机的振动，尤其是其在垂直方向上的振动，往往直接影响辊缝的开口度，对带材的尺寸精度造成影响，导致轧件表面出现或深或浅、等距或不等距的条纹状振痕。这不仅降低了产品的产量和质量，还会加速轧机设备的损坏。因此，全面了解轧制设备的固有特性和响应特性，对改善轧机结构设计和预防轧机振动具有重要的作用［2－4］。

1 四辊轧机有限元模型的建立

在建模过程中，根据轧机各组成部分的结构特点，对其进行合理简化，略去对模态影响不大的零部件。四辊冷轧机垂直振动系统包括机架、电动压下部分、上下支承辊、上下工作辊、支承辊轴承座和工作辊轴承座。四辊轧机的三维结构模型如图1所示。其工作辊直径为Φ100mm，辊身长度为350mm；支承辊直径为Φ320mm，辊身长度为350 mm；机架立柱截面积为203mm×182.5mm；辊缝设置为2mm。

综上所述，本研究建立的UPLC-MS/MS法简便、快速、专属性强，可用于大鼠肝微粒体孵育体系中ZG02质量浓度的测定及其体外代谢稳定性的研究。新型胰岛素增敏剂ZG02在NADPH和UDPGA联合启动的两相孵育体系中的代谢稳定性较差，且代谢反应可能以UGT酶介导的葡萄糖醛酸化结合反应为主。后续本课题组将借助高分辨质谱、波谱等手段确证ZG02的代谢产物，并结合体内外研究进一步阐明其代谢过程及特征，以期为其开发利用提供更多的参考。

图1 四辊冷轧机三维结构模型

Workbench 中 提 供 了Bonded、No Separation、Frictionless、Rough、Frictional五种接触类型。其中前两种为线性接触，本文采用线性分析，轧机各零件实体间的接触根据实际情况设置为Bonded（绑定）或No Separation（不分离）［5］。

由于模型较复杂，网格划分采用Workbench默认的10节点四面体单元Solid187。整个模型共划分为112 486个单元，184 116个节点。模型各部分材料属性见表1。

6、12、13、16阶振型中工作辊虽然是Y 向同相振动，但是上下工作辊振幅大小不同，造成辊缝改变较大。15、18、19阶振型包含工作辊的异相振动，这种振动模态通常直接改变辊缝大小而影响带材质量。对垂直振动而言，15阶模态是最为重要的模态，当轧机在该频率段工作时，工作辊做垂直方向上的异相振动，影响带材厚度，还会使支承辊产生压痕。

表1 各部分材料属性

2 基于Workbench的四辊轧机动力学分析

2.1 四辊轧机有限元模态分析

为确保轧机在振动环境中具有良好的动态性能，必须对轧机进行动态设计。而结构模态分析是结构动态设计的核心，通过模态分析得到固有频率和振型等模态参数，为系统的振动特性分析和结构优化设计提供依据［6］。建好四辊冷轧机有限元模型后，对机架与轨座相连部分（地脚螺栓处）施加Fixed Support约束。计算得到的四辊轧机前20阶固有振动频率和模态振型见表2。轧机的部分典型振型图如图2所示。

轴承的磨损以及其本身质量问题和装配、润滑不当都会引起轴承座的振动，从而导致轧机振动［7］。在上支承辊操作侧轴承座上施加激励，进行谐响应分析，模拟轴承问题引起的振动。图3为施加激励时工作辊中间部分、传动侧、操作侧振动幅值的大小。

表2 四辊轧机前20阶固有频率和模态振型

图2 轧机的部分振型图

蠕虫状链一直是分析DNA等生物大分子常用的模型,也是半刚性和刚性链高分子较为通用的模型.本工作对蠕虫状链模型作一介绍,并对均方末端距推导过程中存在的问题加以分析,最后提出解决方法.

2.2 轴承座激励时工作辊垂直位移响应的轴向分布

由于轧机由多个零部件组成，振动情况很复杂，在前20阶振型中，共有3类振动形式：①1、2、3、4、5、7、8、9、10、11、17、20阶振型主要由轧机机架振动控制，包括机架摆动、机架立柱弯曲及机架绕Y 轴的扭转，由机架主导的振型中，轧辊的相对位移值较小，对辊缝大小的改变很小；②6、12、14、16阶振型既有机架振动又有辊系振动；③13、15、18、19阶振型只包括工作辊的振动。后两类振动中，在固有频率处工作辊的振型均是简单的抛物线形，既有同相振动也有异相振动。因为工作辊与板带直接接触，其工作状态对带材质量有直接影响，所以包含工作辊振动的振型应受到重视。

图3 施加激励时工作辊中间部分、传动侧、操作侧频响曲线

由图3可以看出，当对上支承辊操作侧轴承座激励时，工作辊在低频区的振幅很小，垂直方向上的振动幅值沿轴向大致相同。在530 Hz左右，轧辊的中部、传动侧和操作侧在垂直方向上均出现了最大振幅，但是轧辊中部的振幅要大于两侧，与图2（b）第6阶振型相符。在630 Hz时轧辊传动侧和操作侧部分均有0.05mm 左右的振动峰值，轧辊中部振动幅值仅有0.012mm。850Hz左右时中部的振动幅值要比两侧大0.025mm。这说明轧辊在某些频率处垂直方向上位移响应沿轴向不同，而这势必会导致带钢厚度在宽度方向上的波动，影响带钢质量。

式中，w/c是初始水灰比；α是反应程度；VHD和VLD分别是高密度和低密度C-S-H体积分数，由方程(17)知，两类C-S-H凝胶的体积分数与水灰比和水化程度密切相关。

3 结论

在轧机前20阶模态中，第15阶固有频率处工作辊在垂向上做反向振动，属于关键模态，对板带厚度影响较大。当对轧机操作侧上轴承座施加激励时，从垂直方向上沿轴向来看，工作辊的振动幅值不同。在轧机垂直振动研究中，轧辊沿辊身方向的动态信息是不可忽略的。

［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.

［2］ 刘晓星，李平.板带轧机垂直振动的研究分析［J］.昆明理工大学学报，1999，24（3）：97－101.

［3］ 朱才朝，王鸿恩，龚剑霄.4200厚板轧机机座垂直方向振动的研究［J］.重庆大学学报，1993（6）：51－57.

［4］ 武京伟，蔡玉强，张雪雁，等.4200轧机垂直振动分析［J］.机械设计与制造，2011（5）：213－215.

［5］ 浦 广 益.ANSYS Workbench 12 基 础 教 程 与 实 例 详 解［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

［6］ 许本文，焦群英.机械振动与模态分析基础［M］.北京：机械工业出版社，1998.

［7］ Guo Remn－Ming.Analysis of chater vibration phenomena of rolling mills using finite element methods［J］.Iron and Steel Engineer，1993（1）：29－39.