基于ANSYS的2150 mm万能轧机机架模态分析

郑云龙，涂川，曹帅，马成斌，鞠德强，李继宏

（鞍钢集团工程技术有限公司，辽宁 鞍山 114021）

2150 mm万能轧机工作时，整机承受着复杂的动负荷，这些动负荷直接或间接地传递给机架［1］，即使机架有很大的强度和刚度，仍然产生一些用静力学分析无法解释的现象和问题。为此，有必要对机架进行模态分析。利用ANSYS有限元软件中的自带建模功能，分别建立2150 mm万能轧机的主机架和立辊机架三维实体模型，分别对主机架和立辊机架进行模态分析，计算出各自15阶固有频率和振型图，获取主机架和立辊机架各阶主要模态的特性，得出对实际生产影响最大的固有频率，并提出改善方案。

1 轧机机架有限元模型的建立

万能轧机的主机架和立辊机架分别是水平辊系和立辊辊系的承载零件，建模时需要从如下几方面进行考虑：

（1）2150 mm万能轧机机架由一个主机架（水平辊机架）和分别配置在其前后的两个立辊机架构成，2150 mm万能轧机机架结构如图1所示。其中，两个立辊机架分别与主机架靠一组定位螺栓把合，三个轧机机架分别用地脚螺栓固定。因此，三个机架不属于刚性连接，需分别建模进行模态分析。

（2）万能轧机的主机架为对称结构，因此分析整个轧机时只建立单侧牌坊即可；分别置于主机架前、后的立辊机架结构关于主机架完全对称，因此只建立一个立辊机架模型即可。

图1 2150 mm万能轧机机架结构

（3）主机架和立辊机架上的油孔和螺纹孔等对分析影响很小，故将其忽略，得到主机架和立辊机架的模型如图2所示。

图2 2150 mm万能轧机机架三维模型

2 ANSYS软件的模态计算

运用ANSYS有限元软件对万能轧机机架的模态分析过程如下：

（1）2150 mm万能轧机主机架和立辊机架的材质均为ZG25的铸钢件，其参数如下：弹性模量 E=2.02×1011Pa，泊松比 μ=0.3，密度 ρ=7.8×103kg/m3。

（2）根据机架实际安装情况，在施加约束时，对主机架和立辊机架的地脚螺栓孔内施加水平方向约束；对机架与地基接触面施加垂直方向约束；由于重力对模态求解并无影响，故可忽略［2］。

（3）采用8节点Solid45体单元，精度为1的自由网格划分方式分别对主机架和立辊机架的三维实体模型进行网格划分，机架有限元模型及约束情况见图3。其中，主机架有限元模型及约束情况见图3（a）；立辊机架有限元模型及约束情况见图 3（b）。

（4）机架在轧制过程中产生的自激振动是非常复杂，理论上应按无限多个自由度处理，但是由于系统的低阶频率和其相应的模态对其响应有较大影响（因为其高频谐波受阻尼影响较大很快衰减，所以不占主要成分）［3］，因此，在分析时只须考虑前几阶模态，仅对机架前15阶固有频率进行研究。

图3 机架有限元模型及约束情况

3 有限元模态计算结果分析

坐标系中，Z轴方向为板坯轧制方向，X轴方向为轧辊轴向方向，Y轴方向为竖直方向。沿板坯轧制方向（Z轴方向）看，选择轧机的左侧为传动侧，右侧为操作侧。

3.1 主机架有限元模态计算结果分析

通过对主机架进行有限元分析和进行模态扩展，即扩展振型，可以得到主机架前15阶固有频率以及非常直观的振型图。

图4为主机架各阶振型图，从X轴方向看，主机架前15阶各阶振型如图4（a）所示,从Z轴方向看，前15阶各阶振型如图4（b）所示。

表1为2150 mm万能轧机主机架前15阶固有频率及振型的特征说明。需要特殊说明的是，主机架是由两个完全对称的牌坊组成，而在此仅对其一侧牌坊进行模态分析。因此，对于整个主轧机而言，在主轧机实际振动中，单侧牌坊某些由主振动引发的变形可以相互削弱。

轧机主机架牌坊的立柱承受较大轧制力时容易发生弹性变形，是设计时应重点考虑的部位［1］。从2150 mm万能轧机主机架各阶振型的分析中可以看出，主机架的动态弯曲和扭转变形是影响主轧机动态性能的主要因素，尤其是第9阶固有频率下的振型，横梁沿垂直（Y轴）方向的上下运动（垂振）将对主轧机轧制板坯的质量造成很大的影响。

图4 主机架各阶振型图

表1 2150 mm万能轧机主机架前15阶固有频率及振型的特征说明

3.2 立辊机架有限元模态计算结果分析

通过对立辊机架进行有限元分析和模态扩展，可以得到立辊机架前15阶固有频率和直观振型图。图5为立辊机架各阶振型图，从X轴方向看，立辊机架前15阶各阶振型见图5（a）,从Z轴方向看，前15阶各阶振型见图5（b）。

表2为2150 mm万能轧机立辊机架前15阶固有频率及振型的特征说明。

从万能轧机立辊机架各阶振型的分析中可以得知，立辊机架上、下两组横梁的动态弯曲和扭转变形是影响立辊轧机动态性能的主要因素，尤其是第13阶固有频率下的主振型，左右牌坊间相对运动，会对立辊轧机轧制板坯的质量造成很大影响。

图5 立辊机架各阶振型图

表2 2150 mm万能轧机立辊机架前15阶固有频率及振型的特征说明

4 结论

（1）主机架牌坊的立柱作为主机架较薄弱的部位，是设计时应该考虑的环节，优化设计主轧机牌坊时，若适当增加局部刚度，可进一步提高主轧机牌坊的动态性能和主轧机对板坯的轧制质量。

（2）立辊机架的上、下两组横梁是立辊轧机机架较为薄弱的部位，在对设备改进时，若适当增加横梁刚度，可以大幅提高立辊轧机的动态性能。

（3）当激振频率与固有频率重叠时会导致机架整体共振，进而损坏设备，因此，工况下应尽量避免各振源在这几阶频率附近出现。主机架的第9阶固有频率和立辊机架的第13阶固有频率，由于其频率较低、振源易于实现，并且振幅不仅对板坯的轧制影响较大，同时对机架强度和刚度影响较大，故应注意使万能轧机周围各振源的频率与之避开。