基于ADAMS的定宽压力机侧压机构的运动学仿真

徐浩然， 伍 毅

(安徽工业大学机械工程学院，安徽 马鞍山 243000)

0 前言

由于经济社会的高速发展，对各种尺寸的钢材需求也日益增加。曾经由于技术所限，在连续铸造与连续轧制的过程中，生产企业只能采取不同尺寸，分批生产的生产方式，这样不仅降低了生产效率，同时也对资源产生了极大的浪费，对生产出来不符合使用要求的板材进行宽度调节，存在非常大的技术难度。侧压机可以调节钢材板坯的宽度尺寸。国外对大型定宽压力机的研究起步较早，外国学者对定宽压力机的各个方面做了大量的基础理论研究工作，为定宽压力机的理论研究打下坚实的理论基础并引领了理论研究方向。国内的学者在定宽压力机结构设计、侧压过程、运动受力情况等方面开展了诸多的研究工作。随着侧压机相关技术的不断完善，其在调整钢材尺寸方面越来越发挥着不可替代的作用[1-3]。

定宽压力机主要是用在粗轧前对板坯进行宽度的调节。这样不仅仅可以大幅的提高不同尺寸要求的板坯的生产效率，同时也可以极大的降低轧制生产线的成本，还能对企业的仓储和物流进行合理的布置和安排，对提高企业的核心竞争力起着非常重要的作用[4-5]。

某钢厂2250热轧生产线于2007年2月建成投产，设计年产能550万吨，其主要生产规格在1.2～25.4 mm厚度以及800～2 130 mm宽度范围内的各种板材。本文以该生产线中的定宽压力机的侧压机构为研究对象，通过运用虚拟样机技术的研究方法，在实际应用中，可大大降低因设计失误导致的时间和成本，其关键是运用虚拟样机的机械系统动力学分析软件Adams，通过建立三维结构模型，对机构的运动性能、规律等方面进行仿真分析，得到其工作状态下的运动形态，并与设计要求进行对比，分析机构运动是否合理[6]。

1 定宽压力机的主要技术参数及其工作原理

定宽压力机的侧压方式起停式,主要技术参数为

偏心距 90 mm

两侧最大侧压量 360 mm

侧压次数 42 次/min

主齿轮箱数量 2

板坯运行速度 300 mm/s

锤头调整电机功率 2×(0～440)kW

转速 0～950 r/min

侧压力 Max 22 MN

通常，定宽压力机由同步机构、调宽机构以及对称分布的侧压机构组成其中，同步机构施加负载，通过配套设备中的同步电机和增速机的驱动，带动同步框架上的偏心轮运动。

调宽机构调节宽度，通过对称分布的调宽电机驱动，经过伞齿轮箱、传动蜗杆进行驱动的传递，从而实现对来料宽度和定宽要求的不同随时调整两侧侧压锤头的开口度。

对称分布的侧压机构，通过两个对称分布的曲柄滑块机构的协同作用，对板坯进行侧压，最终完成对板坯宽度的调节。本文以此作为研究对象，对典型工况下侧压机构的运动过程进行仿真，分析是否能够预期的运动，能否符合设计的要求。其工作原理如图1 所示。

图1 定宽压力机的工作原理图

2 侧压机构的运动学模型

运用矢量方程图解法对定宽压力机的侧压机构进行运动分析，得出侧压锤头质心位置的运动方程。假定偏心轮1的偏心距为l1，偏心距在水平位置的夹角为θ1，侧压连杆1的长度为l2，侧压连杆在水平位置的夹角为θ2。

由于锤头与滑架位置相对固定，因此，锤头的质心位置M点与滑架的C点之间相对坐标为(a，b)，即锤头质心位置用数学表达式表示为

(1)

式中，a、b为常数。

由角度公式可知：θ=ωt，为伺服电机施加于偏心轮上的角速度，其值为ω=42r/min，且θ2是关于θ1的函数表达式。因此，式(1)为只含有一个时间参数t的表达式。

通过式(1)中参数t求导可得

(2)

得到锤头质心位置的速度表达式。

通过式(2)中参数t求导可得

(3)

得到锤头质心位置的加速度表达式。

2.1 侧压机构的多刚体虚拟样机模型的建立

定宽压力机侧压机构通过与之相连的两座对称分布伺服电机驱动偏心轮转动，通过侧压连杆以及滑架的驱动，实现侧压锤头的往复的侧压运动。

由于虚拟样机仿真软件Adams中的三维建模相对较为复杂，因此，在充分研究侧压机构运动性能的基础上，结合定宽压力机所要实现的运动，确定其主要由侧压连杆、偏心轮、摆杆、滑架、底座以及侧压锤头组成，并且，根据现实情况，在不影响运动的情况下，对其进行一定的机构简化，最终运用专业的三维建模软件SolidWork，对其进行三维建模[7-8]，其三维模型如图2所示。

图2 定宽压力机的三维模型

2.1.1 三维模型的转换

将SolidWork软件所建立的三维模型保存为Parasolid格式，文件的扩展名为“.x-t”，之后将其导入虚拟样机仿真软件Adams，并设置相应的文件名。

2.1.2 侧压机构零部件运动副的定义

(1)设置工作环境。设置软件的单位组为MMKS，即长度单位mm;质量单位kg;力单位N;时间单位s。并设置该模型的重力加速度Z=-9 806.65 mm/s2。

(2)设置机构各部件的属性。对于导入的三维模型，可以自由的更改各部件的颜色适应工作环境以及各构件的材料属性，由于本机构的各个构件为刚体，系统能够自动算出其质量、转动惯量以及质心的位置。

(3)对各构件添加约束。根据定宽侧压机构的工作原理，以及各个构件之间的相互运动的前提之下，对各个构件之间添加相应的运动副，一共添加了十个运动副，如表1所示。

表1 各构件之间运动副施加情况

2.1.3 侧压机构零部件接触力的添加

根据定宽压力机的主要技术参数可知，其侧压次数为42次/min，故其侧压周期为42 r/min，转化为函数时间关系式为252 deg/sec。根据侧压机构的运动情况可知，其动力源自于与两偏心轮相连的同步机构，因此，将旋转驱动MOTION_1，定义于JOINT_2上。另一处转动副MOTION_2定义于JOINT_3上。通过Modify Verify命令，检验模型添加的约束驱动正确[9-11]。

2.1.4 侧压机构零部件接触力的添加

由于定宽压力机侧压机构工作时有着非常大的速度和冲击，因此，要将侧压机构构件之间的接触产生的接触应力加以定义，使得运动仿真的过程更合理，更符合实际工作情况。由于各构件都是刚体，故选择实体对实体的约束类型来对接触进行定义。具体的接触定义如表2所示，其具体定义参数如图3所示[13]。

表2 各构件间的约束关系

图3 接触对参数

最终，定宽压力机侧压机构多刚体虚拟样机仿真模型以及施加约束完成，具体模型图如图4所示。

图4 多刚体虚拟样机模型

2.2 多刚体虚拟样机运动学仿真结果分析

对图4侧压机构的多刚体虚拟样机模型进行相应的仿真分析，将仿真的时间设置为5s,载荷步数为50，根据三维建模可知，x方向为锤头侧压方向，y方向为板坯的进给方向。通过仿真，对锤头的质心位置变化进行研究，得出其x方向位移、速度、加速度曲线为图5，y方向速度、加速度曲线为图6。

图5 锤头质心位置x方向运动变化曲线

图6 锤头质心位置y方向运动变化曲线

由图5可以得出，锤头的质心位置在x方向上的位移为平滑的正(余)弦曲线，符合公式(1)的数学表达式，其极限位移为180 mm，即单侧锤头的最大减宽量约为180 mm，则两侧锤头对板坯的最大减宽量为360 mm，满足该生产线的设计要求。其x方向上的速度变化为平滑的正(余)弦函数，满足公式(2)的数学表达式，故锤头在工作时x方向上的运动平稳，另由于其x方向上的加速度变化为平滑的正(余)线函数，满足公式(3)的数学表达式，故该机构各构件在x方向为柔性冲击，对机构各构件的冲击较小[14-16]。

由图6可以得出，其锤头的质心位置在y方向上的极限位移为30 mm，其波动在设计误差允许的范围内。在y方向上其加速度曲线在侧压锤头质心达到极限位置时产生波动，这是由于摆杆在y方向上的摆动以及在侧压的过程中产生的震动对其y方向上的加速度产生波动，此类波动会对机构各构件产生冲击，应加以避免。

对其时间节点进行研究，可以得出如图7的曲线变化图。由图可知，在其侧压力最小处，锤头x方向的位移为最小或最大；在其侧压力最大处，其位移速度最大。

图7 锤头x方向位移、速度及侧压力变化图

对约束力进行研究，约束1的约束构件为连杆1 与偏心轮1，其在x方向力与力矩变化曲线如图8所示，在y方向力与力矩变化曲线如图9所示。

图8 约束1在x方向力与力矩变化曲线

图9 约束1在y方向力与力矩变化曲线

通过对图8与图9变化曲线，其约束力与约束力矩近似于平滑的正(余)弦曲线，且在锤头运动位移的最低位置产生波动，这是由于锤头此时与底座接触，从而产生了力与力矩的波动，因此，在结构设计时应减小锤头垫片z方向的尺寸，避免因接触产生力与力矩的波动。

2.3 板坯定宽过程的有限元模拟

选取极限工况条件下，对极限规格的板坯进行侧压调宽仿真，其板坯的规格如表3所示,极限状态下的板坯长度为实际长度的1/5,宽度指单侧宽度。

表3 极限状态下的板坯参数

在极限压下量248 mm 之下，通过运用非线性数值模拟软件ANSYS/LS-DYNA，对侧压锤头与板坯的应力分布规律进行研究，得到如图10所示的板坯应力分布图。

图10 极限工况条件下板坯应力分布

3 结束语

本文通过建立数学模型，得出侧压锤头质心位置的位移、速度、加速度的数学表达式，通过建立定宽压力机侧压机构的虚拟样机模型，对其工作过程进行了动态仿真分析，得出锤头质心位置的运动变化曲线图以及约束的力与力矩变化曲线图，验证了锤头质心位置的位移、速度、加速度的变化规律。并对极限工况下的侧压锤头与板坯的运动进行应力仿真，主要结论

(1)本文建立的虚拟样机模型进行运动仿真，可以得出与锤头x方向的位移与设计要求相近的结果，因此，该结构模型能够实现预期的运动，并且运动平稳，可以实现极限工况下的侧压调宽。

(2)动态仿真结果表明，锤头质心位置x方向的最小与最大位移在其侧压力最小处；当侧压锤头的侧压力最大时，其移动速度最大，其能够满足设计要求，对今后该机构的结构优化设计提供依据。

(3)通过对该机构的约束力进行研究，可以得出，当锤头的位移在x方向最小时，由于锤头垫片z方向尺寸较大，造成锤头垫片与底座重合，从而产生振动，在结构设计时应该加以优化。