LG730冷轧管机主传动系统的动力学仿真与优化

发布时间：2017-03-01 15:07

第 1 章  绪   论

1.1  课题研究背景 
无缝钢管是现代社会必不可少的材料。基于它具有没有接缝的特点，在机械零件、制造结构件、国防军工、大型场馆建、管道输送设、化工领域以及原油开采和加工上等方面广泛地应用，对加快社会发展进程做出很大贡献[1]。与此同时，人们对无缝钢管性能提出了更高的要求，一般的生产工艺和设备已经不能满足人们的要求了。因此，为了达到无缝钢管高性能的要求，冷轧工艺已成为首要选择。 二辊周期冷轧管机是一种在低温状态下通过采用环孔形对管坯冷轧制的工艺设备，经过轧机轧出的管材性能良好、表面光洁和尺寸精确等。而且采用冷轧方法在工序上可大大减少，同时冷轧管机对管材有较高的利用率，轧制道次有较大的变形量，具有较强的纠偏能力，且能有效降低表面粗糙度  [2]。基于以上冷轧机具有如此多的优越特性，因此，在制造领域冷轧管机被广泛地应用，越来越受到各国的青睐。 随着无缝钢管需求增多和对其质量要求越来越高，使得轧机不得不向高规则、高速化方向迈进。但是，随着轧机高速工作，惯性冲击在传动系统中不断恶化，大大超过了外载荷的作用，这样对机械系统的动态性能会产生严重的影响。同时由于存这种强惯性载荷，这将大大增加了各个构件的受力，以及加剧了曲轴输入扭矩的波动性，恶化了机械运转的均匀性，如此这将会引起设备的振动和噪声，机械工作精度降低，产品的质量下降等[3]。因此，对轧机各构件的运动特性、运动副受力，以及系统惯性力变化规律等动力学特性的研究是非常必要的；同时对轧机驱动机构动平衡设计优化，以此来消减由于惯性力对轧机工作中产生的冲击影响，这已成为众多学者研究的主流方向。 
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1.2  国内外研究现状

国内对冷轧管机的研究较晚，我国第一台三辊冷轧管机 LG30 是在六十年代初由西安重型机械研究院研发设计的。经历半个多世纪的发展，目前国内已研制出并投产使用 LG450 轧机，它是我国最大的两辊冷轧管机，其最大管坯直径为 Φ480mm，德国著名的冷轧管机制造商 SMS-Meer 公司所研发出最大规格的轧机是 KPW250，其最大管坯直径为 Φ250mm。俄罗斯 EZTM 公司是世界上有名的大型冷轧管机的供货商，该公司研发的最大两辊冷轧管机是 CRTM250，其最大管坯直径是 Φ280mm [4]。 目前为止，国内冷轧管机已研制开发出两大系列，分别是 LG 型和 LD 型。这两个系列冷轧管机的分类主要根据轧辊的数目来分的，LG 型有两个辊，而 LD 型则有多个辊（大于两个辊），其主要参数见表 1。 近几十年来计算机得到了快速发展，促使了计算机模拟技术有了很大的突破，经过众多的学者努力的开发研究，全新、强大的动力学分析工具诞生了，它能对复杂的系统进行求解分析，从此就有了“多体系统动力学”的概念  。 60 年代，E. Haug 对多刚体系统的约束是通过 Lagrange 乘子算法来实现的[5]，相比 Newon-Euler 法，此方法缺点是公式的表达相对复杂，，但它具有程式化的方程建立，这就使得计算机计算分析就很容易。之后，研究者 T.  Kane[6]对系统的运动提出了用全新的方法来描述，该方法的特点就是通过广义速度来描述的，之所以它被广泛应用，是因为它还具有 Lagrange 分析力学与 Newon-Euler 矢量力学的特征。1966年，J.  Wittenburg 与 R.  Roberson 图论概念[7]，对复杂系统中各刚体构件的结构约束关系进行了描述。在 80 年代早期，学者们对多体系统动力学的理论方法的研究有了新的视角，直到在 85 年第二次国际理论与应用讨论学会上，提出了多柔体动力学概念，使得对多体动力学的研究正在逐渐向此方向转变，其主要研究大范围的空间运动与弹性变形耦合的问题[8]，  A. Shabana[9]与 E. Haug[10]是最早在航空方面研究该领域的。学者刘又午[11]在多体系统动力学领域上也进行了深入的研究。 

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第 2 章  基于 ADAMS 对主传动系统动力学仿真

2.1  引言 
机械系统传动过程中，各构件加速度和角加速度的存在使得系统中的惯性力和惯性力矩的产生是不可避免。所以，强惯性作用是运动副产生附加动压力的诱因,这使得运动副中摩擦力增加，会导致构件磨损加剧、机械系统传动效率降低、机械工作质量和可靠性下降[39]。所以，对机械系统动力学参数变化规律的分析是十分关键，像 LG730 这样大型机构必须要进行机械系统动力学计算。 LG730 冷轧管机主传动系统采用双轴扇形块水平动力平衡系统，以消减轧机高速运转过程中形成的惯性力和惯性力矩，从而使冷轧管机轧制速度得到有效提升，如图 2-1 为 LG730 主传动系统的简化模型。
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2.2 Adams  理论基础和求解过程
多体动力学依据研究对象的不同，可将其分为多柔体动力学和多刚体动力学，其中多刚体系统是由多个刚体组成的。多刚体动力学模型一般是借助三维软件来建立，进而通过动力学仿真软件对机械系统运动过程进行仿真，以获取机构的运动规律以及动力特性。 笛卡尔广义坐标是 Adams 的系统坐标，此坐标的选取是通过三个直角坐标和三个欧拉角来确定的。 本文将 LG730 冷轧管机模型导入 Adams 图形接口模块 Adams/Exchange 是Adams/View 的一个可选集成模块，它能够通过利用 STL、IDES、STEP 等产品数据交换库的双向传输把三维建模软件和 Adams 紧密的集成起来。此模块能够实现自动转换图形文件的功能，使其转变为具有外形尺寸、特征以及曲线的图形要素，从而得到较为可靠的三维模型以及质心位置、质心转动惯量与各构件质量等特征参数。因此，这可大大节约了用户时间，并还可增强仿真的能力。利用该模块将 Solidworks中创建的 LG730 冷轧管机实体整机模型以 parasolid 格式导入到 Adams 中进行多体动力学仿真。 
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第 3 章  轧机主传动系统动力学求解与软件开发 ........ 29 
3.1  引言 ........... 29 
3.2  轧机主传动系统理论分析 ..... 29 
3.3  主传动系统动力学计算专用软件 ............. 33 
3.4  本章小结 ............. 38 
第 4 章  曲轴连杆动应力仿真分析 ............ 39 
4.1  引言 ........... 39 
4.2  轧机简化的三维模型建立 ..... 39 
4.3  轧机有限元模型建立 ............. 41
4.4  轧机关键部件有限元结果分析 ....... 44
4.5  本章小结 ............. 51 
第 5 章  主传动系统动平衡优化设计 ........ 52 
5.1  引言 ........... 52 
5.2  冷轧管机驱动机构数学模型 ........... 52
5.3  基于多目标粒子群算法的综合动平衡优化 ....... 56
5.4  机构动平衡优化过程数值仿真与结果分析 ....... 59
5.5  本章小结 ............. 63 

第 5 章  主传动系统动平衡优化设计 

5.1  引言 
LG730 主传动系统可看作曲柄滑块机构，由于结构的特点机架在往复直线运动时会不可避免地产生很大的惯性力，同时电机会受到交变惯性力矩，严重影响了电机运转的均匀性[44]。为了消除结构的不平衡，就必须要确定平衡配重。因此，合理的选择配重参数就成为轧机动平衡设计的关键因素。 本章主要研究 LG730 动平衡优化问题，综合考虑三项动力性能指标，其中包括主传动系统惯性力、曲轴运动副反力和曲轴输入扭矩。通过建立动平衡优化数学模型，充分利用粒子群优化算法对以上动力性能指标进行优化处理，能够快速、准确的获得平衡参数最优解  [45]。 轧机机构的平衡效果是由配重的质量和配重的质心到回转轴的距离所决定，由式 5-2 可知配重质量e1m 、e2m 和配重质心距e1S 、e2S 是由1H 、2H 、11R 、12R 、21R 、22R 所决定。因此，我们应选择1H 、2H 、11R 、12R 、21R 、22R 来当作轧机机构动平衡的参数设计变量。在配重参数变量实际设计中，它是有约束条件来限制的，其主要考虑的因素是几何因素，即首先要确保扇形块在轧机工作工程中不可以干涉其它运动构件，其次扇形块与机架的距离不能太大。
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结论 

本文基于企业的冷轧管机研究项目，以 LG730 主传动系统为研究对象，充分利用 Solid Works、ADAMS、VB、ABAQUS、MATLAB 等软件对轧机主传动系统进行了三维建模、动力学仿真计算、开发典型机构动力学分析专用软件、强度分析、动平衡优化设计等工作。以轧机系统惯性力、曲轴运动副受力和曲轴输入扭矩为动力学性能指标，探究主传动系统的动力学特性，并得出优化设计扇形块最优配重尺寸。对本课题的研究得出结论如下： 
（1）通过对轧机主传动系统的动力学分析，可获得机架、连杆、曲轴和平衡轴质心的加速度随曲轴转角的变化规律；在无配重，只有曲轴配重和增加平衡轴配重三种工况下对轧机系统的惯性力、曲轴箱水平合力、竖直合力以及曲轴输入轴扭矩变化进行对比分析可知：对于机构同时实现对惯性力与惯性力矩平衡时，往往会对曲轴输入扭矩和运动副受力起到负作用，但通过采用双轴平衡此弊端可得到改善；通过探究平衡扇形块相位和曲轴转速对轧机系统惯性力的影响可知：扇形块相位差在 180°时，是一个最佳平衡效果的取值，同时轧机在工作时要控制好曲轴转速，以免出现较大的惯性冲击。 
（2）运用 VB 编写了曲柄滑块机构动力学分析专用软件，可以直观地输出运动学和动力学曲线图，从而清晰、准确地揭示了机构的运动特性。对该机构动力学分析的理论结果与 Adams 数值仿真结果进行对比可知：二者结果基本一致，证明了该软件是可靠的。同时此软件实现了参数化设计，便于对原始设计参数修改，能够快速、准确的实现机构性能分析，为机构初始设计提供了便利； 
（3）通过对轧机多体动力学有限元模型进行分析，可获得轧机关键部件连杆和曲轴在一个工作周期内的动应力，找到易出现应力集中区域，其中连杆的应力集中区域主要在连杆小头孔内侧边缘和连杆杆身，曲轴的应力集中区域主要在曲柄臂与曲柄销过渡边缘处，并校核了曲轴、连杆的强度，为轧机主传动系统的结构优化改进提供建议；最后通过改变轧机设备结构，找出轧机在一个工作周期内曲轴和连杆最大等效应力值，对比分析来阐述配重对轧机曲轴和连杆动应力的影响，可见采取双轴平衡有效的减小了连杆和曲轴所承受的载荷。 
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参考文献(略)

本文编号：246814