第 1 章  緒   論

1.1  課題研究背景 
無縫鋼管是現(xiàn)代社會必不可少的材料�；谒哂袥]有接縫的特點，在機(jī)械零件、制造結(jié)構(gòu)件、國防軍工、大型場館建、管道輸送設(shè)、化工領(lǐng)域以及原油開采和加工上等方面廣泛地應(yīng)用，對加快社會發(fā)展進(jìn)程做出很大貢獻(xiàn)[1]。與此同時，人們對無縫鋼管性能提出了更高的要求，一般的生產(chǎn)工藝和設(shè)備已經(jīng)不能滿足人們的要求了。因此，為了達(dá)到無縫鋼管高性能的要求，冷軋工藝已成為首要選擇。 二輥周期冷軋管機(jī)是一種在低溫狀態(tài)下通過采用環(huán)孔形對管坯冷軋制的工藝設(shè)備，經(jīng)過軋機(jī)軋出的管材性能良好、表面光潔和尺寸精確等。而且采用冷軋方法在工序上可大大減少，同時冷軋管機(jī)對管材有較高的利用率，軋制道次有較大的變形量，具有較強(qiáng)的糾偏能力，且能有效降低表面粗糙度  [2]。基于以上冷軋機(jī)具有如此多的優(yōu)越特性，因此，在制造領(lǐng)域冷軋管機(jī)被廣泛地應(yīng)用，越來越受到各國的青睞。 隨著無縫鋼管需求增多和對其質(zhì)量要求越來越高，使得軋機(jī)不得不向高規(guī)則、高速化方向邁進(jìn)。但是，隨著軋機(jī)高速工作，慣性沖擊在傳動系統(tǒng)中不斷惡化，大大超過了外載荷的作用，這樣對機(jī)械系統(tǒng)的動態(tài)性能會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。同時由于存這種強(qiáng)慣性載荷，這將大大增加了各個構(gòu)件的受力，以及加劇了曲軸輸入扭矩的波動性，惡化了機(jī)械運轉(zhuǎn)的均勻性，如此這將會引起設(shè)備的振動和噪聲，機(jī)械工作精度降低，產(chǎn)品的質(zhì)量下降等[3]。因此，對軋機(jī)各構(gòu)件的運動特性、運動副受力，以及系統(tǒng)慣性力變化規(guī)律等動力學(xué)特性的研究是非常必要的；同時對軋機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)動平衡設(shè)計優(yōu)化，以此來消減由于慣性力對軋機(jī)工作中產(chǎn)生的沖擊影響，這已成為眾多學(xué)者研究的主流方向。 
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1.2  國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對冷軋管機(jī)的研究較晚，我國第一臺三輥冷軋管機(jī) LG30 是在六十年代初由西安重型機(jī)械研究院研發(fā)設(shè)計的。經(jīng)歷半個多世紀(jì)的發(fā)展，目前國內(nèi)已研制出并投產(chǎn)使用 LG450 軋機(jī)，它是我國最大的兩輥冷軋管機(jī)，其最大管坯直徑為 Φ480mm，德國著名的冷軋管機(jī)制造商 SMS-Meer 公司所研發(fā)出最大規(guī)格的軋機(jī)是 KPW250，其最大管坯直徑為 Φ250mm。俄羅斯 EZTM 公司是世界上有名的大型冷軋管機(jī)的供貨商，該公司研發(fā)的最大兩輥冷軋管機(jī)是 CRTM250，其最大管坯直徑是 Φ280mm [4]。 目前為止，國內(nèi)冷軋管機(jī)已研制開發(fā)出兩大系列，分別是 LG 型和 LD 型。這兩個系列冷軋管機(jī)的分類主要根據(jù)軋輥的數(shù)目來分的，LG 型有兩個輥，而 LD 型則有多個輥（大于兩個輥），其主要參數(shù)見表 1。 近幾十年來計算機(jī)得到了快速發(fā)展，促使了計算機(jī)模擬技術(shù)有了很大的突破，經(jīng)過眾多的學(xué)者努力的開發(fā)研究，全新、強(qiáng)大的動力學(xué)分析工具誕生了，它能對復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行求解分析，從此就有了“多體系統(tǒng)動力學(xué)”的概念  。 60 年代，E. Haug 對多剛體系統(tǒng)的約束是通過 Lagrange 乘子算法來實現(xiàn)的[5]，相比 Newon-Euler 法，此方法缺點是公式的表達(dá)相對復(fù)雜，，但它具有程式化的方程建立，這就使得計算機(jī)計算分析就很容易。之后，研究者 T.  Kane[6]對系統(tǒng)的運動提出了用全新的方法來描述，該方法的特點就是通過廣義速度來描述的，之所以它被廣泛應(yīng)用，是因為它還具有 Lagrange 分析力學(xué)與 Newon-Euler 矢量力學(xué)的特征。1966年，J.  Wittenburg 與 R.  Roberson 圖論概念[7]，對復(fù)雜系統(tǒng)中各剛體構(gòu)件的結(jié)構(gòu)約束關(guān)系進(jìn)行了描述。在 80 年代早期，學(xué)者們對多體系統(tǒng)動力學(xué)的理論方法的研究有了新的視角，直到在 85 年第二次國際理論與應(yīng)用討論學(xué)會上，提出了多柔體動力學(xué)概念，使得對多體動力學(xué)的研究正在逐漸向此方向轉(zhuǎn)變，其主要研究大范圍的空間運動與彈性變形耦合的問題[8]，  A. Shabana[9]與 E. Haug[10]是最早在航空方面研究該領(lǐng)域的。學(xué)者劉又午[11]在多體系統(tǒng)動力學(xué)領(lǐng)域上也進(jìn)行了深入的研究。 

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第 2 章  基于 ADAMS 對主傳動系統(tǒng)動力學(xué)仿真

2.1  引言 
機(jī)械系統(tǒng)傳動過程中，各構(gòu)件加速度和角加速度的存在使得系統(tǒng)中的慣性力和慣性力矩的產(chǎn)生是不可避免。所以，強(qiáng)慣性作用是運動副產(chǎn)生附加動壓力的誘因,這使得運動副中摩擦力增加，會導(dǎo)致構(gòu)件磨損加劇、機(jī)械系統(tǒng)傳動效率降低、機(jī)械工作質(zhì)量和可靠性下降[39]。所以，對機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律的分析是十分關(guān)鍵，像 LG730 這樣大型機(jī)構(gòu)必須要進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)計算。 LG730 冷軋管機(jī)主傳動系統(tǒng)采用雙軸扇形塊水平動力平衡系統(tǒng)，以消減軋機(jī)高速運轉(zhuǎn)過程中形成的慣性力和慣性力矩，從而使冷軋管機(jī)軋制速度得到有效提升，如圖 2-1 為 LG730 主傳動系統(tǒng)的簡化模型。
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2.2 Adams  理論基礎(chǔ)和求解過程
多體動力學(xué)依據(jù)研究對象的不同，可將其分為多柔體動力學(xué)和多剛體動力學(xué)，其中多剛體系統(tǒng)是由多個剛體組成的。多剛體動力學(xué)模型一般是借助三維軟件來建立，進(jìn)而通過動力學(xué)仿真軟件對機(jī)械系統(tǒng)運動過程進(jìn)行仿真，以獲取機(jī)構(gòu)的運動規(guī)律以及動力特性。 笛卡爾廣義坐標(biāo)是 Adams 的系統(tǒng)坐標(biāo)，此坐標(biāo)的選取是通過三個直角坐標(biāo)和三個歐拉角來確定的。 本文將 LG730 冷軋管機(jī)模型導(dǎo)入 Adams 圖形接口模塊 Adams/Exchange 是Adams/View 的一個可選集成模塊，它能夠通過利用 STL、IDES、STEP 等產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換庫的雙向傳輸把三維建模軟件和 Adams 緊密的集成起來。此模塊能夠?qū)崿F(xiàn)自動轉(zhuǎn)換圖形文件的功能，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂型庑纬叽�、特征以及曲線的圖形要素，從而得到較為可靠的三維模型以及質(zhì)心位置、質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量與各構(gòu)件質(zhì)量等特征參數(shù)。因此，這可大大節(jié)約了用戶時間，并還可增強(qiáng)仿真的能力。利用該模塊將 Solidworks中創(chuàng)建的 LG730 冷軋管機(jī)實體整機(jī)模型以 parasolid 格式導(dǎo)入到 Adams 中進(jìn)行多體動力學(xué)仿真。 
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第 3 章  軋機(jī)主傳動系統(tǒng)動力學(xué)求解與軟件開發(fā) ........ 29 
3.1  引言 ........... 29 
3.2  軋機(jī)主傳動系統(tǒng)理論分析 ..... 29 
3.3  主傳動系統(tǒng)動力學(xué)計算專用軟件 ............. 33 
3.4  本章小結(jié) ............. 38 
第 4 章  曲軸連桿動應(yīng)力仿真分析 ............ 39 
4.1  引言 ........... 39 
4.2  軋機(jī)簡化的三維模型建立 ..... 39 
4.3  軋機(jī)有限元模型建立 ............. 41
4.4  軋機(jī)關(guān)鍵部件有限元結(jié)果分析 ....... 44
4.5  本章小結(jié) ............. 51 
第 5 章  主傳動系統(tǒng)動平衡優(yōu)化設(shè)計 ........ 52 
5.1  引言 ........... 52 
5.2  冷軋管機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型 ........... 52
5.3  基于多目標(biāo)粒子群算法的綜合動平衡優(yōu)化 ....... 56
5.4  機(jī)構(gòu)動平衡優(yōu)化過程數(shù)值仿真與結(jié)果分析 ....... 59
5.5  本章小結(jié) ............. 63 

第 5 章  主傳動系統(tǒng)動平衡優(yōu)化設(shè)計 

5.1  引言 
LG730 主傳動系統(tǒng)可看作曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)的特點機(jī)架在往復(fù)直線運動時會不可避免地產(chǎn)生很大的慣性力，同時電機(jī)會受到交變慣性力矩，嚴(yán)重影響了電機(jī)運轉(zhuǎn)的均勻性[44]。為了消除結(jié)構(gòu)的不平衡，就必須要確定平衡配重。因此，合理的選擇配重參數(shù)就成為軋機(jī)動平衡設(shè)計的關(guān)鍵因素。 本章主要研究 LG730 動平衡優(yōu)化問題，綜合考慮三項動力性能指標(biāo)，其中包括主傳動系統(tǒng)慣性力、曲軸運動副反力和曲軸輸入扭矩。通過建立動平衡優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，充分利用粒子群優(yōu)化算法對以上動力性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化處理，能夠快速、準(zhǔn)確的獲得平衡參數(shù)最優(yōu)解  [45]。 軋機(jī)機(jī)構(gòu)的平衡效果是由配重的質(zhì)量和配重的質(zhì)心到回轉(zhuǎn)軸的距離所決定，由式 5-2 可知配重質(zhì)量e1m 、e2m 和配重質(zhì)心距e1S 、e2S 是由1H 、2H 、11R 、12R 、21R 、22R 所決定。因此，我們應(yīng)選擇1H 、2H 、11R 、12R 、21R 、22R 來當(dāng)作軋機(jī)機(jī)構(gòu)動平衡的參數(shù)設(shè)計變量。在配重參數(shù)變量實際設(shè)計中，它是有約束條件來限制的，其主要考慮的因素是幾何因素，即首先要確保扇形塊在軋機(jī)工作工程中不可以干涉其它運動構(gòu)件，其次扇形塊與機(jī)架的距離不能太大。
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結(jié)論 

本文基于企業(yè)的冷軋管機(jī)研究項目，以 LG730 主傳動系統(tǒng)為研究對象，充分利用 Solid Works、ADAMS、VB、ABAQUS、MATLAB 等軟件對軋機(jī)主傳動系統(tǒng)進(jìn)行了三維建模、動力學(xué)仿真計算、開發(fā)典型機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析專用軟件、強(qiáng)度分析、動平衡優(yōu)化設(shè)計等工作。以軋機(jī)系統(tǒng)慣性力、曲軸運動副受力和曲軸輸入扭矩為動力學(xué)性能指標(biāo)，探究主傳動系統(tǒng)的動力學(xué)特性，并得出優(yōu)化設(shè)計扇形塊最優(yōu)配重尺寸。對本課題的研究得出結(jié)論如下： 
（1）通過對軋機(jī)主傳動系統(tǒng)的動力學(xué)分析，可獲得機(jī)架、連桿、曲軸和平衡軸質(zhì)心的加速度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律；在無配重，只有曲軸配重和增加平衡軸配重三種工況下對軋機(jī)系統(tǒng)的慣性力、曲軸箱水平合力、豎直合力以及曲軸輸入軸扭矩變化進(jìn)行對比分析可知：對于機(jī)構(gòu)同時實現(xiàn)對慣性力與慣性力矩平衡時，往往會對曲軸輸入扭矩和運動副受力起到負(fù)作用，但通過采用雙軸平衡此弊端可得到改善；通過探究平衡扇形塊相位和曲軸轉(zhuǎn)速對軋機(jī)系統(tǒng)慣性力的影響可知：扇形塊相位差在 180°時，是一個最佳平衡效果的取值，同時軋機(jī)在工作時要控制好曲軸轉(zhuǎn)速，以免出現(xiàn)較大的慣性沖擊。 
（2）運用 VB 編寫了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析專用軟件，可以直觀地輸出運動學(xué)和動力學(xué)曲線圖，從而清晰、準(zhǔn)確地揭示了機(jī)構(gòu)的運動特性。對該機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析的理論結(jié)果與 Adams 數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對比可知：二者結(jié)果基本一致，證明了該軟件是可靠的。同時此軟件實現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計，便于對原始設(shè)計參數(shù)修改，能夠快速、準(zhǔn)確的實現(xiàn)機(jī)構(gòu)性能分析，為機(jī)構(gòu)初始設(shè)計提供了便利； 
（3）通過對軋機(jī)多體動力學(xué)有限元模型進(jìn)行分析，可獲得軋機(jī)關(guān)鍵部件連桿和曲軸在一個工作周期內(nèi)的動應(yīng)力，找到易出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，其中連桿的應(yīng)力集中區(qū)域主要在連桿小頭孔內(nèi)側(cè)邊緣和連桿桿身，曲軸的應(yīng)力集中區(qū)域主要在曲柄臂與曲柄銷過渡邊緣處，并校核了曲軸、連桿的強(qiáng)度，為軋機(jī)主傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)提供建議；最后通過改變軋機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)，找出軋機(jī)在一個工作周期內(nèi)曲軸和連桿最大等效應(yīng)力值，對比分析來闡述配重對軋機(jī)曲軸和連桿動應(yīng)力的影響，可見采取雙軸平衡有效的減小了連桿和曲軸所承受的載荷。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：246814