基于灵敏度分析的轧机联轴器整体尺寸优化.pdf

Dec.2023JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年1 2 月No.12Vol.40第40 卷第1 2 期机计设械基于灵敏度分析的轧机联轴器整体尺寸优化*朱升硕，姜永正，戴德志，陈龙超，戴玲（湖南科技大学机械设备健康维护湖南省重点实验室，湖南湘潭411201)摘要：文中以某钢厂38 0 0 mm粗轧机滑块式万向联轴器为研究对象，基于灵敏度分析，采用整体尺寸优化技术，寻找结构各尺寸变量的最佳组合，从而减小结构整体应力。建立联轴器的三维有限元模型，并对其进行了极限工况下的静强度分析。分析结果表明：在扁头的圆弧根部、叉头的滑块槽根部和进油孔与弧形面根部有较大应力。通过灵敏度分析，确定了结构各尺寸变量对结构整体应力影响程度，选择灵敏度较大的4个尺寸变量作为设计变量，以叉头虎口应力最小为优化目标，同时约束叉头和扁头应力在适当范围内，对联轴器进行尺寸优化。根据优化结果对结构进行重新设计及强度对比分析。结果表明：轧机整体平均应力减小，最大减幅约7 0 MPa，说明优化后的结构尺寸配合更科学和更合理，有效提高了联轴器强度。关键词：灵敏度分析；整体尺寸优化；有限元分析；轧机联轴器中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1 0 0 1-2 354(2 0 2 3)1 2-0 0 31-0 5Optimization of rolling millcoupling s overall size based onsensitivity analysisZHU Shengshuo,JIANG Yongzheng,DAI Dezhi,CHEN Longchao,DAI Ling(Hunan Key Laboratory of Healthy Maintenance for Mechanical Equipment,Hunan University of Science andTechnology,Xiangtan 411201)Abstract:This article focuses on a 3 800 mm rough rolling mills slide-typed universal coupling in a steel plant.Based onthe sensitivity analysis,the overall-size optimization technology is used to find the best combination of the structures dimensionalvariables,in order to reduce the overall stress.The three-dimensional finite-element model of the coupling isset up,and the staticstrength under extreme conditions is analyzed.The analytical results show that there is greater stress at the root of the circular arcat the flat head,the root of the sliding block groove at the fork,the oil inlet,and the root of the arc surface.Through the sensitiv-ity analysis,the influence of different dimensional variables on the overall stress is determined.Four size variables with greatersensitivity are selected as the design variables;the coupling is subject to size optimization,with the minimum stress at the forkheads web space as the optimization objective,while the stress at the fork head and at the flat head is constrained within an ap-propriate range.According to the optimization results,the structure is redesigned and the strength is subject to comparative analy-sis.The results show that the rolling mils average stress has reduced,with the maximum reduction of about 70 MPa;the opti-mized structural size is more scientific and reasonable,and as a result,the coupling strength has effectively improved.Key words sensitivity analysis;optimization of overall size;finite-element analysis;rolling mill coupling轧机联轴器是轧钢机主传动系统的核心部件，用于连接轧辊与电机，传递轧制扭矩。宽厚板粗轧机工作环境恶劣、载荷大，且轧辊正反转时伴有强烈的非线性冲击。在长期的对称应力循环作用下,联轴器结构*收稿日期：2 0 2 1-0 7-0 7；修订日期：2 0 2 3-0 6-2 0基金项目：湖南省自然科学基金面上项目（2 0 2 1 JJ30253）；湖南省教育厅面上项目（1 8 C0341）32机计设第40 卷第1 2 期械强度问题非常突出,疲劳裂纹更是经常发生1-2 。裂纹扩展，导致叉头及扁头断裂，如图1 所示，有时如控制不当有可能发生重大安全事故，造成巨大经济损失。(a)叉头断裂形貌(b)扁头断裂形貌图1联轴器叉头、扁头断裂轧机联轴器作为钢厂必不可少的大型传动核心部件，提升其结构强度，延长其使用寿命一直是冶金设备行业内的研究热点。近年来，随着国内企业制造技术的提升，在引进和吸收国外先进技术的基础上，开始自主设计生产重载联轴器，并被广泛应用于国内的钢铁企业。然而，由于缺乏相对完整的设计理论和生产制造体系，国产万向联轴器与国外同类产品相比，产品存在着可靠性差和疲劳寿命短等诸多问题。众多研究针对轧机联轴器的强度问题开展了有限元分析，并在此基础上提出了联轴器的优化设计方案及使用方面的建议3-7 有限元法分析精确度高，但轧机联轴器结构及形状复杂，尺寸变量多，对结构整体应力影响复杂。目前，针对联轴器的尺寸优化设计多是以单个零件作为优化对象，且设计变量多是靠经验选择，尚不明确各尺寸变量对整体结构应力影响程度，无法合理和准确地配合众多结构尺寸，使得降低整体应力效果最好，从而无法最大程度地发挥联轴器的使用效率。鉴于此，文中以某钢厂宽厚板可逆式轧机的滑块式万向联轴器为研究对象，通过灵敏度分析，确定各尺寸变量对结构整体应力的影响程度，选择影响程度较大的4个尺寸变量作为设计变量对其进行整体尺寸优化，寻找满足优化目标及约束条件的最佳尺寸组合，实现减小整体结构应力的目的，从而提高联轴器承载能力。1联轴器有限元建模及应力分析1.1有限元建模轧机联轴器主要由扁头、叉头和滑块组成，如图2所示。在三维建模软件中建立扁头、叉头和滑块零部件并组成装配体，材料属性如表1 所示。扁头滑块叉头图2轧机联轴器三维模型表1材料的属性零件扁头/叉头滑块材质25Cr2Ni4MoVZCuA19Mn2密度/(kg/m)78508.960弹性模量/GPa21090.2泊松比0.30.33网格划分是建立有限元模型的重要步骤，网格质量的好坏对后期有限元分析结果的准确性有重要影响。对此，采用自适应单元划分方法，设置单元尺寸为4 40 mm，对轧机联轴器进行单元划分。自适应单元划分使得单元疏密得当，兼顾了计算精度与计算效率。轧机联轴器的扁头和叉头通过与滑块的装配关系可实现小幅度的相互转动和轴向伸缩。在有限元分析过程中，通过定义接触对的方式模拟滑块与扁头、叉头之间的间隙装配关系，接触方式为面面接触。具体的接触定义参数如表2 所示。表2接触定义参数参数名称数值滑块与扁头配合间隙/mm0.1滑块与叉头配合间隙/mm0.05接触刚度/(N/m)6x101l摩擦因数0.31.2扭矩测试与分析工况根据电机功率与扭矩的关系，计算得到联轴器承受的额定扭矩为2 2 0 0 kNm，超出了常规扭矩测试仪器的测量范围，需借助某钢厂自主研发的大范围扭矩测试仪器对其扭矩进行测量，图3所示为扭矩测试仪332023年1 2 月朱升硕，等：基灵敏度分析的轧机联轴器整体尺寸优化实物。图4为1 道次的轧制扭矩变化情况，由图4可看出，在轧制过程中，咬钢阶段扭矩有明显波动峰值，且峰值约为平均值的1.6 倍。因此，可计算得联轴器所承受的峰值扭矩：M=1.62200=3520kNmmax扭矩测试仪图3扭矩测试仪实物20000(uNY)/X-2.000-40000246810时间/s图41 道次轧制扭矩变化情况在有限元软件中，对联轴器进行极限工况下的静强度分析。完全约束叉头远端内孔面所有节点，在扁头远侧内圆柱面建立rigid单元，在rigid单元的主节点上施加绕轴向352 0 kNm的峰值扭矩，如图5所示。M=3520kNmmaxrigid约束内孔单元主节点表面图5约束与加载1.3分析结果图6 为扁头应力分布，扁头最大应力为39 1.3MPa，位于圆弧根部，图7 为叉头应力分布，叉头最大应力为572.4MPa，位于滑块槽根部，在进油孔与弧形面根部也有较大应力，分别为31 5和39 0.3MPa。ContourPlotElementStresses(2D&3DXP1(major)AnalysissystemSimpleAverage3.913E+023.425E+022.936E+022.448E+021.960E+021.471E+029.827E+014.943E+015.846E-01-4.826E+01NOResuitMaX=3.913E+02Grids27892Min=-4.826E+01Grids9098ZYX图6扁头应力分布ContourPlotElementStresses(2D&3DXP1(major)AnalysissystemSimpleAverage590.35.724E+024.897E+024.071E+023.244E+023152.417E+021.590E+027.634E+01-6.344E+00-8.902E+01-1.717E+02572.4NOResUMax=5.724E+02Grids281885Min=-1.717E+02Grids237869ZX图7叉头应力分布据某钢铁厂近5年反馈的实际运行情况，在扁头的圆弧根部及叉头的滑块槽根部、进油孔与弧形面根部都有不同程度的裂纹出现，其中，以叉头槽口根部开裂次数最多，如图8 及图9 所示，这与静力分析结果十分吻合，说明该有限元模型建立准确，计算结果可靠度较高。裂纹图8叉头槽口根部裂纹34机计械第40 卷第1 2 期设裂纹图9圆弧面根部裂纹2联轴器尺寸优化设计结构尺寸优化是指以结构尺寸作为设计变量，对结构进行优化设计，从而达到改善结构整体应力分布、减小最大应力的目的，优化设计流程图如图1 0 所示参数化建模（设计变量输入）CAE求解（目标函数输出）约束条件及优化目标设置优化计算及参数评价优化方法选取优化结果输出优化前后结果对比分析完成设计图1 0优化设计流程图2.1灵敏度分析在进行结构尺寸优化设计过程中，首先应该确定设计变量，文中以扁头厚度H，虎口内圆直径D、外圆直径D，、滑块安装槽深度H2、虎口外侧开口宽度WI、虎口内侧开口宽度W，作为设计变量，如图1 1 所示。H图1 1联轴器尺寸设计变量示意图不同的输入变量对输出结果的影响程度不同。轧机联轴器结构复杂，尺寸变量多，目前尚不清楚各尺寸变量对结构整体应力影响程度，为了提高优化结果稳定性及优化效率，对众多设计变量展开灵敏度分析。基于HyperStudy软件，进行DOE正交试验设计，各设计变量取值范围如表3所示。然后，按照设计的多组试验，进行正交虚拟仿真试验，根据试验结果，识别每个设计参数对应力的影响灵敏度表3设计变量取值范围mm设计变量初始值取值范围H290230290H24925 49D345300390D2450400500W365345365W2345300345通过计算分析得到叉头虎口应力值灵敏度排序为：内圆弧直径 扁头厚度 外开口宽度 外圆弧直径内开口宽度 滑块安装槽深度。灵敏度越高，说明该设计参数对结构应力的影响程度越大。2.2整体尺寸优化优化设计可归结为求解一组设计变量，且满足约束条件，而且目标函数最小，优化问题可以归纳为以下数学模型：设计变量：X=x,x2,x在满足约束条件：g;(X)=g;(x1,x2,xn)0(j=1,2,.,m)h(X)=h(xj,x2,x,)0(k=1,2,:,l n)目标函数最小：f(X）=f(1,x2，,x选择灵敏度较高的前4个设计参数作为设计变量进行总体尺寸优化。据某钢铁厂反映，目前，扁头使用寿命能达到设计要求，但叉头使用寿命无法满足要求，故以叉头应力最小为优化目标，同时约束叉头、扁头应力在适当范围内，通过遗传算法等寻优算法进行寻优计算，寻找满足优化目标及约束条件的设计变量的最佳组合，实现整体应力降低的目的。通过OptiStruct软件进行自动寻优求解分析，进行多次迭代求解，得到满足目标的优化结构。2.3优化结果经过迭代计算，结构尺寸都有不同程度的变化，具352023年1 2 月朱升硕，等：于灵敏度分析的轧机联轴器整体尺寸优化体改动如表4所示。表4优化前后结构尺寸变化mm设计变量优化前优化后H290280DI345339D2450442W365355扁头厚度H，由2 9 0 mm减小至2 8 0 mm；外圆弧向直径D由450 mm减小至442 mm，同时滑块减薄4mm；内圆弧直径D，减小6 mm；外侧开口宽度W，由365 mm 变成 355 mm。3结构重设计及性能对比分析根据优化后的结构尺寸变化进行重新设计，得到新结构。对优化后的结构进行静力分析，对比其强度提升效果，验证优化后结构的可靠性，图1 2 及图1 3为优化后扁头、叉头的应力分布图。ContourPlotElementStresses(2D&3DP1(major)AnalysissystemSimpleAverage4.147E+023.644E+023.140E+022.637E+022.134E+021.631E+021.128E+026.246E+011.215E+01-3.817E+01NoFesutMax=4.147E+02Grids29240Min=-3.817E+01Grids144729Z图1 2优化后扁头应力分布ContourPlotElementStresses(2D&3DXP1(major)AnalysissystemSimpleAverage5.162E+024.421E+023.681E+022.940E+022.200E+021.460E+027.192E+01-2.114E+00-7.615E+01-1.502E+02Max=5.162E+02Grids738812Min=-1.502E+02Grids713296ZYX图1 3优化后叉头应力分布优化前后的应力对比如表5所示。通过对比结构优化前后的应力可以看出，叉头各部位应力均有不同程度的减小，最大降幅部位在进油孔位置，达7 0 MPa左右。由于扁头厚度减小，所以扁头最大应力略有增大，但仍然满足要求。表5优化前后的应力对比MPa应力部位原方案新方案减幅进油孔315246.468.6滑块槽根部572.4516.256.2弧形面根部390.3353.936.4扁头391.3414.7-23.44结论应力分析结果表明：在叉头的滑块槽根部、进油孔、弧形面根部及扁头圆弧根部产生较大的应力，长期受较大的交变应力作用是导致结构疲劳失效的主要原因。采用参数灵敏度分析技术，确定了各设计变量对结构整体应力的影响程度。通过对结构整体尺寸进行优化，得到了减小应力的最佳尺寸组合。尺寸优化后，结构整体平均应力有所减小，最大应力减幅约为70MPa。新结构已用于某钢厂实际生产，效果良好，优化后，联轴器的承载能力得到提升，此优化方案可为类似结构的优化设计提供借鉴参考文献1查丛文，王加林.热轧粗轧机万向接轴断裂分析J.冶金设备,2 0 1 8(1):37-38.2张博，刘畅.宝钢1 58 0 热轧产线粗轧机主传动万向轴的修复技术J.冶金设备，2 0 1 7(2：33-35.3臧勇.滑块式万向接轴的强度和结构分析.机械设计，2000,17(12):25-27.4娄世宇，罗大春，宋忠华，等.1 7 8 0 轧机R2粗轧机主传动接轴及传动辊的断裂失效分析J.机械强度，2 0 1 4,36(5):809-812.5熊杰，张志忠，樊建成，等.大型宽厚板轧机万向节疲劳失效分析J.重型机械，2 0 1 1（1）：34-38.6胡斌。轻型十字轴式万向联轴器的仿真与叉头参数优化D.马鞍山：安徽工业大学,2 0 1 6.7扶志刚，姜永正，朱升硕。重型轧机联轴器圆角应力集中引流拓朴优化J.轧钢，2 0 2 2,39 3）：7 8-8 4.作者简介：朱升硕（1 9 9 6 一），男，土家族，硕士研究生，研究方向：机械动力学及失效分析。E-mail:姜永正（通信作者）（1 9 8 4一），副教授，博士，研究方向：机械动力学及失效分析。E-mail: