含表面裂纹轧辊的振动特性分析

    轧辊是轧机的重要部件,由辊身、辊颈和轴头三部分组成1轧机在轧制生产过程,轧辊处于复杂的应力状态1热轧机轧辊的工作环境更为恶劣:轧辊与轧件接触加热、轧辊水冷引起的周期性热应力,轧制负荷引起的接触应力、剪切应力以及残余应力等都易使轧辊出现剥落、断裂等形式的失效,导致轧辊使用寿命缩短1轧辊裂纹作为轧辊的主要损伤之一,在实际生产中必须定期进行损伤检测1轧辊的裂纹损伤检测早就受到高度关注[1],常用的物理检测方法有:超声波检测、磁粉检测、涡流检测、渗透检测等,但每一种检测方法都有其局限性。

    由于裂纹的出现使构件的刚度下降,影响到构件的振动特性和振动响应,因此可以通过构件的振动规律变化进行裂纹损伤检测1采用振动方法对工程结构裂纹进行损伤识别的技术近年来得到了广泛的研究和应用[2~4],已经成功地应用于旋转机械的损伤监测上1但振动方法在轧辊裂纹探测方面的研究工作还没有开展,有待研究。

    本文建立了含裂纹轧辊的有限元模型,通过ANSYS软件仿真计算了含表面裂纹的轧辊的固有频率和模态,研究含有表面裂纹的轧辊的振动特性,并对轧辊表面裂纹对轧辊的固有频率和模态等振动特性的影响规律进行研究1本文的研究结论,为进一步研究轧辊裂纹损伤的动态监测提供了基础。

    1 轧辊有限元模型的建立和求解

    1.1 轧辊有限元模型的建立

    本文选取圆柱形轧辊为研究对象,轧辊几何尺寸为:辊身直径为1 000mm,长度2 000mm;辊颈直径为500 mm,长度1 000 mm1为了表示裂纹位置和深度,建立如图1所示坐标系,取坐标x=200, 400,600,,, 1 800 mm,共9个裂纹位置1沿z轴正方向取坐标z=10, 20, 40, 70, 110, 160, 240, 320, 400,480 mm,共10个裂纹深度1网格划分如图2所示。

    1.2 模态参数的求解

    按照建立的有限元模型,求解其振动特性,可以得出选定的裂纹位置x和裂纹深度z下含有裂纹轧辊的固有频率和振型图1表1为无裂纹时轧辊的固有频率,表2为x=200(mm),z=10(mm)时轧辊的固有频率1可见裂纹的存在使轧辊各阶固有频率降低1也可以得到无裂纹和含裂纹轧辊的各阶振型。

    2 裂纹深度对轧辊固有频率的影响规律分析

    在其他条件不变的情况下,在选定的辊身位置上设置不同深度的裂纹,计算轧辊各阶固有频率,分析裂纹深度对轧辊固有频率影响的规律1为了更清楚地反映不同裂纹深度轧辊与无裂纹轧辊的各阶固有频率的相对改变值,绘制出图3所示前四阶固有频率变化率曲线,以便判断哪一阶固有频率对裂纹更敏感。