新型钢坯修磨设备的静力学及动力学分析

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2024.01.010

辽宁石油化工大学学报 ›› 2024, Vol. 44 ›› Issue (1): 64-70.DOI: 10.12422/j.issn.1672-6952.2024.01.010

新型钢坯修磨设备的静力学及动力学分析

郭心成¹(), 粟佳², 包瑞新¹(), 张文涛³, 侯微⁴

^1.辽宁石油化工大学机械工程学院, 辽宁抚顺 113001
^2.辽宁石油化工大学继续教育学院, 辽宁抚顺 113001
^3.抚顺特殊钢股份有限公司, 辽宁抚顺 113001
^4.抚顺市特种设备监督检验所, 辽宁抚顺 113009

收稿日期:2023-01-09 修回日期:2023-02-20 出版日期:2024-02-25 发布日期:2024-02-07
通讯作者: 包瑞新
作者简介:郭心成（1999⁃），男，硕士研究生，从事机械动力学方面的研究；E⁃mail：gfordream@163.com。
基金资助:
辽宁省教育厅科学技术研究项目（面上项目）(LJKZ0383);抚顺市“抚顺英才计划”项目(FSYC202006001)

Static and Dynamic Analysis of New Billet Grinding Equipment

Xincheng GUO¹(), Jia LI², Ruixin BAO¹(), Wentao ZHANG³, Wei HOU⁴

^1.School of Mechanical Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China
^2.Continuing Education College，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China
^3.Fushun Special Steel Co. Ltd. ，Fushun Liaoning 113001，China
^4.Fushun Special Equipment Supervision and Inspection Institute，Fushun Liaoning 113009，China

Received:2023-01-09 Revised:2023-02-20 Published:2024-02-25 Online:2024-02-07
Contact: Ruixin BAO

摘要/Abstract

摘要：

钢坯因生产工序的原因其表面有氧化层及缺陷，故必须通过磨削的方法进行表面修磨。针对目前没有专用的设备对大型的方形钢坯料进行表面修磨的问题，设计了一种方形钢坯修磨设备，并利用ADAMS软件完成了运动学仿真验证。结果表明，修磨设备可同时平稳完成对两相邻面的打磨作业。利用有限元软件ANSYS，对修磨机进行受载下的应力分析、模态分析，并对结构进行了改进；根据简化运动学模型进行静力学分析，得到了所需输入驱动力矩，并对关键部件弹簧完成了选型。理论计算及仿真结果表明，此修磨设备能够高效地完成对大型方形钢坯表面的磨削任务。

关键词: 钢坯修磨, 非标设备, 静力学分析, 模态分析

Abstract:

Billets have oxidized layers and defects on their surface due to the production process, so they must be surface?regulated by grinding. There is no special equipment for surface regrinding of large square steel billets; a square steel regrinding equipment was designed. Kinematic simulation verification was completed using ADAMS software. The results show that the regrinding equipment can simultaneously and smoothly complete the grinding operation on two adjacent surfaces. Using finite element software ANSYS to carry out stress analysis and modal analysis of the regrinding machine under load, and improve the structure; according to the simplified kinematic model, static analysis was carried out to get the required input driving torque, and the selection of the critical components of the spring was completed. Theoretical calculations and simulation results show that this regrinding machine can efficiently grind the surface of large square billets.

Key words: Billet grinding, Non?standard equipment, Statics analysis, Modal analysis

中图分类号:

TE927

郭心成, 粟佳, 包瑞新, 张文涛, 侯微. 新型钢坯修磨设备的静力学及动力学分析[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2024, 44(1): 64-70.

Xincheng GUO, Jia LI, Ruixin BAO, Wentao ZHANG, Wei HOU. Static and Dynamic Analysis of New Billet Grinding Equipment[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2024, 44(1): 64-70.

图/表 14

图1 蝶形钢坯支撑座

Fig.1 Butterfly billet support seat

图2 修磨设备侧视简化连杆模型

Fig.2 Simplified connecting rod model with side view of the grinding equipment

图3 曲柄滑块简化模型

Fig.3 Simplified model of crank slider

图4 方形钢坯修磨设备的三维CAD模型

Fig.4 3D CAD model of square billet grinding equipment

图5 砂轮在方形钢坯上端两相邻面磨削路程曲线

Fig.5 Grinding path curve of the grinding wheel on two adjacent surfaces of the upper end of the square billet

表1 新型钢坯修磨设备各零部件材料属性

Table 1 Material properties of each component of the new billet grinding equipment

零件	材料	密度/ （kg·m^－3）	杨氏模量/GPa	泊松比
砂轮	CBN	3 480	0.71	0.15
砂轮轴、皮带轮	40Cr	7 820	2.10	0.28
轴承	GCr15	7 800	2.08	0.30
定位板、轴承盖	结构钢	7 850	2.00	0.30
其余零部件	45^#钢	7 850	2.10	0.27

图6 对螺纹孔施加载荷的简化模型

Fig.6 Simplified model of the load applied to the threaded hole

图7 磨头电机连接架应力、位移云图

Fig.7 Stress and displacement contours of the connecting frame of the grinding motor

图8 连接架改进后的修磨设备在负载条件下的位移云图

Fig.8 Displacement contour of the improved grinding equipment under load conditions

图9 对连接架、连接杆、砂轮简化后的轴套机构建立静力学模型的流程

Fig.9 The flow of establishing a static model of the shaft sleeve mechanism after simplifying the connecting frame, connecting rod, and grinding wheel

图10 利用Face Split工具建立的磨削力作用线

Fig.10 The grinding force line established using the Face Split tool

图11 用于指示径向磨削力加载方向的径向线

Fig.11 Radial line used to indicate the direction of radial grinding force loading

图12 修磨装置的前6阶模态振型图

Fig.12 First six modes of the grinding device

表2 新型钢坯修磨设备振型分析

Table 2 Vibration mode analysis of new billet grinding equipment

模态阶数	固有频率/Hz	振型特点
1	20.188	连接架及主轴振动较小，最大振动部位位于外砂轮片最远端
2	23.758	连接架及主轴振动较小，最大振动部位位于内砂轮片最远端
3	24.152	振动逐渐向连接架转移，连接架前端具有振动位移，最大振动部位位于外砂轮片最远端
4	32.581	连接架前端具有较大振动，连接架尾端具有小幅振动，最大振动部位位于内砂轮片最远端
5	51.404	主轴有较大振动，砂轮片振动减小，最大振动部位转移到连接架尾端
6	70.951	主轴、连接杆、砂轮片振动减小，最大振动部位位于连接架尾端

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新型钢坯修磨设备的静力学及动力学分析

Static and Dynamic Analysis of New Billet Grinding Equipment

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