原创《水平螺旋输送机槽体的模态分析和优化》
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符文静,胡继云,刘志鹏
（河南工业大学机电工程学院,河南 郑州 450007）
摘 要：水平螺旋输送机槽体是水平螺旋输送机的主要构件之一,承担着支撑螺旋体传输物料和固定作用,槽体刚度直接影响传输过程的稳定性和可靠度,而影响槽体刚度的是槽体本身的固有频率,即模态参数.针对某型号的水平螺旋输送机的槽体,建立槽体的振动学方程,利用ANSYS的模态分析方法,对槽体进行模态分析,结果表明：通过法兰折弯、焊接固定角钢、侧边滚筋的方式可提高槽体刚度,为槽体的结构设计和进一步的优化设计提供理论依据.
关键词：水平螺旋输送机；槽体；刚度；模态分析
中图分类号：TH224；TB53；O342 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2017.08.072
随着国民经济的快速发展,生产中需要被运输的原材料逐渐增多,传输机械向高速度、高效率、高刚度、大跨度的方向发展.水平螺旋输送机作为一种连续输送物料的传输机械,被广泛应用于粮食、化工、机械制造、建筑、交通运输等行业.其中,在长距离的输送中,对水平螺旋输送机的整体刚度要求越来越高,而槽体作为水平螺旋输送机的主要构件之一,承担着输送物料和安装固定的作用,所以对槽体刚度的要求也需提高[1].影响槽体刚度的是其固有频率,因此分析槽体的固有频率,避免产生共振区域变得日益重要.而有限元建模和模态分析的准确性是槽体动力学分析的基础.
模态分析用于振动测量和结构动力学分析,获得系统的固有频率、振型等模态信息,对指导工程设计大有益处,该技术广泛应用于农业机械装备的研制与优化.通过优化关键部件的模态属性,或调整系统的激励频率,可避免机具发生共振,保证系统稳定作业.而对于水平螺旋输送机,研究成果主要集中在产品结构选型、参数优化、故障诊断等方面,对结构性能的优化研究较少.笔者从结构方面,借助计算机辅助工具,运用ANSYS有限元软件对水平螺旋输送机的主要构件槽体进行模态分析,确定其固有频率,并提出改进方向,为水平螺旋输送机的进一步结构优化提供一定的参考依据.
1 水平螺旋输送机槽体结构
螺旋输送机是一种常用的不具有挠性牵引构件的连续输送机械,它利用工作构件即螺旋的旋转运动,使物料向前运送,在现代化粮食输送中发挥着重要作用.螺旋输送机可沿水平、垂直或倾斜方向输送物料,主要分为水平螺旋输送机、垂直螺旋输送机和倾斜螺旋输送机.前两种机型是最常用的[2].
水平螺旋输送机的外壳槽体作为水平螺旋输送机的主要构件,承担着支撑螺旋体输送物料和安装固定的作用.为适应现代工业向大容量、大体积方向发展的要求,其薄壁特征愈加突出.有限元建模及模态分析的准确性是薄壁型槽体进一步动力学分析的基础.笔者以水平螺旋输送机为例,运用ANSYS的模态分析方法,比较几种槽体结构的优劣,选出一种较合理的结构型式,在保证满足性能要求的情况下,实现易加工、低成本的目标.计算机技术的迅猛发展为三维建模提供了有利条件,笔者用Solidworks2015软件对4种槽体结构进行三维建模,4种槽体结构取相同坐标系、相同钣金参数、相同结构成型尺寸、相同材料属性,仅结构型式生产工艺不同,见图1.
其中,图1-a中的结构一只是一个简单的U型槽,作为对比项；图1-b中的结构二采用边线法兰的型式作为加强筋,但底板两端没有边线法兰加强,法兰成形宽度30 mm；图1-c中的结构三将U型槽六边均作法兰加强,法兰成形宽度30 mm；图1-d中的结构四根据实际生产情况,将L型角钢焊接在U型槽体上,角钢尺寸为30 mm × 30 mm.以上4种结构板材厚度均为3 mm.
2 槽体有限元模态分析
2.1 模态分析理论
模态分析的首要任务是计算出系统各阶的模态参数,例如系统的固有频率和振型、模态质量或模态刚度以及模态阻尼等[3].
根据粮食机械设计手册计算得到槽体的主要几何参数[4],见表1.
在槽体的振动计算中,槽体的固有频率和模态振型是其固有特性,只与结构的刚度和质量的分布有关[5].分析槽体固有频率和模态振型之间的关系有助于对连杆的结构进行改进,为此,建立水平螺旋输送机槽体的振动微分方程
2.2 有限元实体模型的建立及网格划分
采用Solidworks2015软件对水平螺旋输送机的槽体进行三维实体建模,分别将4组实体模型成功导入ANSYS-Workbench有限元分析软件中,鉴于该槽体所使用的板材为常规Q235,系统材料属性设置为：弹性模量E 等于 2.06×1011 GPa,泊松比μ 等于 0.3,密度ρ 等于 7 800 kg/m3,为保证计算精度、节省计算时间,采用软件默认的网格划分方法,进行高质量网格划分,保证网格平滑过渡[7],划分产生的实体单元数和涉及的网格节点数见表2.
2.3 模态计算与分析
槽体网格划分完毕后,应用ANSYS-Workbench软件对槽体进行模态分析,因为长距离输送的水平螺旋输送机槽体一般采用多个槽体连接的形式,中间每段槽体与相邻两槽体采用螺栓方式连接,按照自由模态的条件进行分析,不加约束面.求解了系统前12阶固有频率,因为每个零件有6个自由度,前六阶数值会为0或者非常接近于0,此时零件做刚体位移,为刚体模态,不作为研究对象.取后六阶模态作为研究对象.后六阶固有频率及模态振型见第74页表3、表4.某一阶模态振型云图对应的是该阶的振幅和频率云图.
3 结果对比分析
对水平螺旋输送机4种不同结构的槽体进行模态分析,得到以下结论.
1）不同结构的槽体均存在模态参数为0或者量级非常小接近于0时,为刚体模态,此时零件进行刚体运动,是描述模态信息的一部分,但不是产生振动和噪声的根源,不作为研究内容.
2）结构三的刚度略低于结构四,加工方便、不用焊接,但考虑板材尺寸,其生产尺寸具有局限性,只适用于小型螺旋输送机,不适用于大容量、大功率的水平螺旋输送机；而结构四采用焊接工艺对槽体进行加强筋的设计,既能提高槽体的整体刚度,满足输送要求,又为安装、组装留下了空间.
3）结构四节点变形量最小、刚度最好,在四阶到六阶时,槽体侧壁发生扭转、凹陷,可以采用滚筋工艺,以提高槽体侧壁的刚度,这为槽体的进一步优化提供了参考依据.
4 结束语
通过对4种相同尺寸的槽体结构进行模态分析,得出第四种结构槽体变形量最小、刚度最好、生产加工方便、可靠性较其他3种高,综合优势明显.通过对比不同结构的槽体模态分析结果,获得了可能引起槽体共振的零件本身的固有频率范围,通过分析振幅和频率云图获得了零件上发生最大变形的位置,为优化设计提供参考,为进一步改进提出建议.
在设计初级阶段,就能选出比较优化的结构,避免实际生产时产生不必要的错误,提前发现问题,及时消除隐患,避免材料浪费,降低了成本,缩短了设计生产周期,节省了人力物力,在动态设计中,此过程是非常重要的设计手段.
螺旋输送机论文参考资料：
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