阻尼缓冲稳心式纺丝电锭离心机的模态振动分析.pdf

doi:10. 16576/ j. cnki. 1007-4414. 2017. 05. 002 阻尼缓冲稳心式纺丝电锭离心机的模态振动分析 赵豪杰,段 朋,李玉龙 (郑州科技学院 机械工程学院, 河南 郑州 450064) 摘 要:为了分析整个电锭离心机的振动特性,获得振动固有频率和相应的振型,应用刚柔耦合方式对电锭离心机进 行振动分析。 通过 Inventor 软件建立电锭离心机的三维实体模型,利用有限元分析软件 ANSYS 中的 Solid186 和 3Dmass21 分别对电锭离心机中的柔体零件和刚性区域的关键点进行网格划分,生成柔性体的模态中性文件。 利用 Adams 的约束库对其进行约束连接,并将在 ANSYS 中生成的模态中性文件导入 Adams 中相应的零件,建立起刚柔耦 合的振动分析模型。 通过分析电锭离心机的模态固有频率和相应振型,获得其振型的影响因素,为电锭离心机的改 进设计和动态分析提供理论依据。 关键词:电锭离心机;刚柔耦合;有限元;振动分析;阻尼减震;固有频率 中图分类号:TH113. 1 文献标志码:A 文章编号:1007-4414(2017)05-0005-04 Modal Vibration Analysis on the Damping Buffer Metacentric Type Spinning Electric Ingot Centrifuge ZHAO Hao-jie, DUAN Peng, LI Yu-long (School of Mechanical Engineering, Zhengzhou University of Science and Technology, Zhengzhou Henan 450064, China) Abstract: In order to analyze the vibration characteristics of the electrical ingot centrifuge and obtain the natural frequencies and vibration modes, the vibration analysis on electrical ingot centrifuge system was carried out by means of the rigid-flexible coupling. The 3D entity model of the electrical ingot centrifuge was built by using the three-dimensional graphics Inventor software, and the Solid186 and 3Dmass21 elements in the finite element analysis software ANSYS were used to get the soft body parts and the rigid region of the electric ingot centrifuge gridding partition, and the modal neutral file of the flexible body is got. Then it was constrained connectivity library binding by dynamics analysis software Adams, and the modal neutral file generated in the ANSYS was imported into the corresponding parts in Adams so as to establish a rigid-flexible coupling vibra- tion analysis model. The natural frequencies and corresponding vibration modes of the ingot centrifuge were analyzed to obtain the influence factors of models, thus to provide the theoretical basis for design and dynamic analysis of the ingot centrifuge. Key words: electric ingot centrifuge; rigid flexible coupling; finite element; vibration analysis; damping vibration attenua- tion; natural frequency 0 引 言 纺丝电锭离心机的运行环境空气湿度大,存在酸 性腐蚀,并且运转过程中会产生振动,严重影响离心 机的工作性能和使用寿命1。 随着生产的发展,纺 丝电锭离心机正向着高速、稳定、节能、智能控制的方 向发展。 然而振动对离心机动态特性、使用性能和可 靠性等都有很大的影响。 目前国内的研究学者通过 运用多体动力学和刚柔耦合理论,对高速旋转的电锭 系统进行全面分析,以提升电锭离心系统的使用寿命 和工作效率2。 对某纺丝企业提供的纺丝电锭离心机进行拆分 测绘,应用 Inventor 三维软件建立三维实体模型,并 利用有限元软件 ANSYS 和系统动力学软件 Adams 对离心机进行振动分析,得到系统的固有频率和响应 的振型,为离心机的优化设计提供了一定的理论依 据。 1 离心机系统的模态理论分析 模态分析是机械系统和结构动力学中一种极为 重要的分析方法,核心内容是确定设计结构振动特 性,得到结构固有频率和振型等模态参数,分析振动 对机械系统的影响3。 电锭离心系统的固有频率和模态振型是其固有 特性,只与结构的质量和刚度的分布有关。 所以将整 个离心机模型近似为一个线性系统,各部分之间是线 性的约束,得到系统自由振动的运动微分方程4: MX (t) + CX(t) + KX(t) = F(t) (1) 式中:M、C、K分别表示系统的质量矩阵、阻 尼矩阵和刚度矩阵; X (t)、X(t)、X(t) 表示 系统加速度分量、速度分量和位移分量;F(t) 表示 5 机械研究与应用2017 年第 5 期 (第 30 卷,总第 151 期) 研究与分析 收稿日期:2017-08-14 基金项目:河南省科技攻关项目:基于 APDL 语言的工程机械产品结构件可靠性分析平台的技术研究和开发(编号:172102210533)。 作者简介:赵豪杰(1985-),男,河南洛阳人,硕士,助教,研究方向:机械设计制造及自动化。 万方数据 动激励载荷分量。 再对电锭离心机进行模态分析的时候,忽略外力 的作用,即F(t)=0。 因系统各零件之间都是刚性约 束,系统的结构阻尼很小,也可以忽略不计。 据此系统 的固有频率和振型问题转化为求解系统矩阵的特征值 和特征向量问题。 所以,上述振动方程可简化为: MX (t) + KX(t) = 0 (2) 根据离心机的实际工作状态,系统近似作如下的 简谐振动: X(t) = X0sin(wt)(3) 将式(3)带入式(2)中可得: (K - w2M)X0 = 0(4) 自由振动系统中柔性体的各节点的振幅X0不 全为零,所以: | K - w2M | = 0(5) 此即为振动的特征值方程,系统的刚度矩阵k和 质量矩阵M均为 n 阶方阵,其中 n 为系统中节点自 由度的数目。 特征值的平方根 i即为结构自由振动 的固有频率。 特征向量Xi即为与对应 i的振型向 量,因此模态分析的就转化为求解特征值的问题5-6。 2 阻尼缓冲稳心式纺丝电锭离心机振动模型 的建立 2. 1 实体模型的建立 图 1 为实体模型工程图示。 图 1 离心机的二维模型 1. 离心罐 2. 锥形芯轴 3、4. 密封组件 5. 浮动套 6. 电机定 子 7. 电机转子 8. 橡胶-空气阻尼缓冲件 9. 底座 10. 壳体 11. 橡胶圈 12. 上支撑深沟槽球轴承 13. 下调心轴承 阻尼缓冲稳心式电锭离心机主要是由主要是由 离心罐、电锭机壳、锥形轴、调心轴承、深沟球轴承、定 子线圈、转子、橡胶缓冲圈、端盖、动密封圈、压盖、压 圈、减震垫、浮动套、螺钉等组成7。 运用 Inventor 三维建模软件对其进行实体建模, 通过约束建立起离心机的装配体模型,所建的模型如 图 2 所示。 图 2 离心机的三维模型 2. 2 柔性体有限元模型的建立 离心机的底座橡胶缓冲圈和内部的减震垫是柔 性体,通过 ANSYS 软件进行建模,并选用 Solid186 和 3Dmass21 单元进行模拟分析。 橡胶缓冲圈和减震垫 的材料为普通橡胶,其弹性模型为 7. 84E6(Pa),泊 松比为 0. 47,密度为 1. 2 E3 (kg/ m3)。 在定义好单 元属性和材料属性后,对其进行网格划分,所建的网 格模型如图 3 所示. 计算并导出橡胶缓冲圈和减震垫 的模态中性文件。 图 3 底座橡胶缓冲圈和减震垫网格模型 2. 3 振动模型的建立 根据在 Inventor 中建立的三维离心机实体模型, 导出为 Parasolid 文本文件(. x_t),然后再导入到 Adams 中,这样就在 Adams 中建立起了离心机的刚 体模型。 图 4 刚柔耦合的振动模型 然后用 Adams 自带的约束库把离心机的各个零 6 研究与分析 2017 年第 5 期 (第 30 卷,总第 151 期)机械研究与应用 万方数据 件之间建立起正确的约束条件,再把 ANSYS 生成的 模态中性文件导入 Adams 对应的零件中,就完成了 柔性体替换刚体的过程,最终在 Adams 中形成了刚 柔耦合的振动模型,所建的振动模型如图 4 所示。 3 离心机系统的模态振动分析 3. 1 橡胶缓冲圈和减震垫的动态特性 针对建立好的电锭离心机的振动模型,在 Adams 中 给电机转子施加速度驱动,速度大小与离心机正常工作 的转速相一致。 然后进行动力学仿真,得到橡胶缓冲圈 和减震垫在系统中的动态特性。 如图5,6 所示。 通过图 5 和图 6 可以看出减震垫的质心位移有 一定的振荡变化。 在位移不断变化的过程中要持续 地与系统的能量发生交换,这样就使减震圈的动能、 应力能不断地发生变化,但这些能量的变化相对于自 由系统都是微小的。 同样,底座的橡胶支撑同样也要 发生变化,如图 7 所示。 图 5 减震垫质心的位移、速度、加速度、角速度、角加速度曲线 图 6 减震垫的动能、平动能、转动能、应力能曲线 图 7 橡胶缓冲圈质心的位移、速度、加速度、角速度、角加速度曲线 3. 2 系统的固有频率 通过动力学分析软件 Adams/ vibration 对整个系 统的振动分析,得到离心机系统的各阶的固有频率和 每阶频率对应的振型特征,为离心机的结构改进提供 一定的理论依据。 对整机的振动分析结果经过 Ad- ams-PostProcessor 处理后,可以得到一定范围的模态 信息和相应的振型动画。 为了分析频率的变化以及 振型的规律,共提取了系统的 20 阶模态,其固有频率 值如表 2 所示。 通过对 Adams-PostProcessor 中振型分析,得出 以下振动特性: 第 1 阶系统振型属于刚性振动,固有频率非常 7 机械研究与应用2017 年第 5 期 (第 30 卷,总第 151 期) 研究与分析 万方数据 小,主要是离心机各零件之间存在相对转动约束(即 转子和轴承之间的相对转动),因此会出现微小的刚 性模态。 第 2 6 阶系统振型主要表现的是底座橡胶缓冲 圈的振动,各阶频率的大小主要表现振动强度的不 同。 从数据可以看出随着频率的增大,阻尼也在增 大,即振动越强,阻尼的作用越明显。 说明