鋼軌焊縫磨床床身動(dòng)態(tài)特性分析及優(yōu)化

孔 杰

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鋼軌焊縫磨床床身動(dòng)態(tài)特性分析及優(yōu)化

孔 杰*

(貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系, 貴州 凱里, 556000)

使用三維造型軟件建立鋼軌焊縫磨床的床身. 使用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)床身做了模態(tài)分析, 獲得了床身的固有頻率和振型. 討論了不同的筋板結(jié)構(gòu)布局以及不同部位的筋板厚度對(duì)床身動(dòng)態(tài)特性的影響. 最終通過(guò)增加床身的高度, 提高了床身的固有頻率.

磨床; 床身; 筋板; 模態(tài)分析

在整個(gè)鋼軌焊縫磨床的各個(gè)組成部分中, 床身所發(fā)揮的作用是非常重要的, 它起著支撐拖板、磨頭系統(tǒng)、夾持定位裝置等部件的作用. 床身采用一次性整體澆鑄, 具有較好的剛性和抗變形能力. 為了便于設(shè)備移動(dòng), 配有3組滾輪(中間一組滾輪帶有偏心套, 偏心量為5 mm, 用于調(diào)整與另外2組滾輪的水平), 通過(guò)歐邁特減速機(jī)經(jīng)過(guò)錐齒輪傳動(dòng), 驅(qū)動(dòng)床身縱向移動(dòng), 實(shí)現(xiàn)焊縫與設(shè)備的初步對(duì)位[1].

鋼軌焊縫磨床的床身不是安裝在地面, 而是行走在軌道上的, 約束的減少容易造成床身受力不平衡, 在外部激勵(lì)下容易產(chǎn)生比較大的振動(dòng). 近幾年, 機(jī)床設(shè)計(jì)者逐漸關(guān)注床身對(duì)機(jī)床整機(jī)動(dòng)態(tài)性能的影響, 不少研究者對(duì)床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn). 對(duì)于鋼軌焊縫磨床床身, 將建立8種不同筋板結(jié)構(gòu)的模型, 分析各自動(dòng)態(tài)特性, 通過(guò)比較找出最優(yōu)的方案. 并對(duì)最優(yōu)方案進(jìn)行筋板厚度對(duì)床身動(dòng)態(tài)特性影響的靈敏度分析, 找出進(jìn)一步優(yōu)化的方案.

1 原床身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析

床身的縱向長(zhǎng)度為5 200 mm, 寬度為1 500 mm, 高度為520 mm. 床身筋板結(jié)構(gòu)采用井字型, 由2橫7縱組成. 為了減輕筋板的重量和鑄造的要求, 在筋板上開(kāi)了方形和圓形的出沙孔. 床身立筋板和壁厚均為30 mm, 底面平筋板為25 mm, 采用四面體(C3D4)單元對(duì)床身進(jìn)行自動(dòng)劃分網(wǎng)格. 為了保證網(wǎng)格的質(zhì)量, 首先要對(duì)床身進(jìn)行簡(jiǎn)化處理, 刪除床身上的細(xì)小結(jié)構(gòu). 其中包括一些細(xì)小的螺栓孔、凸臺(tái)、倒角等. 并對(duì)床身上復(fù)雜小曲面進(jìn)行虛擬拓?fù)涮幚?見(jiàn)圖1).

圖1 原床身結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型

在建立床身有限元模型的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析, 床身的材料為灰鑄鐵HT250, 材料密度7.2 × 10-9T/mm3. 材料彈性模量設(shè)置為1.2 × 105MPa, 泊松比設(shè)置為0.25. 因?yàn)榇采砜梢栽谲壍郎闲凶? 所以采用自由模態(tài)分析, 前6階的固有頻率都為0 Hz, 最低固有頻率從第7階開(kāi)始, 將7階固有頻率作為第1階固有頻率, 以后各頻率以此類(lèi)推(見(jiàn)表1).

表1 原床身前4階固有頻率

第1階到第4階固有頻率對(duì)應(yīng)的振型見(jiàn)圖2.

圖2 原床身第1 階到第4 階振型圖

從模態(tài)分析結(jié)果可以得出, 原床身的最低固有頻率偏低. 在圖2中, 床身的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形都比較明顯, 主要是軸方向的彎曲變形和繞軸的扭轉(zhuǎn)變形.

2 床身筋板類(lèi)型對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響

對(duì)原床身的振型分析后發(fā)現(xiàn), 床身的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形都很明顯. 通過(guò)改變床身的筋板結(jié)構(gòu), 采用不同的布局形式來(lái)優(yōu)化床身的動(dòng)態(tài)性能. 原床身的筋板采用2橫7縱井字型結(jié)構(gòu), 底面有平筋板(圖3).

圖3 原床身筋板布置圖

新床身外形尺寸與原床身相比沒(méi)有變化, 改進(jìn)后的床身筋板分別采用井字型、W型和米字型結(jié)構(gòu), 筋板厚度30 mm, 壁厚30 mm. 井1型在橫向減少一道筋板和縱向減少2道筋板. 井2型縱向減少兩道筋板, 橫向筋板數(shù)量不變. 井3型是橫向筋板數(shù)不變, 縱向增加兩道[2]. W型和米字型改變了筋板的結(jié)構(gòu), 其中W1型和米1型相對(duì)于原床身筋板數(shù)減少了, W2型、W3型和米2型筋板類(lèi)型的筋板數(shù)都有所增加(圖4).

圖4 8種新型筋板布置的床身

通過(guò)模態(tài)分析后, 得到了8種筋板類(lèi)型床身的前3階固有頻率. 將原床身和新設(shè)計(jì)床身的前3階固有頻率做了對(duì)比(見(jiàn)表2).

表2 各類(lèi)型筋板的床身前3階固有頻率

從表2可以看出新設(shè)計(jì)的8種方案床身中, 前3階固有頻率相比原床身都有所改變. 在井字型3種方案中井2型、井3型固有頻率有所升高, 而井1型固有頻率有所減低. W型3種方案都是第1階固有頻率降低, 而第2階、第3階固有頻率升高了. 在米字型2種方案中, 米1型的第1階固有頻率是降低的, 而第2階、第3階提高了. 米2型的前3階固有頻率都提高了. 在8種方案中, 米2型的第1階固有頻率增高的最多[3]. 原床身第2階振型為繞X軸扭轉(zhuǎn)變形, W型和米字型筋板結(jié)構(gòu)的床身第2階固有頻率都有所提高, 說(shuō)明這2種筋板結(jié)構(gòu)可以減小床身繞軸的扭轉(zhuǎn)變形.

3 床身筋板厚度對(duì)床身固有頻率影響的靈敏度分析

以床身筋板的厚度作為變量, 研究不同部位的筋板厚度對(duì)床身動(dòng)態(tài)性能的影響程度. 筋板厚度變化范圍為從18 mm到42 mm. 床身不同部位的筋板示意圖如圖5所示. 在這里設(shè)定米2型床身中T1表示床身壁, T2 表示縱向筋板, T3表示斜向筋板, T4 表示橫筋板, T5 表示水平筋板.

圖5 米2 型床身筋板示意圖

通過(guò)分析, 得到了T1到T5在不同厚度時(shí)對(duì)應(yīng)的床身前3階固有頻率, 各數(shù)據(jù)標(biāo)注于圖6中. 從圖6可以看出, 各筋板厚度變化的過(guò)程中, 代表床身前3階固有頻率的折線的走勢(shì)變化很小, 所以針對(duì)此床身結(jié)構(gòu), 修改筋板的厚度對(duì)床身固有頻率影響很小. 將不同筋板的厚度變化對(duì)床身第1階固有頻率的影響放在圖7中做對(duì)比. 從圖7可以看出, T5的厚度對(duì)床身第1階固有頻率影響的靈敏度相對(duì)要大一些, 但是第1階固有頻率的增長(zhǎng)量還是不夠理想.

表3 米1型床身不同高度的前3階固有頻率

圖7 T1-T5 厚度對(duì)床身第1 階固有頻率影響的靈敏度對(duì)比圖

所以通過(guò)分析, 綜合床身主要在方向彎曲變形和繞軸扭轉(zhuǎn)變形的振型圖看, 認(rèn)為床身的長(zhǎng)度與寬度高度之比偏大可能是造成床身固有頻率偏低的主要原因[4]. 在長(zhǎng)和寬方面, 由于結(jié)構(gòu)的原因不容易做出修改設(shè)計(jì), 只能在高度方向有所改進(jìn). 所以在高方向增加床身的高度, 增加高度范圍為50～250 mm. 考慮到如果選用米2型筋板的床身來(lái)增加高度, 必然會(huì)大幅增加床身的質(zhì)量, 不能達(dá)到提高固有頻率、減少床身重量的目的. 通過(guò)對(duì)表2中所有筋板類(lèi)型的固有頻率分析, 發(fā)現(xiàn)米1型筋板結(jié)構(gòu)對(duì)床身的固有頻率提高是有貢獻(xiàn)的, 然而其重量比起米2型筋板結(jié)構(gòu)的床身要輕很多,所以選擇米1型筋板結(jié)構(gòu)的床身加以高度方向的修改, 分析結(jié)果如表3所示. 米1型筋板床身高度對(duì)床身第1階固有頻率影響的靈敏度分析如圖8所示.

圖8 米1 型筋板床身高度對(duì)床身第1 階固有頻率影響的靈敏度分析

從表3和圖8可以看出床身的高度對(duì)床身第1階固有頻率的影響很大. 原床身的高度是520 mm, 可以從表中看出當(dāng)高度增加250 mm達(dá)到770 mm的時(shí)候床身固有頻率可以達(dá)到132.62 Hz, 比起原床身的固有頻率提高了39.4%. 將原來(lái)的井字型修改為米1型后獲得的最低固有頻率94.47 Hz, 修改為2型后獲得的最低固有頻率103.58 Hz, 修改米2型的T5筋板厚度后獲得的最低固有頻率為106.99 Hz, 而通過(guò)將米1型高度增加到250 mm獲得最低固有頻率為132.62 Hz. 通過(guò)有限元軟件計(jì)算質(zhì)量, 得到米2在修改T5筋板厚度獲得最低固有頻率為106.99 Hz的時(shí)候, 床身質(zhì)量為7.51 t. 米1型床身加高250 mm后質(zhì)量為7.21 t, 重量更小, 而動(dòng)態(tài)性能更好[5]. 因此驗(yàn)證了此磨床的床身由于床身長(zhǎng)度與寬度高度之比偏大, 造成了床身的固有頻率偏低. 當(dāng)將床身高度增加250 mm, 筋板類(lèi)型改為米字型可以有效提高床身的固有頻率. 高度為770 mm、筋板為米1型的床身3維模型圖如圖9所示.

圖9 高度為770mm、筋板為米1 型的床身3 維模型圖

4 總結(jié)

從分析結(jié)果可以看出, 原床身固有頻率偏低, 各階振型中彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形都很明顯. 對(duì)原床身的筋板結(jié)構(gòu)做了調(diào)整, 設(shè)計(jì)了8種新型筋板結(jié)構(gòu), 并對(duì)修改后的床身做了動(dòng)態(tài)特性分析, 得到動(dòng)態(tài)特性提高的米字2型筋板結(jié)構(gòu)的床身. 針對(duì)米2型筋板的床身做了筋板厚度對(duì)床身固有頻率影響的靈敏度分析. 通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)無(wú)論是改變筋板布局還是修改筋板的厚度對(duì)床身固有頻率影響都很小. 最終通過(guò)增加米1型筋板結(jié)構(gòu)的床身高度, 使床身的固有頻率提高了39.4%. 原床身長(zhǎng)度與寬度高度之比偏大造成了固有頻率偏低.

[1] 艾興. 高速切削加工技術(shù)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2003: 34—56.

[2] 湯文成, 易紅. 板厚對(duì)機(jī)床床身動(dòng)態(tài)特性的影響[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 1997 (3): 23—26.

[3] 周德康, 陳新, 孫慶鴻. 高精度內(nèi)圓磨床整機(jī)動(dòng)力學(xué)建模及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2001, 12(5): 35—38.

[4] 崔中, 文桂林, 陳桂平. 高速磨床整機(jī)動(dòng)態(tài)特性研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2010, 21(7): 782—787.

[5] 劉曉平, 徐燕申. 機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合部阻尼參數(shù)識(shí)別的研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 1995, 14(3): 61—86.

The dynamic characteristics analysis and optimization of rail weld grinding machine lathe ded

KONG Jie

(Mechanical and Electrical Engineering Department, Guizhou Vocational Technology College of Electronics and Iinformation, Kaili 550000, China)

The body of the rail weld grinding machine is built by using the three dimension (3D) software. With the help of ABAQUS, the implementation of the modal analysis of the body is completed, from which the inherent frequency and the vibration model are acquired. The influence of alternative layout of the stiffened plate structure as well as the thickness of the steel plate of different positions on the dynamic characteristics of the body are discussed. Simulation results show that the inherent frequency of the body can be improved by the adding of the body height.

grinder; lathe bed; ribplate; modal frequency analysis

TH 122

1672-6146(2014)01-0045-05

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.01.010

通訊作者email: lihan198712@126.com.

2013-11-26

(責(zé)任編校:劉剛毅)