輸送機驅動裝置機架的動力學分析與改進

安曉衛(wèi)，劉 秦

(沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159)

輸送機驅動裝置機架的動力學分析與改進

安曉衛(wèi)，劉 秦

(沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159)

采用參數化建模方法建立帶式輸送機驅動裝置機架的有限元模型，對機架進行固有特性計算及強迫振動分析，計算出機架在工作時的振幅，通過對振幅曲線的分析，確定液力耦合器與機架的連接處為振動過大的位置，據此對機架結構進行改進設計。

機架；有限元；動力學仿真；結構改進

在帶式輸送機驅動裝置的設計過程中，機架的設計仍采用靜態(tài)計算和經驗選用相結合的方式，在前期設計階段由于缺乏試驗模型，因此不能取得足夠的實際經驗以避免設計中潛在的缺陷，有關缺陷往往只在帶式輸送機投入使用一段時間后才能暴露出來。機架的一些問題直接影響驅動裝置的穩(wěn)定運行，甚至是安全問題，所以產品往往不得不返回到構造設計階段以進行必要的修改，這樣的設計過程效率低，費用高。文獻[1]對某上機架進行了結構分析，確定了上機架的最大應力、變形值及位置,對其結構尺寸參數進行分析，在保證振動和力學性能的條件下，通過合理的尺寸優(yōu)化降低了機架的重量。文獻[2]對電機機架進行了模態(tài)分析和諧響應分析，直觀顯示了機架在電機運行時的工作狀態(tài)，通過對機架結構尺寸的優(yōu)化來減少材料成本。

某大型帶式輸送機在啟動過程中，其振動幅度大于安全工作范圍的一倍，本文用有限元方法對該機架進行動力學分析，確定機架振動過大的位置；在此基礎之上，對機架結構進行改進設計。

1 驅動裝置機架的有限元模型

驅動裝置機架結構長4335mm，寬1030mm，高600mm；結構主要由側板、上下橫板、吊耳、角鋼和擋板組成；材料為Q235。根據經驗，機械結構阻尼通常很小，故取模態(tài)阻尼。

整個機架的側板和上下橫板是主要承重件，由于這些部件的結構特點采用板單元進行模擬(如圖1所示)，應用有限元的變厚度板進行處理。減速器、電機、液力耦合器、制動器與機架為螺栓連接；機架的角鋼、鉚釘、吊耳和工藝小孔等對整個機架結構的強度和剛度影響很小，因此在建模時將這些忽略不計。由于電機、減速器等設備的剛度比機架大得多，故用集中質量單元模擬電機、液力耦合器、制動器和減速器。將質量單元作為主節(jié)點，機架螺栓處的節(jié)點為從屬節(jié)點，將主節(jié)點與從屬節(jié)點之間建立剛性連接(如圖2所示)，通過剛性耦合的方法將電機和耦合器產生的激勵傳遞到機上[3]。由于實際機架和地面用普通螺栓連接，所以機架底面完全固定。

圖1 驅動裝置機架的有限元模型

圖2 耦合器支座處的剛性連接

2 機架的固有特性分析

分別計算出機架結構的前10階固有頻率和振型，第1階至第10階固有頻率和振動形態(tài)如表1所示。機架第一階固有頻率為59.9Hz，而電機激勵頻率為26Hz，頻率相差2.3倍，因而機架工作穩(wěn)定，不會發(fā)生共振。1～5階的振型如圖3～6所示。

表1 機架固有頻率 Hz

圖3 第1階振型

圖4 第2階振型

圖5 第3階振型

圖6 第4階振型

3 機架強迫振動分析

3.1 激振力的計算

由于電機的轉子和液力耦合器的旋轉件在加工或裝配時會產生不可避免的誤差，高速轉動時就會產生在Y和Z方向的偏心，在各個瞬時位置上，這兩個偏心會產生離心力，使其在運行時產生扭振，開機時產生的振動更大。

電機轉子的轉速n=1485r/min，旋轉角速度

(1)

在0～2秒內電機由0r/min到1485r/min；液力耦合器在2秒時開始啟動(此時電機已達到額定轉速)，8秒之后液力耦合器達到1485r/min，此時電機和液力耦合器轉速同步。調用Matlab/Simulink中的Simpower Systems各相關環(huán)節(jié)模塊，將其連接起來，可得到三相異步電動機的仿真模型[5]，如圖7所示。

圖7 電機仿真模型

圖8為電機的啟動曲線。從圖8中可以看出，在0～2秒時電機轉速和時間的曲線接近線性，所以按線性函數處理，在2秒之后曲線呈水平。電轉速與時間的函數方程為

圖8 電機啟動曲線

液力耦合器的轉速和時間的關系按照線性來施加，轉速與時間的函數方程為

機架的載荷施加情況如表2所示。

3.2 結果分析

機架與電機、耦合器的螺栓連結處的節(jié)點位移隨時間變化曲線分別如圖9和10所示。

表2 機架的載荷

圖9 電機與機架螺栓連接處的位移隨時間變化曲線

圖10 耦合器與機架螺栓連接點處的位移隨時間變化曲線

計算時考慮電機和耦合器的自重會改變結構的靜平衡位置，但不會影響機架在靜平衡位置附近作振動的規(guī)律，故圖9和圖10的位移曲線分別向下偏移了0.015mm和 0.11mm。

由圖9可見，在電機旋轉不平衡力的作用下，機架與電機的螺栓連結點在前3秒作瞬態(tài)振動，在2秒時該處有最大位移，位移為0.035mm。由于阻尼的存在，瞬態(tài)振動的持續(xù)時間很短，大約在3秒之后振動表現為穩(wěn)態(tài)振動，其位移為0.026mm。根據實際工作要求，電動機架處位移不能超過0.07mm，可見此部分機架結構的位移滿足實際要求。

由圖10可知，耦合器2秒之前尚未啟動，2秒之后才開始工作。機架與耦合器的螺栓連結點在前8秒作瞬態(tài)振動，在8秒時該點的位移有最大值，其位移值為0.22mm。根據工程設計要求，液力耦合器與機架連接處的位移不能超過實際工作要求(0.15mm)，所以耦合器在機架螺栓處位移不滿足實際要求。

圖11為2秒時機架結構振動位移云圖，此時機架的最大位移在耦合器作用處，為0.13mm。

圖11 2秒時機架結構振動位移云圖

圖12為8秒時機架結構振動位移云圖，此時有位移最大值0.22mm，也在耦合器作用處，最大位移位置與圖11所示一致，說明此處機架剛度不足，需對機架結構進行改進。

圖12 8秒時機架結構振動位移云圖

4 機架的結構改進

由于機架與液力耦合器連接的螺栓處在工作時位移不滿足實際要求，所以對其進行改進。設計中應使受力直接導入到主承載結構上，采用直接支撐肋的方法可大幅度提高板的剛度，提高板承受彎曲的能力[6]。故在機架與液力耦合器連接剛度最小處加一肋板，肋的厚度為12mm，高度為406mm，長度為1030mm，如圖13所示。

圖13 肋板位置

為檢查改進的效果，對改進后機架再次進行強迫振動分析計算。如圖14所示，8秒時液力耦合器與機架螺栓連接點處的最大位移為0.12mm，其中耦合器自重G耦合器產生的靜態(tài)位移為0.06mm。

圖14 液力耦合器與機架螺栓連接點處的位移隨時間變化曲線

圖15是改進后8秒時機架結構振動位移云圖，從圖中看出，耦合器與機架連接處位移明顯減小，對比未加肋的耦合器與機架，最大位移減小55%，滿足工程0.15mm的要求，說明改進合理。

5 結論

(1)對機架進行了固有頻率分析，其第一階固有頻率為59.9Hz，而工作頻率為26Hz，頻率相差2.3倍，說明機架振幅過大并不是共振引起的。

圖15 改進后8秒時機架結構振動位移云圖

(2)分析機架在激振力作用下的瞬態(tài)振動，得到電機支座處和液力耦合器支座處的最大位移分別為0.035mm和0.22mm；根據設計規(guī)范，機架與液力耦合器連接處的位移超過了允許范圍。

(3)為提高機架抗彎曲的能力，采用直接支撐肋的方法在機架與液力耦合器連接剛度最小處加一肋板，則液力耦合器支座處的最大位移減小為0.12mm，小于許用位移0.15mm，滿足工程設計要求。

[1]陳遠偉.大型電機上機架結構分析及優(yōu)化設計[J].機電工程技術，2007，36(9)：29-31.

[2]劉建忠.利用有限元法對電機機座的分析與優(yōu)化[J].防爆電機，2010，45(3)：20-23.

[3]趙鳳波.香蕉形直線振動篩的疲勞分析[J].沈陽理工大學學報，2010，29(5)：56-59.

[4]王文斌,林忠欽，嚴雋琪,等.機械設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，2008.

[5]黃文新.籠型異步發(fā)電機的MATLAB仿真模型[J].中小型電機，2002，29(1)：1-3.

[6]B.克萊恩.輕量化設計-計算基礎與構件優(yōu)化[M].北京:機械工業(yè)出版社，2010：11-12，29-31.

(責任編輯：趙麗琴)

Dynamic Modification of a Vibrating Screen Based on Dynamic Sensitivity Analysis

AN Xiaowei,LIU Qin

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

A parameterized modeling method is adopted to establish the finite element model of belt conveyor drive frame.First of all,natural features of the rack is calculated.Forced vibration analysis was carried out on the rack,to calculate the amplitude of the rack on the job.By analyzing the amplitude curves,determine the position of frame vibration.On this basis,the design of frame structure is improved.

frame;finite element;dynamics simulation;improved structure

2014-09-19

安曉衛(wèi)(1956—)男，教授，研究方向：機械振動和優(yōu)化.

1003-1251(2015)06-0042-05

TH113.1

A