臥式砂型鑄造機(jī)底座的動(dòng)態(tài)特性分析

□ 張大鑫 □ 李 莉

同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院 上海 201804

1 分析背景

臥式砂型鑄造機(jī)在工作時(shí)由于液壓壓實(shí)力和振搗棒工作會(huì)產(chǎn)生振動(dòng),進(jìn)而在鑄件表面形成振紋,降低鑄件的鑄造品質(zhì)。如果臥式砂型鑄造機(jī)振幅較大,可能會(huì)中斷壓實(shí)裝置、填砂裝置等的正常運(yùn)行,造成臥式砂型鑄造機(jī)損壞。底座、填砂裝置、壓實(shí)裝置是臥式砂型鑄造機(jī)的重要部件,這些重要部件同時(shí)也是臥式砂型鑄造機(jī)的振動(dòng)源。底座、填砂裝置、壓實(shí)裝置的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性決定了臥式砂型鑄造機(jī)鑄造鑄件的質(zhì)量和品質(zhì),也影響著臥式砂型鑄造機(jī)的使用壽命。由此可見,分析臥式砂型鑄造機(jī)底座的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性,可以為臥式砂型鑄造機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化提供參考。筆者對(duì)臥式砂型鑄造機(jī)底座的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。

近年來,國內(nèi)技術(shù)人員對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析,并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。汪青崟等[1]以C61450超重型數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,使用有限元方法對(duì)車床床身的受力情況和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究,為超重型數(shù)控車床主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。陳葉林等[2]以磨床床身結(jié)構(gòu)為例,分析計(jì)算了床身的前六階固有頻率與振型,得到床身的筋板位置和尺寸對(duì)床身剛度的影響。王亮等[3]基于HyperMesh軟件對(duì)機(jī)床床身進(jìn)行網(wǎng)格劃分,建立有限元模型,進(jìn)而對(duì)床身進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化,并對(duì)床身輕量化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。李鎖斌[4]以SL-32數(shù)控車床為研究對(duì)象,分析求得主軸系統(tǒng)前三階固有頻率和振型,得到數(shù)控車床性能的分析依據(jù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。董惠敏等[5]通過研究臥式車床支承件的結(jié)構(gòu)與靜態(tài)特性,得出整體彎曲、傾覆、扭轉(zhuǎn),以及導(dǎo)軌局部彎曲是臥式車床中梁、板、箱體的主要變形。李小彭等[6]通過計(jì)算獲得精密車床工作時(shí)的齒輪嚙合振動(dòng)頻率和主軸回轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率,研究在不同床身高度條件下床身固有頻率的變化趨勢。任偉萌等[7]基于HTC3650臥式數(shù)控車床,對(duì)車床床身進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析,識(shí)別出床身的總變形量與前四階固有頻率,并采用目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化方法對(duì)車床床身尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。胡振等[8]以SCK230數(shù)控螺紋車床為研究對(duì)象,對(duì)床身內(nèi)部筋板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化方案選擇,并對(duì)優(yōu)化方案中筋板厚度和孔徑進(jìn)行尺寸優(yōu)化,同時(shí)通過改變床身傾斜角度來改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。何文斌等[9]以某款純電動(dòng)乘用汽車為研究對(duì)象,建立車架的有限元模型,利用振動(dòng)測試系統(tǒng)對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn),分析車架的動(dòng)態(tài)特性。鄧濤等[10]以立柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,提取多種筋板布局單元結(jié)構(gòu),應(yīng)用有限元分析軟件進(jìn)行分析計(jì)算,得到最優(yōu)筋板布局型式。黃紀(jì)剛等[11]對(duì)車床關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析,經(jīng)過計(jì)算求解,模擬各部件在實(shí)際工作時(shí)所受的應(yīng)力與應(yīng)變分布情況,并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2 動(dòng)態(tài)特性分析步驟

因?yàn)榕P式砂型鑄造機(jī)底座是一個(gè)彈性體,所以底座結(jié)構(gòu)不僅要具有合理的靜態(tài)性能,而且要具有良好且合理的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于動(dòng)態(tài)特性,主要分析有載荷作用時(shí)結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率、振型和振型模態(tài)相對(duì)位移量。

在臥式砂型鑄造機(jī)正常運(yùn)行的情況下,分析底座的動(dòng)態(tài)特性,可以驗(yàn)證臥式砂型鑄造機(jī)振動(dòng)的固有頻率和振幅,從而為優(yōu)化臥式砂型鑄造機(jī)結(jié)構(gòu)、避免共振提供理論依據(jù)。

基于有限元原理的臥式砂型鑄造機(jī)底座動(dòng)態(tài)特性分析步驟如圖1所示,主要包括模型處理,單元?jiǎng)澐?載荷及邊界條件加載,ANSYS軟件計(jì)算,得到計(jì)算結(jié)果,進(jìn)行精度分析。

圖1 底座動(dòng)態(tài)特性分析步驟

3 動(dòng)態(tài)特性分析過程

3.1 幾何建模

由于有限元分析軟件自帶的建模功能處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型十分困難,加之臥式砂型鑄造機(jī)底座整體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,因此先使用SolidWorks軟件建立底座的裝配體幾何模型,然后導(dǎo)入有限元分析軟件。在底座中,下側(cè)的支座支撐兩側(cè)頂端,光滑導(dǎo)桿和絲杠固定在頂端上,中間滑塊套在滑軌上,砂箱設(shè)置在滑塊上,螺桿位于頂端和墩座之間。在建立模型時(shí),盡量使模型接近于真實(shí)實(shí)體。最終建立的底座幾何模型如圖2所示。

3.2 模型簡化

底座幾何模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,而且附帶一些小特征。這些小特征對(duì)底座整體性能的影響相對(duì)較小,但是在進(jìn)行網(wǎng)格劃分和計(jì)算時(shí)會(huì)增大難度,因此忽略這些小特征,包括小孔、倒角、圓角,以及對(duì)整體結(jié)構(gòu)影響較小的特征。其它部件作為底座的主要承載部件,均未做簡化處理。

圖2 底座幾何模型

3.3 單元精度選擇

有限元分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),需要確定單元精度,即單元的疏密程度。單元精度取決于網(wǎng)格劃分的疏密程度,而且單元精度在一定關(guān)系下會(huì)決定計(jì)算規(guī)模與計(jì)算精度。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),一般遵循的準(zhǔn)則是均勻應(yīng)力區(qū)域粗劃,應(yīng)力梯度大區(qū)域細(xì)化。底座有限元模型的單元精度確定為3。

3.4 材料屬性設(shè)置

底座為鑄鐵鑄造件,通過查閱手冊(cè)確定彈性模量為1.35×108N/mm2,密度為7.3×103kg/m3,泊松比為0.25。

通過上述過程,得到底座網(wǎng)格劃分模型,如圖3所示。

圖3 底座網(wǎng)格劃分模型

3.5 邊界條件加載

模態(tài)分析分為兩種類型,分別為添加約束的約束模態(tài)分析和不添加約束的自由模態(tài)分析。應(yīng)用有限元分析軟件進(jìn)行模態(tài)分析時(shí),不能隨意添加或減少約束。臥式砂型鑄造機(jī)的實(shí)際工況是,底座通過地腳螺栓固定在地面上。因此對(duì)底座與地面直接接觸的四個(gè)接觸面進(jìn)行全固定約束。為了避免模型剛度失真,不可以重復(fù)加載邊界約束條件。

最終建立的底座有限元模型如圖4所示。

圖4 底座有限元模型

3.6 分析結(jié)果

底座前六階動(dòng)態(tài)特性分析結(jié)果見表1,前六階模態(tài)如圖5所示。

從總體上看,底座一階、二階、三階、四階模態(tài)振型為整體振型。一階模態(tài)振型為底座頂端繞X軸前后擺動(dòng),且大部分振動(dòng)變形集中于底座頂端。臥式砂型鑄造機(jī)工作時(shí)的主要受力點(diǎn)位于砂箱和絲杠部位,集中于結(jié)構(gòu)低頻區(qū),一階模態(tài)振型容易被激勵(lì),造成底座振動(dòng)。但由于振幅比較小,因此對(duì)加工精度影響較小。當(dāng)然,底座頂端繞X軸前后擺動(dòng),容易造成臥式砂型鑄造機(jī)質(zhì)心偏移,導(dǎo)致臥式砂型鑄造機(jī)的壓實(shí)裝置和填砂裝置不能正常運(yùn)行,甚至有可能損壞臥式砂型鑄造機(jī)。由分析可知,要提高底座的固有振動(dòng)頻率,避免產(chǎn)生共振。

表1 底座前六階動(dòng)態(tài)特性分析結(jié)果

二階模態(tài)振型為底座頂端和絲杠繞X軸前后扭轉(zhuǎn),振動(dòng)變形主要集中于絲杠部位。絲杠的作用是保證較高精度的直線運(yùn)動(dòng),為了保證臥式砂型鑄造機(jī)正常運(yùn)行,需要使用高強(qiáng)韌度、高表面硬度和強(qiáng)耐磨性的絲杠。三階模態(tài)振型為底座繞Y軸左右擺動(dòng),動(dòng)剛度分布比較均勻,振動(dòng)變形主要集中于絲杠部位。應(yīng)對(duì)措施同上述二階模態(tài)振型。四階模態(tài)振型為底座繞Z軸前后扭轉(zhuǎn),振動(dòng)變形主要集中于頂端和墩座之間的螺桿。

五階模態(tài)振型和六階模態(tài)振型均為底座繞Y軸上下擺動(dòng),屬于局部振型。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于二階和三階模態(tài)振型分析,為保證臥式砂型鑄造機(jī)正常運(yùn)行,需要使用高強(qiáng)韌度、高表面硬度和強(qiáng)耐磨性的絲杠。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面,為了提高臥式砂型鑄造機(jī)底座的固有振動(dòng)頻率,需要縮短絲杠長度,進(jìn)而提高剛度。對(duì)于水平滑軌,可以采用雙導(dǎo)軌四滑塊的布置形式,導(dǎo)軌安裝在絲杠兩側(cè),四塊滑塊通過螺栓固定在絲杠上。雙導(dǎo)軌四滑塊布置形式如圖6所示。

基于四階模態(tài)振型分析,為保證臥式砂型鑄造機(jī)正常運(yùn)行,需要使用耐磨損的螺桿。在底座頂端和墩座的間隙處可以添加橫向筋板,提高底座的剛度,從而提高底座的固有振動(dòng)頻率。在墩座上開大小相等的孔時(shí),相對(duì)于其它孔形,圓形孔可以提高筋格元結(jié)構(gòu)的低階固有振動(dòng)頻率,因此將原方形孔改為圓形孔。

圖5 底座前六階模態(tài)

圖6 雙導(dǎo)軌四滑塊布置形式

5 結(jié)束語

筆者對(duì)臥式砂型鑄造機(jī)底座進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析。一階模態(tài)振型為底座頂端繞X軸前后擺動(dòng),二階模態(tài)振型為底座頂端和絲杠繞X軸前后扭轉(zhuǎn),三階模態(tài)振型為底座繞Y軸左右擺動(dòng),四階模態(tài)振型為底座繞Z軸前后扭轉(zhuǎn),五階和六階模態(tài)振型為底座繞Y軸上下擺動(dòng)。一階、二階、三階、四階模態(tài)振型屬于整體振型,五階、六階模態(tài)振型屬于局部振型。

針對(duì)動(dòng)態(tài)特性分析結(jié)果,需要使用高強(qiáng)韌度、高表面硬度、強(qiáng)耐磨性的絲杠和耐磨損的螺桿。對(duì)于水平滑軌,可以采用雙導(dǎo)軌四滑塊布置形式。絲杠的長度不能過長。在底座頂端和墩座的間隙處可以添加橫向板筋,提高底座的剛度。在墩座上開大小相同的孔時(shí),建議將原有的方形孔改為圓形孔。