基于Ansys Workbench 錘片式粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子模態(tài)分析*

楊美玲， 李永春， 王 慧， 蔣偉文， 汪益林， 王海祥， 劉向東,*

(1.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；2.佳木斯市潛興農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)有限公司，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

目前，秸稈綜合利用受到國家、省、市各級(jí)政府的高度重視，出臺(tái)了相應(yīng)法律法規(guī)嚴(yán)禁秸稈焚燒，并鼓勵(lì)和支持秸稈的綜合利用。隨著秸稈在發(fā)電、造紙、顆粒燃料等相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的廣泛應(yīng)用，秸稈資源商品化需求量迅猛增加，因此對(duì)秸稈粉碎加工技術(shù)要求越來越高[1]。錘片式粉碎機(jī)是秸稈綜合利用中使用最廣泛的一種粉碎機(jī)機(jī)型，它主要利用高速旋轉(zhuǎn)的錘片對(duì)秸稈產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和摩擦來達(dá)到對(duì)秸稈破碎的目的，具有結(jié)構(gòu)簡單、粉碎效果好，通用性強(qiáng)、生產(chǎn)率高等特點(diǎn)，越來越受市場的青睞[2]。

近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)錘片式粉碎機(jī)進(jìn)行了大量分析研究，喻晨、劉志凱等人[3]對(duì)秸稈粉碎機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，王曉博、徐青青等人[4]基于ANSYS Workbench對(duì)秸稈粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)性能分析。本文基于ANSYS Workbench對(duì)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行模態(tài)分析，了解轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率及特性，以方便在實(shí)際設(shè)計(jì)以及應(yīng)用中避免共振，降低粉碎機(jī)的故障率。

1 錘片式粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子三維模型建立

運(yùn)用ANSYS Workbench有限元分析軟件對(duì)粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行模態(tài)分析。首先我們需要對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行三維實(shí)體建模，三維建模通常分為二種方式：一是利用ANSYS自身建模插件DesignModeler進(jìn)行建模；二是利用其他三維建模軟件CAD建模后通過軟件接口導(dǎo)入ANSYS中[5]。由于ANSYS自身建模插件DesignModeler需按照自底向上或自頂向下方式進(jìn)行建模，步驟非常繁瑣，不易對(duì)轉(zhuǎn)子復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型的創(chuàng)建，因此在Solidworks中轉(zhuǎn)子進(jìn)行實(shí)體建模，然后保存為*.x_t通用格式，然后導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中[6-7]。

考慮到后續(xù)網(wǎng)格劃分和后處理相關(guān)操作對(duì)電腦配置的要求較高，為了減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間和降低對(duì)電腦硬件配置的要求，在不影響模態(tài)分析準(zhǔn)確性的前提下，對(duì)轉(zhuǎn)子三維模型進(jìn)行簡化，去除圓角、倒角等無關(guān)工藝[8]。建成后的轉(zhuǎn)子實(shí)體模型如圖1所示。

2 粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子模態(tài)分析

ANSYS Workbench提供強(qiáng)大的材料數(shù)據(jù)庫Engineering Data，瀏覽材料數(shù)據(jù)庫類別及明細(xì)，選擇粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子材料均為45#鋼，材料屬性參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性

劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，劃分網(wǎng)格的形式將對(duì)分析時(shí)間和計(jì)算精度產(chǎn)生直接影響。網(wǎng)格劃分的目的是將粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子模型離散化，通過將離散后網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和單元連接成組合體進(jìn)行分析得到最精確的解。自由網(wǎng)格劃分是自動(dòng)化程度最高的網(wǎng)格劃分技術(shù)之一。它可以在面上自動(dòng)劃分三角形或者四邊形網(wǎng)格，在體上自動(dòng)生成四面體網(wǎng)格[9]。粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)體模型較為復(fù)雜，因此此次轉(zhuǎn)子模態(tài)分析采用自由網(wǎng)格劃分，共劃分739073個(gè)節(jié)點(diǎn)和117424個(gè)單元[10-11]，如圖2所示。

圖1 錘片式粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)體模型

圖2 螺旋滾筒網(wǎng)格劃分后模型

考慮到轉(zhuǎn)子復(fù)雜的工作環(huán)境，研究轉(zhuǎn)子的固有頻率和振型是十分重要的，對(duì)轉(zhuǎn)子附加約束進(jìn)行模態(tài)分析，使研究結(jié)果更接近轉(zhuǎn)子的實(shí)際情況，因此本次模態(tài)分析把轉(zhuǎn)子兩端軸承處簡化為剛性約束[12]。

3 模態(tài)分析結(jié)果

對(duì)粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行模態(tài)分析，利用Block Lanczos法提取轉(zhuǎn)子前4階固有頻率及模態(tài)振型，并對(duì)相應(yīng)振型進(jìn)行簡述，如表2和圖3所示。

表2 各階固有頻率及振型

在前4階模態(tài)振型圖中，隨著振型階數(shù)的增加，轉(zhuǎn)子的固有頻率也隨之增加。這種增加趨勢符合模態(tài)分析中無阻尼振動(dòng)的隨機(jī)性原則，總體變化量較小，固有頻率集中在225.3～232.88Hz范圍內(nèi)[11]。

圖3 螺旋滾筒各階模態(tài)振型

在工程中一般認(rèn)為，振動(dòng)部件的一階固有頻率振動(dòng)能量最大，破壞性也是最大的，如圖3(a)第1階振型云圖中紅色區(qū)域，顯示轉(zhuǎn)子錘片出現(xiàn)了比較明顯的應(yīng)變現(xiàn)象。因此為了提高錘片剛性，減緩疲勞強(qiáng)度，降低故障率，在不影響轉(zhuǎn)子性能的前提下，增加錘片厚度和加裝相鄰錘片之間套管來滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需求[6]。

本次設(shè)計(jì)的粉碎轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速在1800-2200r/min，工作頻率計(jì)算公式為

式中f為滾筒工作頻率，經(jīng)計(jì)算f=30～36.67Hz。

通常情況下，外在激勵(lì)頻率達(dá)到1階固有頻率的75%就要引起重視[5]。本次設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子第1階固有頻率75%為168.98Hz，遠(yuǎn)大于脫粒滾筒工作頻率范圍，因此本次設(shè)計(jì)是安全可靠的，可以完全避免了共振的發(fā)生。

4 結(jié) 論

1)采用Solidworks軟件對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行實(shí)體建模，基于ANSYS Workbench分析了轉(zhuǎn)子前4階模態(tài)，得到了轉(zhuǎn)子固有頻率及模態(tài)振型云圖，轉(zhuǎn)子第1階固有頻率75%為168.98Hz，遠(yuǎn)大于脫粒滾筒工作頻率范圍，符合振動(dòng)特性的設(shè)計(jì)要求，避免了轉(zhuǎn)子發(fā)生共振現(xiàn)象，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)的安全可靠。

2)在模態(tài)振型云圖中可以看出，錘片的彎曲變形量最大，在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，通過增加錘片厚度和加裝相鄰錘片之間套管，來滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需求，通過模擬分析，不但可以節(jié)約試驗(yàn)成本，還可以壓縮設(shè)計(jì)周期，提高研發(fā)效率。