基于模態(tài)分析的寬厚板拋丸機(jī)箱體改造設(shè)計(jì)

易 超，方 威，劉 超，石文斌

（湖南湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411101）

寬厚板拋丸機(jī)是熱處理工序主要設(shè)備之一，利用拋丸器拋出的高速?gòu)椡枨宄摪灞砻娴难趸F皮，是一種表面處理設(shè)備[1]。拋丸機(jī)的拋丸室一般裝有幾個(gè)拋丸器，見圖1，裝在上下層不同的位置上，從不同的方位拋射丸料，以提高拋丸機(jī)的拋丸效率和拋丸質(zhì)量[2]。

圖1 拋丸器結(jié)構(gòu)

模態(tài)分析是一種研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的近代方法，用于工程振動(dòng)領(lǐng)域。機(jī)械結(jié)構(gòu)均有其固有的振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)均具有特定的固有頻率、阻尼比及模態(tài)振形[3]。一般運(yùn)用有限元計(jì)算方法進(jìn)行模態(tài)分析。目前模態(tài)分析已廣泛運(yùn)用在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的預(yù)估及優(yōu)化設(shè)計(jì)、現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性研究、故障診斷及預(yù)報(bào)等方面。某寬厚板廠拋丸機(jī)在使用過(guò)程中拋丸器的使用壽命不夠理想，拋丸機(jī)箱體振動(dòng)過(guò)大，分析認(rèn)為箱體剛度不夠，本文將利用模態(tài)分析方法對(duì)拋丸機(jī)箱體進(jìn)行剛度分析改進(jìn)[4]。

1 現(xiàn)有拋丸機(jī)箱體分析

拋丸機(jī)箱體用于安裝拋丸器及電機(jī)等零部件。利用solidworks軟件對(duì)箱體模型幾何清理并對(duì)倒角、螺紋等細(xì)節(jié)部位用更規(guī)則的特征進(jìn)行代替后得到簡(jiǎn)化模型，參考圖2。箱體所用材料的參數(shù)見表1。

圖2 原拋丸機(jī)箱體簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖

同樣利用solidworks軟件里的simulation功能對(duì)箱體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分單元212482個(gè)，節(jié)點(diǎn)425433個(gè)，單元平均大小為30mm。對(duì)箱體兩體立板進(jìn)行固定約束后進(jìn)行模態(tài)分析，在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)不需要對(duì)研究對(duì)像進(jìn)行外部載荷添加。由于在結(jié)構(gòu)振動(dòng)中，低階模態(tài)和高階模態(tài)所占的百分比呈指數(shù)關(guān)系分布，因此高階模態(tài)所決定的振動(dòng)特性很小，低階模態(tài)更能準(zhǔn)確反映系統(tǒng)自然振動(dòng)時(shí)的變形情況，本文提取箱體的前4階模態(tài)，得到箱體的前4階固有頻率，其結(jié)果見表2和圖3。從結(jié)構(gòu)振型圖3分析可發(fā)現(xiàn)箱體中安裝拋丸器處的振幅處于較高水平，直接影響到拋丸器的使用性能，應(yīng)予以關(guān)注[5]。

向上（即水平橫向）的平移振動(dòng)，由于箱體立板厚度較小，且兩側(cè)立板跨度過(guò)大，立板無(wú)肋板加強(qiáng)，該模態(tài)對(duì)箱體水平橫向剛度影響較大，同時(shí)影響拋丸器及電機(jī)的軸承在橫向的徑向振動(dòng)。第2階模態(tài)為箱體沿Y軸（即豎直方向）上的上下振動(dòng)，該模態(tài)直接影響拋丸器及電機(jī)的軸承在豎直方向上的徑向振動(dòng)，對(duì)電機(jī)和拋丸器的使用壽命有較大影響，同時(shí)也影響了拋丸器及電的連接螺栓的剛度。第3階模態(tài)為箱體沿X軸（即拋丸機(jī)物料運(yùn)輸方向）上的前后振動(dòng)，該模態(tài)影響拋丸器及電機(jī)的軸向竄動(dòng)。第4階模態(tài)為箱體繞Z軸的前后扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致兩側(cè)立板所承受重量不平穩(wěn)，影響整個(gè)箱體的使用性能。因此在改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增加鋼板厚度，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況增加肋板，以此提高整個(gè)箱體的剛度。此外本文還將考慮將安裝拋丸器及電機(jī)的頂板進(jìn)行改進(jìn)，改為合成式箱體結(jié)構(gòu)，單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)箱形結(jié)構(gòu)用于安裝拋丸器。由于拋丸器中葉片及分丸輪等旋轉(zhuǎn)零件均采用鑄造加工方式，其加工精度有限，對(duì)拋丸器的動(dòng)平衡影響極大，而拋丸器中葉片及分丸輪工作時(shí)是處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的，實(shí)際使用過(guò)程中采用稱重的方式可以適當(dāng)提高其動(dòng)平衡性能。在采用箱形結(jié)構(gòu)用于安裝拋丸器后由于箱形結(jié)構(gòu)具有較高的剛度，也可以有效降低拋丸器的振動(dòng)幅度。

2 外界激振頻率分析

本文所述箱體實(shí)際使用過(guò)程中除受到拋丸器及其電機(jī)的激勵(lì)外還受到箱體外安裝的輥道及丸料輸送螺旋的激勵(lì)，由于使用過(guò)程中拋丸器及其電機(jī)所產(chǎn)生的影響更大，因此僅以拋丸器及其電機(jī)作為研究對(duì)像。生產(chǎn)過(guò)程中拋丸器及電機(jī)大部分時(shí)間均在運(yùn)行，拋丸器電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n為1480r/min，經(jīng)過(guò)皮帶加速后拋丸器的額定轉(zhuǎn)速為2548.89r/min。則電機(jī)的激振頻率為:f電=2nπ/60=154.91Hz，拋丸器的激振頻率為:f拋=2nπ/60=266.78Hz。而箱體的第五階固有頻率遠(yuǎn)小于電機(jī)及拋丸器的激振頻率，因此不會(huì)發(fā)生共振。在改進(jìn)設(shè)計(jì)中仍然需要避開此兩處激振頻率。

3 改進(jìn)后拋丸機(jī)箱體分析

根據(jù)上文中的改進(jìn)方案對(duì)箱體進(jìn)行優(yōu)化建模后得到圖3的改進(jìn)箱體模型。該方案中將箱體所用鋼板由20mm改為60mm，兩側(cè)立板增加肋板，箱體內(nèi)部局部位置增加肋板，頂部則另外新增一個(gè)箱型結(jié)構(gòu)用于安裝拋丸器。

圖3 改進(jìn)后拋丸機(jī)箱體模型

同樣網(wǎng)格劃分方式及加載方式對(duì)改進(jìn)后的箱體進(jìn)行模態(tài)分析，得到箱體的前4階固有頻率，其結(jié)果見表1。此外得到了前4階模態(tài)的振型圖。由于結(jié)構(gòu)的固有頻率也反應(yīng)了其剛度，固有頻率越低證明結(jié)構(gòu)越柔，反之則剛度越大。外界激振頻率應(yīng)遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)的固有頻率，一般大于或小于外界激振頻率的10%～20%[6]，比較后發(fā)現(xiàn)第4階模式的固有頻率相比電機(jī)的激振頻率較近，但仍有一定差距，因此不會(huì)出現(xiàn)共振。從表1中可以發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的箱體固有頻率有較大提高，證明改進(jìn)后的箱體剛度有較大幅度提度。

表1 改進(jìn)后箱體前4階模態(tài)固有頻率參數(shù)

4 改進(jìn)后上箱體模態(tài)分析

改進(jìn)后的箱體中將箱體分為了兩部分，上箱體單獨(dú)劃分出來(lái)用于安裝拋丸器，也應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行分析。采用同樣方法進(jìn)行分析可以得到上箱體的前4階固有頻率及振型圖，其結(jié)果見表2。從表2可以發(fā)現(xiàn)前4階固有頻率相比前兩次分析有大幅提升，表面其剛度極佳，同時(shí)仍和外界激振頻率相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)，亦不會(huì)出現(xiàn)共振。因此相比箱體整體進(jìn)行改進(jìn)而言單獨(dú)增加上箱體對(duì)剛度的提升更為明顯。

表2 上箱體前4階模態(tài)固有頻率參數(shù)

5 實(shí)際改造應(yīng)用

實(shí)際改造應(yīng)用中按上述研究思路對(duì)拋丸機(jī)箱體進(jìn)行了改造。材料選擇上選用了高強(qiáng)鋼板，進(jìn)一步提升了剛度。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)拋丸器及電機(jī)的震動(dòng)大幅度下降，有明顯改善，且拋丸器葉片斷裂、拋頭軸承燒損等情況有所改善，拋丸器的使用壽命也得到了明顯增加，證明改造思路正確。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以某寬厚板廠拋丸機(jī)箱體為研究對(duì)象，利用模態(tài)分析對(duì)箱體剛度進(jìn)行評(píng)估并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)改造，改造后的箱體使用情況良好，振動(dòng)基本消除，大幅度提高了拋丸器的使用壽命。本文得出如下結(jié)論：

（1）提高結(jié)構(gòu)的剛度是降低振動(dòng)的有效辦法，根據(jù)分析在對(duì)拋丸器箱體進(jìn)行拆分后，由于改進(jìn)后的箱體慣性矩得到了大幅提升，其前4階固有頻率相比原有箱體也有明顯增加，采用箱型結(jié)構(gòu)的上箱體其剛度相比原有箱體的剛度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這是改造結(jié)果中的振動(dòng)降低的根本原因。

（2）在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，在提高剛度的同時(shí)應(yīng)考慮避開外界激振頻率，避免共振的情況。