掃地機(jī)專用風(fēng)機(jī)減震的仿真與測試研究

于曉娟 鄭磊 張東旭 王磊

摘要：以掃地機(jī)專用風(fēng)機(jī)振動特性為研究對象，運(yùn)用力學(xué)模型簡化模擬計算和軟件仿真，對掃地機(jī)專用風(fēng)機(jī)的振動系統(tǒng)和模型進(jìn)行數(shù)值計算，獲得掃地機(jī)振動特性。通過計算與仿真結(jié)果確定了風(fēng)機(jī)減震墊剛度；讓風(fēng)機(jī)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速避開了結(jié)構(gòu)共振點(diǎn)；預(yù)估了結(jié)構(gòu)的振幅，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了應(yīng)證。

關(guān)鍵詞：力學(xué)；掃地機(jī)專用風(fēng)機(jī)；模擬計算；軟件仿真；振動特性

中圖分類號：U468? 收稿日期：2023-06-28

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.018

1 前言

純電動掃地機(jī)作為城市非機(jī)動車道、巷道、商業(yè)廣場、公園、旅游景區(qū)、觀光帶等場所的清掃機(jī)械，是實(shí)現(xiàn)環(huán)衛(wèi)機(jī)械化作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備[1]。其中，清掃的清潔度主要取決于風(fēng)機(jī)的性能。風(fēng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速高達(dá)3 000 r/min以上，減震墊的合理設(shè)計，可以有效地降低噪音，提升風(fēng)機(jī)可靠性[2]。

當(dāng)一個振動系統(tǒng)不是一個剛體或者支點(diǎn)不是固定支點(diǎn)時，需要采用有限元法、邊界元法、解析方法等復(fù)雜的計算方法。在實(shí)際工程中，通常會先采用簡單的計算方法，假定整個減震系統(tǒng)是無阻尼單自由度系統(tǒng)（圖1），估算系統(tǒng)的固有頻率，然后再根據(jù)估算結(jié)果選擇有限元法進(jìn)行更加精確的計算[3]。本文采用設(shè)計計算→軟件仿真→裝機(jī)實(shí)驗(yàn)→調(diào)試定型的技術(shù)路線，對整個產(chǎn)品開發(fā)過程進(jìn)行解析。

2 設(shè)計計算

在隔振系統(tǒng)效果評價中，常用振動隔離系數(shù)T來表征隔振系統(tǒng)的隔振效果。傳遞系數(shù)T值越小，相同激勵條件下通過隔振系統(tǒng)傳遞過去的力就越小，隔振效果也就越好[4]。隔振設(shè)計的目的就是選擇并設(shè)計合適的隔振參數(shù)，使得T值較小[5]。圖2所示為振動傳遞系數(shù)T與λ=ω/ω0、ζ的關(guān)系曲線（ζ為相對阻尼系數(shù)，也稱阻尼比，是阻尼系數(shù)與臨界阻尼系數(shù)的比，是一個量綱一變量）。

從圖1可以看出，T與頻率比λ=ω/ω0呈非線性關(guān)系。隨著λ的增大，T先急劇增大，在λ=l時達(dá)到最大值，此時體系產(chǎn)生共振，造成風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)部位強(qiáng)烈振動，從而致使風(fēng)機(jī)不能正常工作和減震墊疲勞損壞；其后T減小，且不同ζ值的曲線均交于λ=[2]處。當(dāng)λ≤[2]時，T≥1，減震墊不能起減震作用；當(dāng)λ＞[2]時，T＜l，減震墊發(fā)揮減震作用；且ζ越小、λ越大，T減小的幅度越大，減震效果越好。可見，選擇減震墊時，應(yīng)選用低阻尼橡膠材料。由于風(fēng)機(jī)的重量和工作轉(zhuǎn)速是確定的，因此一般通過調(diào)整減震墊的?n控制T。但T不能過小，否則減震墊的?n過低，相應(yīng)的減震墊的K過小，要達(dá)到相同的減震效果，減震墊的體積過大；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，T一般取0.4～0.1之間。計算公式如下：

風(fēng)機(jī)的振動傳至基礎(chǔ)部位（機(jī)殼）會引發(fā)系統(tǒng)振動和噪聲。在風(fēng)機(jī)與基礎(chǔ)部位之間安裝橡膠減震墊，可減少振動的傳遞。本案例的風(fēng)機(jī)減震墊安裝在風(fēng)機(jī)的4個底腳，按風(fēng)機(jī)+驅(qū)動電機(jī)的重心呈對稱分布。在風(fēng)機(jī)振動的激勵下，減震墊產(chǎn)生相應(yīng)的固有頻率振動。固有頻率的計算公式如下：

式中，?n減震墊的固有頻率，Hz；K減震墊的動剛度，N/mm；m為支撐墊以上的質(zhì)量，kg。

本案例掃地機(jī)未用風(fēng)機(jī)通過4個減震墊與車廂連接，掃地機(jī)和風(fēng)機(jī)模型分別如圖3、圖4所示。設(shè)定電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，則激勵頻率為50 Hz；取ζ=0.2，當(dāng)T=0.125，根據(jù)式（1）計算λ=4.001；已知風(fēng)機(jī)+驅(qū)動電機(jī)重力為864.46 N，電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，則激勵頻率為50 Hz；取ζ=0.2，當(dāng)T=0.125，計算ω/ω0=4.001，則系統(tǒng)固有頻率為12.5 Hz；根據(jù)式（2）計算4個減震墊的總剛度為544 N/mm;根據(jù)減震墊與重心的位置關(guān)系，前后支點(diǎn)分別選擇剛度系數(shù)為197.9 N/mm和74.1 N/mm的圓柱形橡膠減震墊。

3 Ansys軟件仿真

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。Ansys軟件的模態(tài)分析功能，通過分析結(jié)構(gòu)的振動特性，確定結(jié)構(gòu)的多階固有頻率和振型。它也是諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析以及譜分析等其他動力學(xué)分析的基礎(chǔ)[6]。通過對風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到各階自振頻率；再利用諧響應(yīng)分析，察看關(guān)鍵部位振動的幅值[7]。

分析的主要目標(biāo)：a.風(fēng)機(jī)工作頻率避開風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)激勵方向一致振型的固有頻率；b.在電機(jī)的不平衡轉(zhuǎn)矩的激勵下，評估電機(jī)安裝板振動響應(yīng)下的最大變形量[8]。

幾何模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件及網(wǎng)格劃分可以參考工具書，不再贅述。提示兩個關(guān)鍵點(diǎn)：a.風(fēng)機(jī)電機(jī)模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)格數(shù)量大，占用大量的計算資源，可用“點(diǎn)質(zhì)量”代替電機(jī)（見圖5），簡化結(jié)構(gòu)；b.4個減震墊安裝處的接觸關(guān)系，選擇為“幾何體-地面”的彈簧約束（見圖6），剛度系數(shù)為該處減震墊的剛度系數(shù)。

通過軟件計算，得到系統(tǒng)的一階頻率為10.33 Hz，自由度方向?yàn)橹亓Ψ较颍▓D7），與上文簡化方法計算的12.5 Hz相差約17.4%，可以驗(yàn)證方法是可行的。

系統(tǒng)的二階頻率為30.897 Hz，自由度方向?yàn)殡姍C(jī)的旋轉(zhuǎn)方向（見圖8），對應(yīng)的轉(zhuǎn)速是1 854 r/min，即電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速要避開此轉(zhuǎn)速，避免產(chǎn)生共振。

其他階頻率不再展開，本設(shè)計主要考慮的兩個振動方向是重力方向和電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

在電機(jī)安裝軸上加載風(fēng)機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)矩，采用諧波響應(yīng)模塊對電機(jī)安裝板的振幅進(jìn)行仿真（見圖9），可以看到，在31 Hz左右（二階頻率點(diǎn)）時的振幅最大，為20 mm。

4 裝機(jī)測試

采用東華測試的DH3822便攜式動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)（圖10），對風(fēng)機(jī)的驅(qū)動電機(jī)安裝板振動情況進(jìn)行測試。在電機(jī)1 800 r/min時，通過加速度傳感器+多通道信號分析系統(tǒng)（圖11）測試，圖12位置的振幅為30 mm左右（圖9仿真結(jié)果為20 mm左右），產(chǎn)生了較大的共振和噪聲；測試結(jié)果和仿真結(jié)果相近。原風(fēng)機(jī)設(shè)定的工作檔位是1 400 r/min（快速保潔）、1 800 r/min（經(jīng)濟(jì)模式）、2 400 r/min（標(biāo)準(zhǔn)模式）、3 000 r/min（強(qiáng)力模式），由于共振的原因，直接取消了經(jīng)濟(jì)模式這一檔。

5 結(jié)語

本文通過仿真設(shè)計和手工計算相互驗(yàn)證，確定了風(fēng)機(jī)減震墊剛度；通過有限元模態(tài)分析，讓風(fēng)機(jī)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速避開了結(jié)構(gòu)共振點(diǎn)；通過諧波響應(yīng)分析，預(yù)估了結(jié)構(gòu)的振幅，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相應(yīng)證。采用手工計算、仿真設(shè)計、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，可以大大提高工程設(shè)計的準(zhǔn)確率。本案例的研究結(jié)論可為廣大工程技術(shù)人員進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的減震設(shè)計提供有價值的參考。

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作者簡介：

于曉娟，女，1974年生，工程師，研究方向?yàn)橹悄墉h(huán)衛(wèi)裝備。