李 瑋，鄭金周

（1.長治清華機(jī)械廠 工藝研究所，山西 長治 046012；2.清華鋼結(jié)構(gòu)有限公司 技術(shù)部，山西 長治 046012）

0 引言

齒輥是雙齒輥破碎機(jī)［1］的核心組成部分，在破碎機(jī)破碎物料的過程中齒輥常出現(xiàn)振動不穩(wěn)定情形。為了減少齒輥的振動，確定齒輥結(jié)構(gòu)的固有頻率，使設(shè)計(jì)人員避開這些固有頻率或減少這些固有頻率上的激勵，從而減少振動和噪聲，保證破碎機(jī)能可靠地工作，有必要對齒輥進(jìn)行模態(tài)分析。

本文利用有限元軟件ANSYS workbench進(jìn)行齒輥模態(tài)分析，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求，為齒輥的設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

1 不同材質(zhì)的破碎機(jī)齒輥模態(tài)分析

1.1 建立模型

Solid Works軟件與ANSYS之間具有良好的接口［2］，可以實(shí)現(xiàn)無縫連接，從而避免數(shù)據(jù)丟失，同時它有效地彌補(bǔ)了ANSYS建模功能的不足。在Solid Works界面工具欄中點(diǎn)擊ANSYS 12.0圖標(biāo)，即可啟動ANSYS workbench，進(jìn)入到Workbench分析環(huán)境中。

雙齒輥破碎機(jī)齒輥的基本參數(shù)如表1所示，在三維軟件Solid Works中建立破碎機(jī)齒輥的三維模型。

表1 雙齒輥破碎機(jī)齒輥基本參數(shù) mm

模態(tài)分析主要用來確定結(jié)構(gòu)的振動特性，即固有頻率和各階振型。模態(tài)分析中材料的性質(zhì)可以是線性的也可以是非線性的，需要指定材料的密度、彈性模量及泊松比。對于雙齒輥破碎機(jī)齒輥，本文擬采取ZG310、ZG35Cr Mn Si、ZGMn13這3種材料進(jìn)行比較，其力學(xué)性能如表2所示。在Solid Works環(huán)境中建立好齒輥幾何模型后，將其導(dǎo)入到workbench界面中，選擇Modal模塊即可在Engineering Data、Geo metry、Model、Set up等分析步中對齒輥模型的材料數(shù)據(jù)、幾何尺寸、網(wǎng)格劃分、邊界條件等參數(shù)進(jìn)行賦值或修改。

表2 3種齒輥材料的力學(xué)性能［3］

在做模態(tài)分析時，只需給模型施加邊界約束。對于雙齒輥破碎機(jī)破碎輥模型，進(jìn)行邊界條件設(shè)置時，在齒輥內(nèi)孔施加除了繞中心軸轉(zhuǎn)動以外的所有約束。

對破碎輥幾何模型采用掃掠方法劃分網(wǎng)格，設(shè)置全局單元近似大小為5 mm，單元類型為四面體網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)35 595，單元總數(shù)20 696。圖1為破碎機(jī)齒輥的有限元模型。

圖1 破碎機(jī)齒輥的有限元模型

1.2 結(jié)果分析

經(jīng)過幾何建模、網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置后，便可在Workbench環(huán)境中進(jìn)行齒輥的模態(tài)分析計(jì)算，并獲得了3種不同材料齒輥的固有頻率值?，F(xiàn)將3種不同材料齒輥的頻率值繪制于一張圖中以進(jìn)行比較，如圖2所示。通過比較發(fā)現(xiàn)，材料為ZG310的破碎輥頻率值最小，材料為ZG35Cr MnSi的破碎輥頻率值最大，材料為ZGMn13的破碎輥頻率值略小。將圖2中的頻率值與表2中列出的3種材料的物理參數(shù)進(jìn)行分析，可以得出雙齒輥破碎機(jī)破碎輥材料的彈性模量與其固有頻率存在一定的關(guān)系：材料的彈性模量越大，在同階數(shù)的工作頻率下，齒輥發(fā)生共振的概率越小，引起的工作噪聲也越小，由此破碎輥的效率越高，工作壽命相對延長。

圖2 不同材料輥式破碎機(jī)破碎輥的頻率值比較

2 不同結(jié)構(gòu)的齒輥模態(tài)分析

為了分析不同結(jié)構(gòu)對雙齒輥破碎機(jī)齒輥固有頻率的影響，將實(shí)心式雙齒輥改進(jìn)為腹板式結(jié)構(gòu)，兩種腹板式結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。對這兩種結(jié)構(gòu)形式分別建立有限元模型，材料采用ZG35Cr MnSi，并設(shè)置繞中心軸轉(zhuǎn)動以外的所有約束。

2.1 固有頻率分析

齒輥模型經(jīng)網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置并提交分析作業(yè)后，即得到兩種腹板式破碎輥結(jié)構(gòu)的模態(tài)計(jì)算結(jié)果?，F(xiàn)提取兩種腹板式結(jié)構(gòu)破碎輥的前6階固有頻率，并與實(shí)心式結(jié)構(gòu)的固有頻率一同列于表3中。由表3可以發(fā)現(xiàn)：3種結(jié)構(gòu)的破碎輥其固有頻率在前6階處于上升狀態(tài)；在同階數(shù)下，腹板式結(jié)構(gòu)2的破碎輥固有頻率最大，實(shí)心式結(jié)構(gòu)次之，腹板式結(jié)構(gòu)1的固有頻率最??；腹板式結(jié)構(gòu)2的模態(tài)頻率超過了1 734.6 Hz，實(shí)際工作中很難出現(xiàn)。這些模態(tài)頻率的計(jì)算結(jié)果說明了雙齒輥破碎機(jī)破碎輥的結(jié)構(gòu)是影響其固有頻率的另一個重要因素。因此在設(shè)計(jì)破碎輥時，在保證齒輥強(qiáng)度的前提下，可以通過改變破碎輥的結(jié)構(gòu)形式來改變其固有頻率，避免破碎輥在工作時發(fā)生共振，從而減少工作噪聲，提高破碎輥的工作效率。

圖3 腹板式破碎輥結(jié)構(gòu)1

圖4 腹板式破碎輥結(jié)構(gòu)2

表3 不同破碎輥結(jié)構(gòu)前6階固有頻率 Hz

2.2 振型分析

通常，對于結(jié)構(gòu)振動只關(guān)心相對頻率較低部分的振型，而絕大部分高階振型的參與因子小到可以忽略不計(jì)。因此，本文只提取前5階模態(tài)進(jìn)行分析，其余模態(tài)作截?cái)嗵幚怼D5列出了該結(jié)構(gòu)形式的6種典型振型。從圖5中可以清楚地看到，破碎輥第1階振動形態(tài)為繞中心軸的旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)振動，第2階振型振動形態(tài)為各端面內(nèi)相對扭轉(zhuǎn)振動，第3階、第4階振型為軸向出現(xiàn)類似正弦波的波動，第5階振型在軸向基本無振動，各端面為相對扭轉(zhuǎn)擺動［4］。

圖5 破碎輥前5階模態(tài)振型

3 結(jié)語

使用有限元法對雙齒輥破碎機(jī)破碎輥在分別采用3種不同材料的情況下進(jìn)行模態(tài)分析，并比較計(jì)算破碎輥在實(shí)心式、腹板式結(jié)構(gòu)1和腹板式結(jié)構(gòu)2三種不同結(jié)構(gòu)形式下的固有頻率和振型。分析結(jié)果表明：該破碎輥的固有頻率和破碎輥的材料有關(guān)，材料的彈性模量越大，破碎輥的固有頻率越大，這一特性可為破碎輥的材料選擇提供設(shè)計(jì)依據(jù)；另外，破碎輥的結(jié)構(gòu)形式也是影響輥軸固有頻率的重要因素，可以通過改變輥軸的結(jié)構(gòu)形式來改變齒輥的固有頻率，并盡量避開外部激振的危險頻率范圍，以減少和避免發(fā)生共振。

［1］秦邦憲.最新破碎機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)新工藝新技術(shù)與故障診斷［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］張朝暉.ANSYS 12.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］宋憂.金屬材料手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［4］師素娟.基于ANSYS的履帶起重機(jī)桁架式吊臂模態(tài)分析［J］.礦山機(jī)械，2012（4）：54-57.