吳斌方, 袁瑜瑾 , 袁　博, 王天寶， 韋　全， 陳　妍

(1 湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068;

2 武漢城市職業(yè)學(xué)院機電學(xué)院，武漢4300643; 3 內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院招生就業(yè)處，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

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基于模態(tài)分析的瓦楞機機架減振研究

吳斌方1, 袁瑜瑾1, 袁博2, 王天寶3， 韋全2， 陳妍2

(1 湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068;

2 武漢城市職業(yè)學(xué)院機電學(xué)院，武漢4300643; 3 內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院招生就業(yè)處，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

[摘要]針對瓦楞機機架工作時強烈振動的現(xiàn)象，使用三維軟件建立了機架的三維模型。通過對隔振板賦予不同的材料屬性來模擬混凝土填充狀態(tài)。用有限元軟件對機架進(jìn)行模態(tài)分析，得到了瓦楞機機架的前六階模態(tài)的固有頻率和振型。將仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)選擇合適的填充狀態(tài)可以避免共振。

[關(guān)鍵詞]瓦楞機； 機架； 固有振型

瓦楞機機架是單片瓦楞機的核心組成部分之一，由瓦楞機兩個支撐側(cè)板，一個隔振板，二個底板組成[1-3]。側(cè)板、隔振板與底板之間由12個螺栓從底座底部自下而上預(yù)緊固定。在瓦楞機工作時，由于外界的激勵，機架必定會產(chǎn)生振動，也會產(chǎn)生一定的形變與應(yīng)力，應(yīng)力應(yīng)變過大會導(dǎo)致瓦楞機機體產(chǎn)生裂紋，更嚴(yán)重的會使底座螺栓發(fā)生疲勞斷裂，影響瓦楞機的正常工作，因此在設(shè)計中有必要對其進(jìn)行模態(tài)分析[4-5]。

1有限元模態(tài)分析原理

模態(tài)分析的目的是變換坐標(biāo)，使原來的物理坐標(biāo)變?yōu)槟B(tài)坐標(biāo)，從而使解耦的方程帶有模態(tài)坐標(biāo)與模態(tài)參數(shù)，方便求解模態(tài)參數(shù)。在機械振動分析中，經(jīng)常要考慮機體結(jié)構(gòu)的固有特性，也就是振動模態(tài)。模態(tài)分析可以通過計算得到各階的模態(tài)參數(shù)以及在某一頻率范圍之內(nèi)的主要模態(tài)特性，然后實際的振動響應(yīng)就可以在各種振源下求解[6-7]。

2機架的有限元分析過程

2.1建立機架的三維模型

機架的實際結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兩側(cè)箱體與隔振板之間有兩組螺栓聯(lián)接，隔振板內(nèi)部由帶板子的框架構(gòu)成，中間是混凝土填充，隔振板下面是兩塊鋼板底座。ANSYS workbench有建模功能，但復(fù)雜零件的建模操作非常復(fù)雜。本文采用Pro/E三維軟件建模。Pro/E具有強大的三維參數(shù)化建模功能，為有限元分析提供了方便，在有限元分析中，為了避免許多小倒角、小圓角對機架剛度的影響，對機架簡化很有必要。

2.2側(cè)板三維模型導(dǎo)入Ansys workbench14.0

Iges與Parasolid文件格式是有限元軟件與ProE之間常用的數(shù)據(jù)交換格式。根據(jù)導(dǎo)入的效果，最終選擇Parasolid為最終的交換格式。Parasolid支持實體建模，支持布爾運算，Ansys workbench14.0本身也含有Parasolid的轉(zhuǎn)化過濾器，因此選Parasolid數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化是比較快捷的方法。首先將機架三維模型導(dǎo)入Ansys workbench14.0，定義材料屬性，網(wǎng)格長度設(shè)置為0.001 m，機架網(wǎng)格劃分如圖1所示。

2.3定義機架的材料屬性

機架的兩側(cè)板材料為HT300。 HT300具有良好的減振性和耐磨性， 通過查手冊可知其彈性模量E=1.25×1011Pa， 泊松比ν=0.25， 密度ρ=7 200 kg/m3， 其他的隔振板與底座均是普通鋼， 彈性模量E=2×1011Pa， 泊松比ν=0.3， 密度ρ=7 800 kg/m3。

2.4確定機架的邊界條件

所謂的施加邊界條件就是限制約束自由度，兩側(cè)板與隔振板之間由10個直徑為20 mm螺栓聯(lián)接在一起，隔振板與下面兩地板用12個M16螺栓聯(lián)接，最下板由于與地基相連，故在建模時應(yīng)該對最下板施加固定接連。

2.5Bruel&Kjar測量瓦楞機機架工作時的頻率

在現(xiàn)場測量振動數(shù)據(jù)時，用Type-3560-B-T15-Serial No2573185的Bruel&Kjar測量機架在工作時的隔振板工作頻率分別為130 Hz、260 Hz、390 Hz、510 Hz、640 Hz、770 Hz、910 Hz，結(jié)果表明其最小載荷頻率為130 Hz。

3機架的模態(tài)分析

在機架的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析過程中，由于高階模態(tài)所占的能量比較小，當(dāng)隔振板材料屬性過小，隔振效果將起到作用，但是對底座螺栓的疲勞強度有所影響。當(dāng)選取的隔振板的材料屬性過大，機架隔振的效果不好，螺栓不會受到振動的影響，但會產(chǎn)生振動噪音。故可以通過改變隔振板的材料屬性，選取不同的材料屬性去模擬隔振板實際的剛度。隔振板三種材料屬性如表1所示。

表1　隔振板三種材料屬性

根據(jù)1號隔振板材料屬性，當(dāng)隔振板未填充混凝土，得出機架前六階的固有頻率如表2，振型圖如圖2。

表2　1號隔振板的機架前六階的固有頻率

圖 2　1號隔振板的機架前六階振型圖

根據(jù)2號隔振板材料屬性，當(dāng)隔振板填充混凝土，得出機架前六階的固有頻率見表3，振型圖見圖3。

表3　2號隔振板的機架前六階的固有頻率

圖 3　2號隔振板的機架前六階振型圖

根據(jù)3號隔振板材料屬性，可以得出機架前六階的固有頻率見表4，振型圖見圖4。

圖 4　3號隔振板的機架前六階振型圖

模態(tài)階數(shù)振型固有頻率/Hz1機架整體Y方向擺動39.2962機架側(cè)板與橫梁Z方向扭轉(zhuǎn)96.5813機架整體Z方向外彎曲113.164機架橫梁外彎曲128.845機架側(cè)板橫梁內(nèi)彎曲140.816機架整體內(nèi)彎曲157.86

4模態(tài)計算結(jié)果分析

從圖2可以看出一階隔振板的固有頻率較低，只有34.389 Hz左右，容易引起振動，振型主要是機架的上部分沿著Y方向左右擺動，機架頂部橫梁的擺動幅度最大，隔振板與底座處的擺動幅度最小，擺動會造成結(jié)構(gòu)連接處的疲勞破壞。二階振型主要是機架兩側(cè)板的Z方向扭轉(zhuǎn)，兩側(cè)板的兩端頂部兩角擺動幅度最大，而隔振板與地板擺動幅度最小，這樣的扭轉(zhuǎn)會導(dǎo)致上下瓦楞輥接觸處錯位，影響瓦楞紙的質(zhì)量。三階振型主要是機架整體Z方向外彎曲，這樣會導(dǎo)致底座聯(lián)結(jié)螺栓組松動和疲勞壽命降低。四階振型主要是機架橫梁外彎曲，橫梁彎曲會影響機架側(cè)板之間的聯(lián)接穩(wěn)定性。五階振型主要是機架側(cè)板橫梁內(nèi)彎曲，這樣會導(dǎo)致橫梁強度降低。六階振型主要是機架整體內(nèi)彎曲，這樣產(chǎn)生瓦楞機整體振動而影響橫梁。

1號隔振板內(nèi)未填充混凝土?xí)r，機架的整體變形最小，機架的五階頻率136.23 Hz與實測頻率130 Hz比較接近，可能會發(fā)生共振。2號隔振板填充混凝土后，固有頻率變大，避免了共振，機架的整體變形由未加混凝土的整體變形量0.023 mm變化為0.023 9 mm，因此混凝土的填充能起到機架的隔振效果。3號隔振板的固有頻率最大，機架的整體變形量為0.024 mm，表明在機架振動不是很大的情況下，該組材料屬性最能起到隔振效果。

[參考文獻(xiàn)]

[1]朱建萍.包裝機械設(shè)計方法研究[J].包裝工程，2007,28(7)：97-99 .

[2]陳奎孚.機械振動基礎(chǔ)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2011:156-162.

[3]熊桂超.超細(xì)瓦楞紙板生產(chǎn)線關(guān)鍵機構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)仿真[D].廣州：華南理工大學(xué)，2011.

[4]李潔，阮軍.變速箱題網(wǎng)格劃分策略研究[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2009(3)：87-90.

[5]魯琳，薛冬新.某機車用柴油發(fā)動機組的隔振分析[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

[6]吳斌方，能華，張靜，等.基于有限元分析的瓦楞機支撐側(cè)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].包裝工程， 2014, 35 (5):62-66.

[7]吳斌方，袁博，嚴(yán)明霞，等. 基于UG和ANSYS軟件的瓦楞輥振動與模態(tài)分析[J].包裝工程,2013,34 (3):55-58.

[責(zé)任編校： 張眾]

Research of Corrugated Board Machine Rack Damping Based on the Modal Analysis

WU Binfang1,YUAN Yujin1, Yuan Bo2, WANG Tianbao3， WEI Quan2, CHEN Yan2

(1SchoolofMechanicalEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China;2WuhanCityVocationalCollege,Wuhan430064,China;3InnerMongoliaTransportationVocationalTechnicalCollege,Chifeng024000,China)

Abstract：Aiming at the corrugated rack strong vibration phenomenon, the study used the three-dimensional software to build a three-dimensional model of the rack. It then gave the isolation plates different material properties to simulate the concrete filling state. A modal analysis was conducted on the rack, obtaining six modal inherent frequencies and the vibration mode of the corrugated rack. The comparison of simulation data with the experimental data suggests that to select the appropriate filling state will avoid resonance.

Keywords：corrugated machine; rack; the inherent vibration mode

[中圖分類號]TP391.9

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]：A

[文章編號]1003-4684(2016)01-0015-03

[作者簡介]吳斌方(1961-)， 男， 湖北武漢人，湖北工業(yè)大學(xué)副教授，研究方向為機電產(chǎn)品研發(fā)

[收稿日期]2015-10-16