摘要：為分析打捆機卷壓滾筒的振動特性，利用SolidWorks建立卷壓滾筒的幾何模型，并利用ANSYS Workbench的有限元分析功能對卷壓滾筒裝配體進行了模態(tài)分析。得到了其前6階固有頻率與振型，通過對仿真結(jié)果的分析，得出臨界轉(zhuǎn)速。由于卷壓滾筒在工作時的轉(zhuǎn)速遠低于臨界轉(zhuǎn)速，該設(shè)計可滿足實際工作的需求。

關(guān)鍵詞：卷壓滾筒；打捆機；模態(tài)分析；ANSYS Workbench

中圖分類號：S817.11+5；TH113.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）15-3998-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.15.050

Abstract： Aiming to analysis the rolling press roller vibration characteristics of bundling machine，the geometry model of the rolling press roller was created by Solid Works， and the modal analyses of the rolling press rollerassembly was conducted using the finite element analysis function of ANSYS Workbench. then the first 6 order inherent frequency and vibration type were gotten， and the critical speed was obtained according to the analyses on the simulation results. Because of the actual rotating speed in working far below the critical speed， the design can meet the needs of practical work.

Key words： rolling press roller； bundling machine； modal analysis； ANSYS Workbench

卷壓滾筒是打捆機的重要組成部分，對草捆的形成起關(guān)鍵作用，并且會影響打捆的效率及質(zhì)量[1-3]。打捆機在工作過程中，卷壓滾筒由于受到草捆的摩擦會產(chǎn)生磨損，受到草捆的壓力易產(chǎn)生振動，因此需要對卷壓滾筒進行模態(tài)分析。為此，本研究利用ANSYS Workbench對振動系統(tǒng)進行離散化，并添加適當?shù)倪吔鐥l件，得出了卷壓滾筒的固有頻率及振型。

1 打捆機卷壓滾筒幾何模型的建立

打捆機卷壓滾筒由軸、左右端蓋、滾筒等幾部分組成，利用SolidWorks分別建立各部分零件三維圖，再將各零件組裝成卷壓滾筒裝配體，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 卷壓滾筒的模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

模態(tài)分析是動力學分析中重要的組成部分，是一種研究結(jié)構(gòu)動力特性的方法，用于確定結(jié)構(gòu)或機械零部件的振型及固有頻率[4]。大部分的振動結(jié)構(gòu)或機械零部件可離散成多自由度系統(tǒng)，在多自由度系統(tǒng)中，要有多個獨立的物理坐標系來描述其物理模型。

對于一個多自由度系統(tǒng)的振動微分方程可表示為[5，6]：

式中，M為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；K為系統(tǒng)的剛度矩陣；C為系統(tǒng)的阻尼矩陣；f（t）為外部激勵列陣。理論上假設(shè)系統(tǒng)無阻尼C，則不需要添加外載邊界條件，即系統(tǒng)外部激勵列陣f（t）=0，式（1）可簡化振動頻率與模態(tài)向量的關(guān)系方程為：

（k-ω2M）Φ=0 （2）

式中，ω為振動頻率；Φ為模態(tài)向量。通過式（2）即可得到系統(tǒng)無數(shù)階的固有頻率及振型。

2.2 導(dǎo)入卷壓滾筒有限元模型及定義材料屬性

將建立好的卷壓滾筒的三維模型存為parasolid格式，然后導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，建立卷壓滾筒的有限元模型，如圖2所示。卷壓滾筒的材料定義為Q235，其機械性能參數(shù)如表1所示。

2.3 劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分是有限元分析過程中的一個重要的環(huán)節(jié)，網(wǎng)格劃分的好壞對模態(tài)分析結(jié)果有直接影響。ANSYS Workbench中對模型的網(wǎng)格劃分方法有六面體網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格、多重區(qū)域網(wǎng)格、掃略網(wǎng)格、笛卡爾網(wǎng)格和自動劃分網(wǎng)格[7]。本次選擇自動劃分網(wǎng)格。將單元格尺寸設(shè)置成10 mm，點擊“Mesh”進行自動劃分網(wǎng)格，劃分后生成的節(jié)點數(shù)為104362，單元數(shù)為33325。卷壓滾筒模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

2.4 添加約束

根據(jù)卷壓滾筒實際的工作情況，其只按軸線進行轉(zhuǎn)動，其他的自由度都將被約束，因此在軸左端添加位移約束“Displacement”，以限制卷壓滾筒在x、y、z方向的移動。軸的右端蓋與打捆室通過3個螺栓連接，因此在右端蓋添加3個固定約束“Fixed Support”[8-11]。

2.5 結(jié)果分析

完成以上前處理后，單擊“Solve”進行求解，即得到前6階的振型及固有頻率，振型如圖4所示，固有頻率如表2所示。

由表2可以看出，卷壓滾筒前6階的固有頻率隨階數(shù)的增加逐漸增大，其變化范圍在76.97～205.73 Hz之間，1階和2階的固有頻率分別為76.97 Hz和77.47 Hz。由圖4可以看出，1階、2階振動主要是沿y軸的左右振動，振動的最大位移分別為18.314 mm和18.318 mm；3階、4階的振動變形主要發(fā)生在卷壓滾筒的中部，振動的最大位移分別為26.135 mm和26.013 mm；6階振型主要是中部沿X、Y交替膨脹振動，其最大振動位移達28.158 mm。由1階固有頻率F1=76.97 Hz，可以得到最高臨界轉(zhuǎn)速為4 618.2 r/min，而實際上卷壓滾筒在工作時的轉(zhuǎn)速在360 r/min左右[12]，遠低于最高臨界轉(zhuǎn)速，因此卷壓滾筒的設(shè)計滿足實際工作的需求。

3 小結(jié)

本研究建立了卷壓滾筒的三維模型，并對其進行模態(tài)分析，得到了卷壓滾筒前6階的固有頻率和模態(tài)振型。通過對模態(tài)結(jié)果的分析可知，卷壓滾筒實際工作中的轉(zhuǎn)速遠低于系統(tǒng)最高臨界轉(zhuǎn)速，可滿足實際工作的需求。

參考文獻：

[1] 閆景鳳，李源源，宋 煒.玉米秸稈圓捆打捆機的設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2013（9）：21-22，25.

[2] 包 偉.玉米青貯打捆收獲機關(guān)鍵部件設(shè)計[D].山東泰安：山東農(nóng)業(yè)大學，2011.

[3] 華榮江，唐遵峰，葉紅艷，等.國內(nèi)外圓捆機械研究與發(fā)展趨勢[J].中國農(nóng)機化，2012（3）：23-26.

[4] 李 強，閆 月，閆洪波.基于ANSYS的對數(shù)螺旋錐齒輪裝配體的模態(tài)分析[J].機械設(shè)計與制造，2013（5）：194-196.

[5] 《機械設(shè)計手冊》編委會.機械設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[6] 曹樹謙，張文德，蕭龍翔.振動結(jié)構(gòu)模態(tài)分析——理論、實驗與應(yīng)用[M].天津：天津大學出版社，2001.

[7] 高志剛，劉澤明，李 娜.復(fù)雜模型的ANSYS有限元網(wǎng)格劃分研究[J].機械工程與自動化，2006（3）：41-43.

[8] 蔡力鋼，馬仕明，趙永勝，等.多約束狀態(tài)下重載機械式主軸有限元建模及模態(tài)分析[J].機械工程學報，2012，48（3）：165-173.

[9] 馬永列.結(jié)構(gòu)模態(tài)分析實現(xiàn)方法的研究[D].杭州：浙江大學，2008.

[10] 凌桂龍，丁金濱，溫 正.ANSYS WorkBench 13.0從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2012.

[11] 孫敬敬.機械結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析方法研究綜述[J].科技信息，2014（3）：80.

[12] 王春光，敖恩查，邢冀輝，等.鋼輥外卷式圓捆打捆機設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2010，41（增刊）：103-106，102.