唐廣凱 劉國昌 張紅梅

摘要：為例研究錘片式粉碎機在啟動過程中轉(zhuǎn)子的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，利用ANSYS軟件對粉碎機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行模態(tài)分析，得到了轉(zhuǎn)子部分的前六階模態(tài)振型，并根據(jù)模態(tài)振型的固有頻率得出了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的前六階臨界轉(zhuǎn)速。結(jié)果表明轉(zhuǎn)子部分的第二階臨界轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，因此粉碎機在工作時應(yīng)盡量避開這個轉(zhuǎn)速；測得轉(zhuǎn)子部分在不同支承剛度條件下前三階振型的固有頻率和最大相對位移，分析了前三階振型的固有頻率和最大相對位移隨支承剛度的變化規(guī)律，認為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)應(yīng)使用支承剛度較小的滾動軸承。研究為錘片式粉碎機轉(zhuǎn)子組的動態(tài)特性分析和減振降噪設(shè)計提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：錘片式粉碎機；轉(zhuǎn)子；模態(tài)分析

引言

錘片式粉碎機是飼料工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的粉碎機械之一，其良好的通用性、可靠的工作性能和便宜的價格優(yōu)勢備受飼料加工業(yè)青睞。目前國內(nèi)外對錘片式粉碎機工作效率的影響上，其研究目的多在于提高粉碎機效率，節(jié)能降耗。但對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的模態(tài)分析相對較少。轉(zhuǎn)子是粉碎機中高速運轉(zhuǎn)的部分，如果轉(zhuǎn)子所受的激振頻率與自身的固有頻率接近，就會激發(fā)共振，增大噪聲。因此獲取掌握轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率和振型參數(shù)，對于改善粉碎機的振動和噪聲，提高整機的綜合性能指標具有重要意義。本文利用ANSYA Woekbench模態(tài)分析模塊，對課題組研制的新型錘片式粉碎機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的自振頻率特性進行研究。

1錘片式粉碎機的概述

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和市場需求的不斷擴大，每年都需要加工大量的動物飼料，飼料加工行業(yè)已經(jīng)成為我國總體經(jīng)濟中不可或缺的一部分。而飼料工業(yè)的高速進步，也促使了粉碎設(shè)備需求量的增加。錘片式粉碎機是我國國內(nèi)使用量最大的粉碎機類型，該設(shè)備主要利用轉(zhuǎn)子系統(tǒng)帶動錘片做高速運動，通過其與物料之間的撞擊與摩擦達到粉碎的效果。目前，錘片式粉碎機仍舊有著包括高能耗、低粉碎率等在內(nèi)的許多不能被忽視的不足之處，所以研究錘片式粉碎機結(jié)構(gòu)和性能方面對提高粉碎產(chǎn)量，擴大經(jīng)濟效益有重要意義。粉碎是制造飼料的核心環(huán)節(jié)，常常采用撞擊，摩擦，碾壓或切割的方式。錘片式粉碎機的重要組成部分有動力系統(tǒng)、篩片、轉(zhuǎn)子、進料與出料口等，其中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包含主軸、錘片、錘架板等，粉碎機進行粉碎作業(yè)時，粉碎原料經(jīng)進料口投入粉碎室中，在粉碎室內(nèi)經(jīng)由錘片的沖擊，被粉碎為小顆粒物料，小顆粒物料與篩網(wǎng)發(fā)生摩擦?xí)r，滿足篩孔條件的物料排出機體成為合格物料，不滿足條件的物料在粉碎室內(nèi)繼續(xù)受到錘片沖擊，如此反復(fù)多次達到粉碎效果。因此，從粉碎粒度和效率出發(fā)進行錘片式粉碎機的研究正符合目前市場的需求。根據(jù)機械專業(yè)知識可知，對機械產(chǎn)品主要零部件進行適當(dāng)?shù)母倪M創(chuàng)新使其滿足國家標準和經(jīng)驗公式，具有合理性的同時提高產(chǎn)品性能，效率和使用壽命[1]。

2模態(tài)分析

將利用SolidWoeks軟件建立的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型保存為“.x-t”格式，然后導(dǎo)入ANSYA Woekbench。將轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的材料屬性設(shè)置為“structuralsteel”，其特性采用默認值。對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行網(wǎng)格劃分，設(shè)置“Relevance”為100，“Elementl Size”為0.005，其余采用默認設(shè)置。得到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)劃分完成的網(wǎng)格效果圖。施加載荷與約束，在主軸上的兩個軸承安裝處施加彈性支承，支承剛度值設(shè)置為107N/m。得到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的前六階模態(tài)振型圖[2]。

3轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速

在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到某一定值時，會造成轉(zhuǎn)子的共振現(xiàn)象，這時的轉(zhuǎn)速稱為轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。為了避免共振引起的劇烈振動和噪聲產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子部分的轉(zhuǎn)速應(yīng)避開臨界轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速可由轉(zhuǎn)子部分只作橫向振動時的固有頻率計算得到。

由表1可知轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的第二階臨界轉(zhuǎn)速在錘片式粉碎機的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，所以錘片式粉碎機在工作時應(yīng)盡量避開這個轉(zhuǎn)速。其余各臨界轉(zhuǎn)速均不在該錘片式粉碎機的工作轉(zhuǎn)速內(nèi)，所以正常工作情況下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

4軸承支承剛度對轉(zhuǎn)子動力學(xué)性能的影響

軸承的支承剛度對轉(zhuǎn)子部分的動力學(xué)分析有較大的影響，因為滾動軸承的徑向剛度值一般在此之間，所以假設(shè)轉(zhuǎn)子部分的兩個軸承的支承剛度相同，在此范圍內(nèi)均為取20個點，在ANSYA Woekbench中得到不同剛度時轉(zhuǎn)子系統(tǒng)前三階模態(tài)振型的固有頻率與最大相對位移。降前三階振型的固有頻率和最大相對位移分別繪制為折線圖。在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)前三階振型的固有頻率中，一階振型的固有頻率隨軸承支承剛度的增大有小幅增加，二階振型的固有頻率隨軸承支承剛度的增大而保持不變，三階振型的固有頻率隨著軸承支承剛度的增大而逐漸變大，但是增幅逐漸減?。粚τ谠撧D(zhuǎn)子系統(tǒng)前三階振型的最大相對位移，隨著軸承支承剛度的增加，一階和二階振型的最大相對位移保持不變，三階振型的最大相對位移逐漸增加，增幅先是增大，在0.45×109N/m附近達到最大值，隨后增幅又逐漸變小[3]。以上現(xiàn)象說明：若使用支承剛度較小的滾動軸承，可以降低第三階模態(tài)振型造成的振動，而不會造成第一、二階振幅的變化。因此該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)應(yīng)使用支承剛度較小的滾動軸承。測得軸承支承剛度分別為0.5×109N/m及1×109N/m時的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)前六階模態(tài)振型圖。其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的三階和四階振型、五階和六階振型的固有頻率分別比較接近。通過分析三階至六階振型的固有頻率，認為課題組在對錘片式粉碎機的噪聲測量中測得的兩個較小的峰值信號893Hz和1263Hz，可能與改轉(zhuǎn)子部分的三階至六階模態(tài)振型相關(guān)[4]。

結(jié)束語

本文利用ANSYA Woekbench對轉(zhuǎn)子部分模態(tài)分析，獲得了轉(zhuǎn)子部分的前六階模態(tài)振型，并根據(jù)模態(tài)振型的固有頻率得出了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的前六階臨界轉(zhuǎn)速，根據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子部分的第二階臨界轉(zhuǎn)速在錘片式粉碎機的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，因此粉碎機在工作中應(yīng)避開臨近轉(zhuǎn)速；測得轉(zhuǎn)子部分在不同支承剛度條件下前三階振型的固有頻率和最大相對位移，分析了前三階振型的固有頻率和最大相對位移隨支承剛度的變化規(guī)律，得出結(jié)論：若使用支承剛度較小的滾動軸承，可以降低第三階模態(tài)振型造成的振動，而不會造成第一、二階振幅的變化。所以該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)應(yīng)使用支承剛度較小的滾動軸承；通過比較分析支承剛度分別為1×107N/m、5×108N/m、1×109N/m情況下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)前六階模態(tài)振型，認為課題組對錘片式粉碎機的噪聲測量試驗中測得的兩個較小的峰值信號893Hz和1263Hz，可能與該轉(zhuǎn)子部分的三階至六階模態(tài)振型相關(guān)，由轉(zhuǎn)子部分產(chǎn)生。

參考文獻

[1]黃陽，張鋼，周靛，etal.臥式ORC余熱發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的模態(tài)分析[J].工業(yè)控制計算機，2017（9）：8-10.

[2]孔騰華，鞏桂芬.氣壓噴吹的錘片式粉碎機設(shè)計[J].飼料工業(yè)，2017，38（23）：14-20.

[3]阮競蘭，張雷，曾國良.錘片粉碎機封閉式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的動力學(xué)分析[J].糧食與飼料工業(yè)，2014，12（10）：43-45.

[4]王正浩，孫成巖，劉大任，等.基礎(chǔ)柔性的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動模態(tài)分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，29（2）：367-371.

（作者單位：中糧生化能源（肇東）有限公司）