邱海飛,張玲鋒
(1.西京學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,陜西 西安 710123;2.西安森啟信息科技有限公司,陜西 西安 710123)
在工業(yè)生產(chǎn)過程中,帶式輸送機(jī)是必不可少的連續(xù)輸送設(shè)備[1]。機(jī)架是帶式輸送機(jī)的承載基礎(chǔ),其性能優(yōu)劣對于帶式輸送機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。在國家標(biāo)準(zhǔn)(GB50431-2008)“帶式輸送機(jī)工程設(shè)計規(guī)范”中,明確規(guī)定機(jī)架應(yīng)具備良好的結(jié)構(gòu)剛度和動力學(xué)特性[2]。近年來,隨著現(xiàn)代化機(jī)械裝備的升級和生產(chǎn)效率的提高,帶式輸送機(jī)一直在朝著高速化方向不斷發(fā)展,同時對于機(jī)架的技術(shù)性能也提出了更高要求。
目前對于帶式輸送機(jī)機(jī)架的研究主要以有限元建模和動態(tài)特性分析為主,例如;文獻(xiàn)通過將機(jī)架簡化為與地面固接的剛體,建立了帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)仿真模型,并結(jié)合輸送帶剛度及阻尼分析了機(jī)體動態(tài)特性;文獻(xiàn)利用參數(shù)化建模和動態(tài)優(yōu)化方法提高了帶式輸送機(jī)機(jī)架頻率儲備,實(shí)現(xiàn)了機(jī)架輕量化設(shè)計;文獻(xiàn)針對移動式帶式輸送機(jī)異型架結(jié)構(gòu),論述了基于SolidWorks平臺的有限單元法設(shè)計應(yīng)用流程;文獻(xiàn)利用ANAYS對帶式輸送機(jī)可伸縮中間架進(jìn)行了有限元建模和應(yīng)力分析,對帶式輸送機(jī)的可靠運(yùn)行提出了設(shè)計建議。以某小型水平帶式輸送機(jī)為研究對象,在綜合考慮截面形狀和材料特性的基礎(chǔ)上,通過深入的分析、設(shè)計和仿真計算,從動力學(xué)層面實(shí)現(xiàn)了機(jī)架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計,為帶式輸送機(jī)的高速化研發(fā)提供了技術(shù)支持。
在帶式輸送機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成中,機(jī)架結(jié)構(gòu)所占比重最大,且其上裝配有各類機(jī)械傳動零部件,如驅(qū)動電機(jī)、減速器、托輥組、滾筒及輸送帶等[3-4]。由于帶式輸送機(jī)的用途和功能所限,其機(jī)架主體結(jié)構(gòu)往往大同小異,且一般多由不同型號的槽鋼與角鋼焊接而成。
某小型水平帶式輸送機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu),主要由橫梁、邊梁、支柱、滾筒支座等構(gòu)成,如圖1所示。
圖1 帶式輸送機(jī)機(jī)架構(gòu)成Fig.1 Structure of the Frame on Belt Conveyor
實(shí)際當(dāng)中,為了減輕機(jī)架結(jié)構(gòu)重量、節(jié)省材料,邊梁和支柱一般采用不同規(guī)格的條型鋼。
根據(jù)型鋼結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn),設(shè)計的四種截面形狀,即槽形、三角形、回形及圓形截面,其壁厚均為10mm,如圖2所示。
圖2 截面形狀Fig.2 Cross-Section
由圖1機(jī)架構(gòu)成可知,邊梁和支柱是機(jī)架的主體結(jié)構(gòu),因此,將這四種截面分別應(yīng)用于機(jī)架的邊梁和支柱設(shè)計,利用三維CAD特征建模技術(shù),在SolidWorks環(huán)境下分別創(chuàng)建基于槽形、三角形、回形及圓形截面的機(jī)架實(shí)體模型。
對機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要簡化,利用SolidWorks/Simulation模塊分別對四種截面形狀的機(jī)架進(jìn)行有限元建模,槽形截面機(jī)架有限元模型,如圖3所示。
圖3 機(jī)架有限元模型Fig.3 Finite Element of the Frame
采用四面體實(shí)體單元對機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散,機(jī)架網(wǎng)格劃分結(jié)果共產(chǎn)生33118個單元和66514個節(jié)點(diǎn)。
為了分析和比較材料特性對于機(jī)架結(jié)構(gòu)性能的影響,選用合金鋼與灰鑄鐵作為機(jī)架建模材質(zhì),其物理屬性,如表1所示。
表1 機(jī)架材料屬性Tab.1 Material Properties of the Frame
由振動力學(xué)理論可知,連續(xù)實(shí)體結(jié)構(gòu)具有無限階固有頻率,實(shí)際當(dāng)中多以低階固有頻率作為衡量結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性的重要指標(biāo)[5]。
分別對兩種材質(zhì)、四種截面形狀的機(jī)架進(jìn)行自由模態(tài)分析,并提取1~4階固有頻率(忽略剛體模態(tài)),如圖4、圖5所示。
圖4 合金鋼機(jī)架固有頻率Fig.4 Natural Frequency of the Frame in Alloy Steel
圖5 灰鑄鐵機(jī)架固有頻率Fig.5 Natural Frequency of the Frame in Grey Iron
分析和比較圖4、圖5可知,合金鋼機(jī)架與灰鑄鐵機(jī)架的前4階固有頻率變化趨勢基本一致,頻率值從大到小的截面形狀依次為;回形、圓形、槽形、三角形。由此可見,在材質(zhì)一定的條件下,回形機(jī)架的動力學(xué)特性最優(yōu),圓形機(jī)架和槽形機(jī)架次之,三角形機(jī)架最差。
因此,不論是合金鋼還是灰鑄鐵材質(zhì),機(jī)架邊梁和支柱應(yīng)優(yōu)先采用回形截面,這樣的建模設(shè)計方案可以使機(jī)架獲得更高的抗振頻率,有利于帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和高速化發(fā)展。
另一方面,當(dāng)截面形狀確定時,對不同材質(zhì)的機(jī)架固有頻率進(jìn)行分析比較,如圖6所示。
對于槽形、三角形、回形及圓形截面,合金鋼機(jī)架的前4階固有頻率均大于灰鑄鐵機(jī)架,以回形截面機(jī)架為例,如圖6(c)所示。
圖6 不同材質(zhì)機(jī)架固有頻率比較Fig.6 Natural Frequency of the Frame in Different Material
前者第1階固有頻率為11.16Hz,而后僅為6.48Hz,可見,合金鋼機(jī)架的抗振性能要明顯優(yōu)于灰鑄鐵機(jī)架。由此可知,為了使機(jī)架具備良好的動力學(xué)特性,不管采用哪一種截面形狀設(shè)計機(jī)架結(jié)構(gòu),均應(yīng)優(yōu)先選用合金鋼作為機(jī)架材質(zhì)。
在帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中,機(jī)架會承受來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部的激勵載荷,當(dāng)發(fā)生同頻共振時,機(jī)架結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)劇烈的振動形變,嚴(yán)重時甚至可能導(dǎo)致機(jī)架斷裂或壞損[6-7]。
由于機(jī)架1 階固有頻率最小,在實(shí)際當(dāng)中最易被干擾和激發(fā),因此,在四種截面機(jī)架模態(tài)分析基礎(chǔ)之上,分別提取合金鋼、灰鑄鐵機(jī)架的1階振型進(jìn)行比較分析,如圖7、圖8所示。
圖7 合金鋼機(jī)架1階振型Fig.7 First Vibration Mode of the Frame in Aalloy Steel
圖8 灰鑄鐵機(jī)架1階振型Fig.8 First Vibration Mode of the Frame in Grey Iron
由振型圖解可知,不同截面形狀的機(jī)架1階振動模式各不相同。對于槽形截面結(jié)構(gòu),合金鋼機(jī)架的兩組支柱外轉(zhuǎn)變形較為明顯,而灰鑄鐵機(jī)架的兩根邊梁則呈現(xiàn)出較大幅度的扭轉(zhuǎn)變形;對于三角形截面結(jié)構(gòu),合金鋼機(jī)架振動模式主要為兩根邊梁的向上彎曲形變,而灰鑄鐵機(jī)架則相反,邊梁彎曲形變的方向改為朝下。
對回形和圓形截面形狀結(jié)構(gòu),合金鋼與灰鑄鐵機(jī)架的振動模式基本相似,即回形機(jī)架形變均表現(xiàn)為邊梁的向上彎曲振動,而圓形機(jī)架形變均表現(xiàn)為邊梁的向下彎曲振動。
通過振動模式分析,能夠有效預(yù)測機(jī)架在不同材質(zhì)和截面形狀下的振動及變形趨勢,有利于預(yù)防和減小同頻共振產(chǎn)生的危害,從而為評估機(jī)架的抗振性能提供有力參考。
帶式輸送機(jī)機(jī)架之上裝有多組旋轉(zhuǎn)傳動裝置,如電動機(jī)、傳動滾筒、減速機(jī)、槽型托輥等。
在物料運(yùn)輸過程中,由于主軸旋轉(zhuǎn)不均或制造、裝配誤差等因素的影響[8],機(jī)架有可能會承受多個不同頻率和相位的簡諧載荷作用。
通過諧振響應(yīng)分析,能夠有效預(yù)測和評估機(jī)架結(jié)構(gòu)的持續(xù)動力特性,從而避免由受迫振動引起的諧振危害。
以合金鋼材質(zhì)、回形截面機(jī)架為研究對象,在ANSYS環(huán)境下建立其諧振響應(yīng)分析模型,如圖9所示。
圖9 諧振響應(yīng)分析機(jī)架模型Fig.9 Harmonic Response Analysis of the Frame
根據(jù)實(shí)際工況,將支柱底面自由度全部約束,并在中間橫梁中心位置選取一節(jié)點(diǎn)施加簡諧載荷F(t),如式(1)、式(2)所示。令A(yù)=250N,φ=0;參考機(jī)架自由模態(tài)分析結(jié)果,將強(qiáng)制頻率范圍設(shè)置為(10~40)Hz。
式中:t—時間變量,s;
A—簡諧載荷幅值,N;
ω—圓頻率,rad/s;
φ—初始相位,rad;
f—激振頻率,Hz[8]。
將諧振響應(yīng)分析過程分為100個子步對機(jī)架進(jìn)行掃頻計算,提取激振區(qū)域的幅頻響應(yīng)曲線,如圖10所示。
圖10 幅頻響應(yīng)曲線Fig.10 Amplitude-Frequency Response Curve
分析可知,機(jī)架在(10~40)Hz頻率區(qū)間內(nèi)共有三處較為明顯的幅頻響應(yīng),分別是28.9Hz、30.7Hz 和36.1Hz,其中30.7Hz 頻率點(diǎn)處的位移響應(yīng)最大(0.011mm),當(dāng)激勵載荷頻率接近或與這三個頻率點(diǎn)重合時,機(jī)架結(jié)構(gòu)將會發(fā)生劇烈同頻振動,不利于帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行與安全生產(chǎn)。
根據(jù)諧振響應(yīng)分析結(jié)果,對于這類小型帶式輸送機(jī),如果要使整機(jī)系統(tǒng)能夠連續(xù)穩(wěn)定的輸送物料,則機(jī)體內(nèi)各個傳動裝置的工作轉(zhuǎn)速頻率應(yīng)盡量避開三個諧振頻率點(diǎn),以免使機(jī)架在周期性簡諧載荷作用下產(chǎn)生有害共振。
此外,還可以通過采取一些有效的機(jī)架減振措施來增強(qiáng)帶式輸送機(jī)的生產(chǎn)穩(wěn)定性,例如在機(jī)架上安裝吸振裝置,這樣能夠有效提高機(jī)架的共振頻率,從而增大帶式輸送機(jī)連續(xù)安全工作轉(zhuǎn)速區(qū)間[9];或者在合金鋼、回形截面機(jī)架基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化,通過增設(shè)橫梁、筋板及配重特征等改進(jìn)機(jī)架的動態(tài)特性。
通過綜合分析材料和截面特征對帶式輸送機(jī)機(jī)架的影響,明確了槽形、三角形、回形、圓形截面機(jī)架的動力學(xué)特性,并結(jié)合材料特性確定了最優(yōu)機(jī)架設(shè)計方案,即采用合金鋼材質(zhì)和回形截面形狀時,機(jī)架結(jié)構(gòu)具有最佳動力學(xué)特性。
諧振響應(yīng)結(jié)果表明,合金鋼回形機(jī)架在(10~40)Hz區(qū)間內(nèi)存在三處明顯有害諧振頻率,按照幅頻響應(yīng)大小依次為30.7Hz、28.9Hz和36.1Hz,說明諧振激勵在高頻區(qū)域會對機(jī)架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響。
在實(shí)際運(yùn)行工況下,帶式輸送機(jī)工作轉(zhuǎn)速頻率應(yīng)盡量避開這三個諧振頻率,尤其是對機(jī)架諧振響應(yīng)最為敏感的30.7Hz。為機(jī)架結(jié)構(gòu)改進(jìn)和動力學(xué)設(shè)計提供了技術(shù)思路,有助于帶式輸送機(jī)的減振降噪和高速化發(fā)展。