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液压闸式剪板机的模态分析


发布时间:2018-06-04 07:16:42  点击次数:3246  来源:江海集团信息部
 

闸式剪板机的模态分析

机架是剪板机的关键部件,在剪板机的设计过程中,机架必须有足够的刚度和静强度来达到剪板机装配要求和使用要求,在此基础上,为了控制剪板机运行过程中的噪声和振动,机架还必须具有合理的动态特性。如果在机架的设计过程中,只考虑机架结构的刚度和静强度,极有可能导致机架的局部结构设计不合理,继而在运行过程中产生共振和噪声,影响剪板机的剪切精度。模态分析是确定结构的振动特性的一种有效的分析方法,通过对结构进行模态分析,可以有效的确定结构的振型、振型参与系数和固有频率[10]。本章对 QC11Y-16×2500 型液压闸式剪板机机架进行模态分析,提取机架的前十阶固有频率以及相应振型,为后续结构优化设计提供理论参考依据。

1 模态分析理论基础

剪板机的机架结构是剪板机的重要组成部件,对机架结构进行模态分析是结

构设计的重要内容,同时模态分析主要与机架结构的材料特性和本身特性有直接

关系,外界因素不对模态分析产生影响。模态参数的导出是模态分析的重要研究

内容,它可以通过模型的刚度矩阵、阻尼矩阵和质量矩阵导出[52]。模态分析的数

学模型可以表示为[36]:

M u C u K u F (4.1)

如果在理论计算中不将结构阻尼和结构外载荷考虑在内,那么数学模型简化为:

M u K u  0 (4.2)
它的解为:
u  e w  cos wt  sin wt (4.3)


振型方程为:
K  M w2   0 (4.4)

转化为求广义特征值的问题,求解后得到的 n 个特征解就表示了 n 个固有频率和 n 个固有振型。

有限元模态分析的目的是:将模拟分析得到的固有频率与机架的工作频率进

行对比分析,进一步校核剪板机结构的振动稳定性,并对模拟得到的固有振型进

行分析,判断出在剪板机的运行过程中容易因为疲劳而发生破损的区域。因此,

对机架结构进行模态分析是剪板机动态设计和剪板机故障诊断的一种重要方法。

2 模态的提取方法

在ANSYS 的模态分析中,它给用户提供了 7 种计算方法[54],但使用何种模态提取方法主要取决于两个方面,一个方面是模型的大小,另外一方面是具体应

用场合。一般来说,分块兰索斯法、子空间法、凝聚法和动力学法比较常用。分块兰索斯法自动采用稀疏矩阵方程来求解,其主要特点为:输入参数少、应用范围广、计算速度快、求解结果准确。因此,本文采用分块兰索斯法对求解后的机架模型提取模态。

3 剪板机机架的模态分析

3.1 建立机架有限元模型

对机架进行模态分析使用的模型与第三章静力学分析时使用的模型相同。对

机架结构进行模态分析时,有两种定义方式,一种是对材料的密度、泊松比和弹

性模量进行定义,另一种是对材料的质量和刚度进行定义[22],本文采用第一种定

义方式。材料参数可以参照表 3.2 所示。

3.2 加载及求解

模态分析主要包括:模态分析类型定义、载荷施加、设置扩展模态和固有频

率求解。在得到初始解的基础上,为了得到各阶的频率和相应的振型,需要继续

对模态进行扩展求解[55]。

在模态分析的载荷施加过程中,零位移约束是分析中的唯一有效的载荷,其

他各种类型的载荷在对结构分析时可以施加,但在提取模态的过程中会被自动忽

略。因此,与在静力学分析中一样,对机架底部的四个地脚螺栓进行全约束处理。

3.3 扩展模态

扩展模态几乎适用于所有模态提取法所得到的振型,扩展的实质是将振型写

入结果文件中,因此必须先扩展模态,才能在处理中查看振型。本文需要求得机

架结构的前 10 阶固有频率,因此设置扩展模态数为 10,并且在固有频率范围设置模块中,我们假设范围为 0~10000Hz,进行求解。

3.4 模态分析结果

经过模态分析,提取机架前十阶振型,如图 4.1 所示。图中的 X 轴方向为机

架模型的纵向方向,即实际剪切过程中板料的进给方向;Y 轴方向为机架模型的

竖直方向,即实际剪切过程中上刀架的运动方向;Z 轴方向为机架模型的横向方

向,即实际剪切过程中的剪切走线方向。

一阶振型 二阶振型

三阶振型 四阶振型

五阶振型 六阶振型

七阶振型 八阶振型

九阶振型 十阶振型


经过模态分析,机架的各阶频率及振型特点见表 4.1。

表 4.1 前十阶振型振动特点

Tab.4.1 Vibration characteristics of the first ten order modes


阶数 固有频率 振幅 最大振幅位置 振型
(HZ) (mm)

1 16.28 1.46 左墙板后上端 左右墙板沿 Z 方向向机架外测弯曲摆动
2 17.24 1.10 右墙板后上端 左右墙板沿 Z 方向向机架内测弯曲摆动
3 27.81 2.25 左右墙板后上端 机架上半部分沿 Z 方向扭转摆动
4 32.67 1.88 外压板中部 机架上半部分沿 Y 方向中间向上翘曲摆动
5 49.35 2.15 工作台后立板中部 工作台沿 Y 方向中间向上翘曲摆动
6 56.54 1.79 外压板中上端 外压板和左右油缸沿 Y 方向上下扭转摆动
7 57.81 1.96 外压板中下端 外压板沿 Y 方向中间向下翘曲摆动
8 60.35 1.25 工作台面板中部 工作台面板沿 Y 方向中间向上翘曲摆动
9 73.33 3.31 外压板中下端 外压板下半部分沿 Y 方向中间向下翘曲摆动
10 76.41 1.45 左右墙板和外压板 左右墙板和外压板沿 Y 方向上下扭转摆动

4 结果分析

由上节的求解结果可以得出:

1.剪板机机架振动变形主要发生在左右墙板后上半部分、工作台面板和外压

板,因此,在剪切过程中,这几个部件易发生疲劳破损。

2.在频率为 73.33Hz 时,机架的振幅最大,为 3.31mm,对剪板机的剪切精度

有一定影响,同时在其他频率下,机架的振幅都较小。

3.前两阶振型的特点主要表现为剪板机的横向和纵向振动,第三阶和第六阶

振型表现为剪板机的转动,其他的振型的规律就不再明显。

4.在频率为 32.67、60.35Hz 时,振动变形对机架外压板的影响较大,外压板

分别发生沿 Y 方向的中间向上翘曲摆动和沿 Y 方向的中间向下翘曲摆动,但由

于外压板在剪板机中的作用不大,所以其振动变形对剪板机的剪切质量影响不

大,因此,该频率下的振动变形对剪切精度的影响不大。

5.在频率为 56.54、76.41Hz 时,机架外压板和油缸发生扭转摆动,由于液压

油缸在剪切时起推动上刀架剪切板料的作用,所以其振动变形对剪板机的剪切质

量影响较大,且该频率下的振动变形对剪切精度的影响较大。

由分析结果可知,剪板机的前十阶固有频率中,在第六阶固有频率,第九阶

固有频率和第十阶固有频率,机架出现一定的振动变形,且外压板和油缸发生扭

转摆动,对剪板机的剪切精度造成影响,影响了金属板料的剪切质量。同时,由

于油箱和工作台后面板的刚度相对较低,所以在剪切过程中更易发生共振。在工

程应用中,QC11Y-16×2500 型液压闸式剪板机最多每分钟剪切 14 次,因此其最

大工作频率为 0.07 Hz,远远小于机架第一阶主振频率,因此不会发生机架的共

振。如果需要提高工作效率,即提高剪板机的剪切速度,提高剪板机的工作频率,

应当避开对剪切精度影响较大的固有频率,否则有可能引起关键结构位置的振动

变形,降低剪板机的剪切质量。

在实际生产过程中,剪板机的结构大部分为钢板结构,各个钢板结构采用焊

接的方式拼接组合,钢板与钢板的焊缝处存在焊接残余应力,常用方法是对剪板

机采用振动的形式消除焊接残余应力。在选择激振频率时,往往采用模型的低阶

固有频率,激振点通常位于钢板与钢板的焊缝处。因此,在剪板机的设计阶段,

对剪板机进行动力学模态分析,知道剪板机结构的固有频率和振型,对消除钢板


与钢板的焊缝处的焊接残余应力有着重要意义[8]。

5 本文小结

本文首先简要介绍了模态分析的基本理论,运用分块兰索斯法提取机架结构

的前十阶固有频率和相应振型。详细分析对机架影响较大的振型,比较机架在工

程实际应用中的剪切工作频率与固有频率。通过模态分析,进一步确保了该型号

剪板机的质量,并了解了设备易发生损坏的区域,为之后的结构优化提供了参考。

 

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