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液壓閘式剪板機的模態分析


發布時間:2018-06-04 07:16:42  點擊次數:3613  來源:江海集團信息部
 

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液壓閘式剪板機的模態分析

機架是剪板機的關鍵部件,在剪板機的設計過程中,機架必須有足夠的剛度和靜強度來達到剪板機裝配要求和使用要求,在此基礎上,為了控制剪板機運行過程中的噪聲和振動,機架還必須具有合理的動態特性。如果在機架的設計過程中,只考慮機架結構的剛度和靜強度,極有可能導致機架的局部結構設計不合理,繼而在運行過程中產生共振和噪聲,影響剪板機的剪切精度。模態分析是確定結構的振動特性的一種有效的分析方法,通過對結構進行模態分析,可以有效的確定結構的振型、振型參與系數和固有頻率[10]。本章對 QC11Y-16×2500 型液壓閘式剪板機機架進行模態分析,提取機架的前十階固有頻率以及相應振型,為后續結構優化設計提供理論參考依據。

1 模態分析理論基礎

剪板機的機架結構是剪板機的重要組成部件,對機架結構進行模態分析是結

構設計的重要內容,同時模態分析主要與機架結構的材料特性和本身特性有直接

關系,外界因素不對模態分析產生影響。模態參數的導出是模態分析的重要研究

內容,它可以通過模型的剛度矩陣、阻尼矩陣和質量矩陣導出[52]。模態分析的數

學模型可以表示為[36]:

M u C u K u F (4.1)

如果在理論計算中不將結構阻尼和結構外載荷考慮在內,那么數學模型簡化為:

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


振型方程為:
K  M w2   0 (4.4)

轉化為求廣義特征值的問題,求解后得到的 n 個特征解就表示了 n 個固有頻率和 n 個固有振型。

有限元模態分析的目的是:將模擬分析得到的固有頻率與機架的工作頻率進

行對比分析,進一步校核剪板機結構的振動穩定性,并對模擬得到的固有振型進

行分析,判斷出在剪板機的運行過程中容易因為疲勞而發生破損的區域。因此,

對機架結構進行模態分析是剪板機動態設計和剪板機故障診斷的一種重要方法。

2 模態的提取方法

在ANSYS 的模態分析中,它給用戶提供了 7 種計算方法[54],但使用何種模態提取方法主要取決于兩個方面,一個方面是模型的大小,另外一方面是具體應

用場合。一般來說,分塊蘭索斯法、子空間法、凝聚法和動力學法比較常用。分塊蘭索斯法自動采用稀疏矩陣方程來求解,其主要特點為:輸入參數少、應用范圍廣、計算速度快、求解結果準確。因此,本文采用分塊蘭索斯法對求解后的機架模型提取模態。

3 剪板機機架的模態分析

3.1 建立機架有限元模型

對機架進行模態分析使用的模型與第三章靜力學分析時使用的模型相同。對

機架結構進行模態分析時,有兩種定義方式,一種是對材料的密度、泊松比和彈

性模量進行定義,另一種是對材料的質量和剛度進行定義[22],本文采用第一種定

義方式。材料參數可以參照表 3.2 所示。

3.2 加載及求解

模態分析主要包括:模態分析類型定義、載荷施加、設置擴展模態和固有頻

率求解。在得到初始解的基礎上,為了得到各階的頻率和相應的振型,需要繼續

對模態進行擴展求解[55]。

在模態分析的載荷施加過程中,零位移約束是分析中的唯一有效的載荷,其

他各種類型的載荷在對結構分析時可以施加,但在提取模態的過程中會被自動忽

略。因此,與在靜力學分析中一樣,對機架底部的四個地腳螺栓進行全約束處理。

3.3 擴展模態

擴展模態幾乎適用于所有模態提取法所得到的振型,擴展的實質是將振型寫

入結果文件中,因此必須先擴展模態,才能在處理中查看振型。本文需要求得機

架結構的前 10 階固有頻率,因此設置擴展模態數為 10,并且在固有頻率范圍設置??櫓?,我們假設范圍為 0~10000Hz,進行求解。

3.4 模態分析結果

經過模態分析,提取機架前十階振型,如圖 4.1 所示。圖中的 X 軸方向為機

架模型的縱向方向,即實際剪切過程中板料的進給方向;Y 軸方向為機架模型的

豎直方向,即實際剪切過程中上刀架的運動方向;Z 軸方向為機架模型的橫向方

向,即實際剪切過程中的剪切走線方向。

一階振型 二階振型

三階振型 四階振型

五階振型 六階振型

七階振型 八階振型

九階振型 十階振型


經過模態分析,機架的各階頻率及振型特點見表 4.1。

表 4.1 前十階振型振動特點

Tab.4.1 Vibration characteristics of the first ten order modes


階數 固有頻率 振幅 最大振幅位置 振型
(HZ) (mm)

1 16.28 1.46 左墻板后上端 左右墻板沿 Z 方向向機架外測彎曲擺動
2 17.24 1.10 右墻板后上端 左右墻板沿 Z 方向向機架內測彎曲擺動
3 27.81 2.25 左右墻板后上端 機架上半部分沿 Z 方向扭轉擺動
4 32.67 1.88 外壓板中部 機架上半部分沿 Y 方向中間向上翹曲擺動
5 49.35 2.15 工作臺后立板中部 工作臺沿 Y 方向中間向上翹曲擺動
6 56.54 1.79 外壓板中上端 外壓板和左右油缸沿 Y 方向上下扭轉擺動
7 57.81 1.96 外壓板中下端 外壓板沿 Y 方向中間向下翹曲擺動
8 60.35 1.25 工作臺面板中部 工作臺面板沿 Y 方向中間向上翹曲擺動
9 73.33 3.31 外壓板中下端 外壓板下半部分沿 Y 方向中間向下翹曲擺動
10 76.41 1.45 左右墻板和外壓板 左右墻板和外壓板沿 Y 方向上下扭轉擺動

4 結果分析

由上節的求解結果可以得出:

1.剪板機機架振動變形主要發生在左右墻板后上半部分、工作臺面板和外壓

板,因此,在剪切過程中,這幾個部件易發生疲勞破損。

2.在頻率為 73.33Hz 時,機架的振幅最大,為 3.31mm,對剪板機的剪切精度

有一定影響,同時在其他頻率下,機架的振幅都較小。

3.前兩階振型的特點主要表現為剪板機的橫向和縱向振動,第三階和第六階

振型表現為剪板機的轉動,其他的振型的規律就不再明顯。

4.在頻率為 32.67、60.35Hz 時,振動變形對機架外壓板的影響較大,外壓板

分別發生沿 Y 方向的中間向上翹曲擺動和沿 Y 方向的中間向下翹曲擺動,但由

于外壓板在剪板機中的作用不大,所以其振動變形對剪板機的剪切質量影響不

大,因此,該頻率下的振動變形對剪切精度的影響不大。

5.在頻率為 56.54、76.41Hz 時,機架外壓板和油缸發生扭轉擺動,由于液壓

油缸在剪切時起推動上刀架剪切板料的作用,所以其振動變形對剪板機的剪切質

量影響較大,且該頻率下的振動變形對剪切精度的影響較大。

由分析結果可知,剪板機的前十階固有頻率中,在第六階固有頻率,第九階

固有頻率和第十階固有頻率,機架出現一定的振動變形,且外壓板和油缸發生扭

轉擺動,對剪板機的剪切精度造成影響,影響了金屬板料的剪切質量。同時,由

于油箱和工作臺后面板的剛度相對較低,所以在剪切過程中更易發生共振。在工

程應用中,QC11Y-16×2500 型液壓閘式剪板機最多每分鐘剪切 14 次,因此其最

大工作頻率為 0.07 Hz,遠遠小于機架第一階主振頻率,因此不會發生機架的共

振。如果需要提高工作效率,即提高剪板機的剪切速度,提高剪板機的工作頻率,

應當避開對剪切精度影響較大的固有頻率,否則有可能引起關鍵結構位置的振動

變形,降低剪板機的剪切質量。

在實際生產過程中,剪板機的結構大部分為鋼板結構,各個鋼板結構采用焊

接的方式拼接組合,鋼板與鋼板的焊縫處存在焊接殘余應力,常用方法是對剪板

機采用振動的形式消除焊接殘余應力。在選擇激振頻率時,往往采用模型的低階

固有頻率,激振點通常位于鋼板與鋼板的焊縫處。因此,在剪板機的設計階段,

對剪板機進行動力學模態分析,知道剪板機結構的固有頻率和振型,對消除鋼板


與鋼板的焊縫處的焊接殘余應力有著重要意義[8]。

5 本文小結

本文首先簡要介紹了模態分析的基本理論,運用分塊蘭索斯法提取機架結構

的前十階固有頻率和相應振型。詳細分析對機架影響較大的振型,比較機架在工

程實際應用中的剪切工作頻率與固有頻率。通過模態分析,進一步確保了該型號

剪板機的質量,并了解了設備易發生損壞的區域,為之后的結構優化提供了參考。

 

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