螺旋開溝機工作部件的模態(tài)分析

螺旋開溝機工作部件的模態(tài)分析

動態(tài)特征是指物體在運動狀態(tài)下表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)本身的固有特征的參數(shù)特征。螺旋開槽機的動態(tài)特征是指開槽機的工作部件的固有特性，如固有頻率、抗尼比和振幅，主要表現(xiàn)為打開孔的振動和噪聲。螺旋開溝機的工作環(huán)境相當惡劣,在開溝作業(yè)的過程中,工作部件會同時受到一定的扭矩和彎矩的作用,從而使得工作部件產(chǎn)生劇烈的振動,其振動形式復(fù)雜,由軸向振動、扭轉(zhuǎn)振動及彎曲振動混合而成,這些有害振動會直接影響開溝效率、開溝質(zhì)量以及螺旋開溝機的工作壽命。所以,很有必要對螺旋開溝機工作部件的動態(tài)特性進行研究。該研究通過模態(tài)分析試驗和有限元模態(tài)分析兩種方法來獲得工作部件的模態(tài)固有頻率、阻尼比和振型,避免發(fā)生共振。由于條件有限,無法對每一種結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺旋開溝機工作部件進行模態(tài)分析試驗,改進開溝機的結(jié)構(gòu)以防止發(fā)生共振?，F(xiàn)對一個右旋、螺距為110mm、厚度為3mm、外徑為150mm、內(nèi)徑為30mm、葉片高度為480mm的工作部件進行模態(tài)分析試驗,測得其固有頻率,將測得的結(jié)果和有限元模擬的結(jié)果進行對比,驗證有限元分析的正確性,指導(dǎo)和修正有限元分析的理論模型,使理論模型更加完善、合理,從而進一步利用ANSYS有限元軟件分析螺旋葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)對固有頻率的影響,選擇最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)來改變結(jié)構(gòu)的固有頻率和振動特性,對螺旋開溝機結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。1模態(tài)參數(shù)分析模態(tài)分析對于理解和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的固有動態(tài)特性至關(guān)重要,通過模態(tài)分析可以設(shè)計出更輕質(zhì)、更堅固和更安全的結(jié)構(gòu),從而降低能耗,提供更佳的性能。試驗?zāi)B(tài)分析通過測試來確定模態(tài)參數(shù),這有別于解析模態(tài)分析,解析模態(tài)分析中的模態(tài)參數(shù)來自于有限元模型(FEM)。試驗?zāi)B(tài)分析有兩種:傳統(tǒng)模態(tài)分析(EMA)和運行模態(tài)分析(OMA)。在傳統(tǒng)模態(tài)分析中,通過測量輸入力和結(jié)構(gòu)的輸出響應(yīng)計算出頻率響應(yīng)函數(shù)(或脈沖響應(yīng)函數(shù))。在運行模態(tài)分析中,只需要測量輸出響應(yīng),而無需測量輸入力,此次試驗選用運行模態(tài)分析方法進行模態(tài)試驗。1.1點隨機錘擊激勵試驗僅希望獲得工作部件螺旋葉片前5階模態(tài),將自由度數(shù)限制為7個,用柔性繩索將工作部件懸吊起來,在葉片外徑處沿螺旋面等間距安裝加速度計。選擇單點隨機錘擊激勵,OMA過程如圖1所示。OMA將激勵力信號近似為經(jīng)過濾波后的穩(wěn)態(tài)零均值高斯白噪聲,即不需要測量激勵力,這樣大大簡化了試驗過程,縮短了試驗時間,只需要從測量的響應(yīng)估計出組合系統(tǒng)的模型,然后再從組合系統(tǒng)的估計模型中提取結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模態(tài)模型。試驗裝置采用丹麥BK公司的3560D型結(jié)構(gòu)動態(tài)測試分析系統(tǒng)、7753型模態(tài)測試顧問軟件和7760型運行模態(tài)分析軟件,試驗裝置及連接如圖2所示,運行模態(tài)分析試驗流程如圖3所示。1.2結(jié)構(gòu)簡化及測點分布建立工作部件的簡化結(jié)構(gòu)模型,同時設(shè)置自由度,結(jié)構(gòu)簡化及測點分布如圖4所示。激勵時敲擊的力不需要太大,以免引起結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng),在整個測試時間內(nèi)共敲擊主軸6次,響應(yīng)如圖5所示。1.3基于add的精度參數(shù)提取在模態(tài)測試顧問的引導(dǎo)下,測試進行了約50s,試驗數(shù)據(jù)由PULSE數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)遞交給OMA并進行曲線擬合以提取模態(tài),OMA提供了時域和頻域分解方法來識別模態(tài)參數(shù),其中頻域分解方法又分為普通頻域分解方法(FDD)和增強的頻域分解方法(EFDD),試驗采用EFDD來進行模態(tài)參數(shù)的識別。EFDD是對奇異值分解譜函數(shù)執(zhí)行快速傅里葉逆變換(IFFT)來計算相關(guān)函數(shù),從相關(guān)函數(shù)估計出固有頻率和模態(tài)阻尼;從奇異矢量的加權(quán)和來估計模態(tài)振型。同時利用EFDD技術(shù)可以自動識別出確定性信號(諧波成分),并消除其影響。對所有數(shù)據(jù)平均規(guī)則化的功率譜密度矩陣奇異值進行峰值提取,結(jié)果如圖6所示。OMA利用振型相關(guān)性矩陣對識別到的模態(tài)進行校驗,采用模態(tài)置信準則(MAC)來估計。模態(tài)置信準則是兩個向量間對應(yīng)的相關(guān)系數(shù),MAC值描述了兩個模態(tài)之間的相關(guān)程度,評價標準是:同一物理模態(tài)的兩個向量的MAC值等于1,而不同模態(tài)的兩個向量間的MAC值一般應(yīng)比較小,由圖7可知,試驗數(shù)據(jù)的相關(guān)性比較好,可靠性也很高。2有限模型分析及結(jié)果驗證2.1材料模型及材料參數(shù)屬性ANSYS有限元模態(tài)分析主要包括4個部分:有限元模型的建立,模型的加載、約束施加及模型求解,模態(tài)的擴展,結(jié)果的驗證。對于工作部件有限元模型中單元類型的選擇,研究的SOLID95實體單元是8節(jié)點SOLID45的高階形式,該單元由20個節(jié)點定義,每個節(jié)點具有3個自由度,分別是節(jié)點在x、y、z方向的平動自由度。為了使提取得到的頻率單位為Hz,本研究的有限元模態(tài)分析選用ton-mm-s-N-MPa這一系列單位制。工作部件材料選用45號鋼,材料參數(shù)屬性如表1所示。采用自由劃分網(wǎng)格的方法對工作部件進行網(wǎng)格劃分,激活智能尺寸控制,選取6級劃分精度,由于網(wǎng)格質(zhì)量對有限元模態(tài)分析的結(jié)果影響不大,故不需要對網(wǎng)格進行局部細化,劃分的網(wǎng)格模型如圖8所示。為了驗證運行模態(tài)試驗的結(jié)果,在進行有限元模態(tài)分析時采用自由邊界,即對工作部件有限元模型不進行任何自由度限制。按照分塊蘭索斯法(Block-Lanczos)進行12階模態(tài)分析,設(shè)置頻率范圍為0~10000Hz,并進行求解。2.2模態(tài)頻率相對誤差的影響將有限元自由模態(tài)分析結(jié)果中的剛體模態(tài)和具有重根部分的模態(tài)固有頻率刪除,與OMA試驗得到的各階模態(tài)固有頻率進行對比,結(jié)果如表2所示。由表2可知,在第1階和第4階模態(tài)頻率相對誤差較大,其他階次頻率誤差均在3%以內(nèi),與OMA測得的頻率值相差不大。通過OMA試驗驗證了利用ANSYS建立的有限元理論模型和分析方法是正確的,這為工作部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供了有力的理論依據(jù),可大大節(jié)省人力、物力以及減小資金的投入,對螺旋開溝機的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。3邊界條件設(shè)置綜上所述,試驗測量的頻率和有限元模擬出來的頻率相差不大,驗證了ANSYS有限元分析的正確性。考慮到工作部件的安裝情況,自由模態(tài)分析不足以說明問題,由于工作部件主軸上端通過平鍵與減速器相連,同時軸上安裝有軸承,為了進一步研究螺旋開溝機的動態(tài)特性,對工作部件的自由模態(tài)分析的有限元模型添加相關(guān)約束,進行約束模態(tài)分析。約束主軸上分別與平鍵和軸承接觸的面的自由度為零,其余設(shè)置同自由模態(tài)分析,采用相同的方法對模態(tài)進行擴展,提取前10階模態(tài)。同時,利用ANSYS軟件分析不同參數(shù)對螺旋刀具固有頻率的影響,模擬單因素作用下螺旋葉片的內(nèi)徑、厚度和螺距這3個結(jié)構(gòu)參數(shù)對螺旋刀具固有頻率的影響。由圖9到圖11可知,工作部件的固有頻率隨著螺旋葉片內(nèi)徑和螺距的增加而增加;低階固有頻率隨著厚度的增大而減小,而高階固有頻率隨著厚度的增大而增大。適當改變這些參數(shù)對螺旋開溝機減振、降噪具有重要意義。4固有頻率對比實驗結(jié)果1)使用力錘激振的方法對雙軸立式螺旋開溝機的一個工作部件進行了運行模態(tài)測試,利用增強的頻域分解法(EFDD)識別出工作部件的前5階模態(tài)固有頻率,為驗證有限元模型提供依據(jù)。2)通過ANSYS軟件對立式螺旋開溝機工作部件進行自由模態(tài)分析,與OMA試驗結(jié)果進