精梳機支承結構動力學分析及其改進

李妍姝

（山西大同大學煤炭工程學院，山西大同，037000）

精梳機支承結構動力學分析及其改進

李妍姝

（山西大同大學煤炭工程學院，山西大同，037000）

精梳機支承結構的改進有利于精梳機精度的提高，意義重大。建立了精梳機支承結構CAD及CAE模型，通過有限元方法開展了動力學研究，得到了穩態響應特性。基于上述分析，提出了增加加強板條的改進方案，并與改進前的方案進行了對比。結果表明：結構改進后的固有頻率值普遍提高30%左右，有助于解決精梳機提速后普遍存在的振動強、噪聲大的問題，促進了新型紡織機械研究工作的開展。

精梳機；支承結構；動力學；有限元；固有頻率

引言

精梳機支承結構是精梳機的重要組成部分，承載著所有零件、載荷及動反力作用。精梳機工作時往復運動零件的動反力及旋轉零件的離心力均由支承結構所承受，因此支承結構強度直接制約精梳機精度[1]。通過建立精梳機支承結構的CAD、CAE模型，進而對支承結構進行動力學分析，有助于改進方案的提出。

1 支承結構CAD三維模型

精梳機支承結構為墻板與聯接軸組合式，通過Solidworks軟件建立三維模型，如圖1所示。其中，支承結構主要由墻板、固連軸、固連板，以及錫林軸、上下鉗板軸、喂卷羅拉軸、分離羅拉軸等零部件組成。

圖1 精梳機支承結構CAD三維實體模型

支承結構所承受的載荷主要來源于精梳機鉗板機構的往復運動。通過ADAMS建立虛擬樣機運動模型，并進行動態仿真，以進一步分析確定支承結構系統所承受的載荷。圖2所示為精梳機主運動機構的虛擬樣機，當工作速度為改進前的最高350鉗次/min時，支承結構受力最大的承載點為錫林軸孔處，在X方向上的載荷峰值為1 440 N，在Y方向上的載荷峰值為1 410 N，總載荷為2 015.36 N，其整個周期的X方向、Y方向受力情況如圖3所示。

圖2 精梳機主運動機構的虛擬樣機

圖3 錫林軸孔處受力

2 支承結構系統簡化及其CAE模型

CAD模型能夠完整地表述機械結構的細節和特征，但若要進行CAE分析，還需對CAD模型進行合理簡化，使模型更好地適應CAE計算分析要求。支承結構系統動態特性主要取決于其前幾階低階模態，因此對模型進行簡化時，主要考慮對前五階模態的影響程度[2]。

2.1 板殼簡化

對于板殼零件，既可采用實體單元簡化，又可采用殼單元簡化。采用實體單元時，四面體單元劃分適應性較高，適合各種模型，而六面體單元劃分求解精度較高，因此通常可采用四面體與六面體結合的劃分方法。采用殼單元進行簡化分析時，三角形單元或四邊形單元劃分均為合理的，但在有限元分析中，采用殼單元時的結構應變能必須高于采用實體單元時的應變能，這是由于殼單元限制的單元自由度更多[2]，因此綜合考慮，采用殼單元簡化。

2.2 孔簡化

若板的厚∶長∶寬≤1∶10∶10，選用殼單元（SHELL63）分析有孔和無孔情況下的前五階固有頻率，記錄ANSYS模態分析結果，根據式(1)計算誤差，繪制固有頻率相對誤差曲線，如圖4所示。

其中，fy——有孔時的固有頻率；

fw——無孔時的固有頻率；

基于機械創新設計大賽的卓越工程師培養模式是一種全新工程師培養模式的探索，它基于大學生機械創新設計大賽這個學科競賽，其目的不僅僅局限于只是比賽，而是要以賽促教、以賽促學。在這種培養模式中，卓越工程師是培養的目的、方向，學科競賽是途徑與方法，兩者互為動力，缺一不可。概括起來有以下幾方面：

n——固有頻率階次。

圖4 固有頻率相對誤差曲線圖

由相對誤差可知，最大誤差隨著孔半徑的增大而增大。當孔在板的中心位置時，若滿足：孔半徑∶板長∶板寬≤1∶10∶10，則err<5%，可略去小尺寸孔。

2.3 組合結構簡化

梁板組合結構是工程中的常見結構。對于復雜結構，可在保持精度的前提下采用不同單元組合的方法。組合形式可分為“梁截面對稱于板中面”和“梁截面非對稱于板中面”兩種，分別采用“實體單元”和“殼單元與梁單元組合”兩種方式進行模態仿真分析，取前五階固有頻率。

當梁對稱分布于板的兩側時，前五階固有頻率中的第4階為最大誤差：5.98%；當梁均勻分布在板的一側時，前五階固有頻率中的第3階為最大誤差，是5.37%。因此，可以認為采用殼單元與梁單元組合分析梁板組合結構較為合理。

2.4 軸類零件簡化

在有限元分析中，采用梁單元時系統應變能較高，采用實體單元分析時反之，這是由于梁單元限制的單元自由度更多[3]。因此采用梁單元分析得到的固有頻率比實體單元分析結果略高。

3 支承結構動力學分析

3.1 模態分析

模態分析是動力學分析中的重要問題，結構自身的剛度和質量分布決定了結構的固有頻率和振型。得到以上數據，可在設計時即避免共振的發生。

n個自由度的系統，有n階固有頻率和n個相對應的主振型。在已建實體CAE有限元模型的基礎上添加邊界條件：

（1）在車頭墻板錫林軸孔、上下鉗板軸孔等位置約束軸向運動。

（2）在車頭墻板處的錫林軸、上下鉗板軸、前后分離羅拉軸和三根機架定位軸的端面約束三個自由度。

（3）在車尾墻板處的喂卷羅拉軸、毛刷軸和三根機架定位軸的端面約束三個自由度。

（4）約束所有地腳底面的三個自由度。

通過ANSYS進行模態分析，可得前五階固有頻率分別為14.768 Hz，42.403 Hz，47.056 Hz，47.186 Hz和47.363 Hz。其中第一階固有振型如圖5所示。可以觀測出第6塊、第7塊墻板變形最為明顯。

圖5 模態分析中的第一階振型

3.2 穩態響應分析

機構受到外界載荷作用時產生的振動響應可分為瞬態響應和穩態響應。在啟動和停車時，支承結構呈現瞬態響應，而在機器持續運轉時，支承結構可簡化為穩態響應。

在ANSYS中編寫APDL程序加載周期性變化載荷。通過ANSYS瞬態分析模塊求解多個周期獲得系統的穩態響應[5]。由分析結果可知，從第8個周期開始，兩個周期響應趨于相等，即為支承結構的穩態響應。而在整個精梳機支承結構周期穩態振動響應中，第一階模態起主導作用。

4 結構改進方案

由動力學分析可知，改進方案應基于模態分析得出的第一階振型，以加強結構剛性并提高系統固有頻率。基于上述考慮，采用以下改進方案：在墻板振幅最大位置處增加一塊加強板條（橫截面20 mm×10 mm），以加強板條與9塊墻板的聯接。按照上述步驟和前3章思路——首先建立CAD模型，進而簡化建立CAE模型，最后對改進后的支承結構再次進行模態分析，得出前五階固有頻率和改進后系統固有頻率的增率對比，如表1所示。

表1 結構改進前后前五階固有頻率值

由分析結果可知，本方案顯著提高了固有頻率，有利于減少精梳機提速后的振動和噪音，因此改進方案有效。

5 結論

以結構動力學理論和有限元分析為基礎，建立了支承結構的CAD模型，通過合理簡化，將實體模型轉化為CAE模型，進而建立有限元模型，對精梳機支承結構進行模態分析與穩態響應分析，得出了穩態響應特性。最后，對支承結構提出了有效的改進方案，提高了系統的固有頻率，較好地解決了精梳機在提速后振動強、噪聲大的問題，促進了新型紡織機械研究工作的開展。

[1]梁金娟, 陽明慶, 張偉, 等. 精梳機主軸箱系統振動分析與控制[J]. 噪聲與振動控制, 2008, 28(4): 27-30.

[2]黃華. 精梳機支承結構系統的動力學性能分析[D]. 上海: 東華大學, 2011: 46-58.

[3]程凱. 復雜機構的CAE分析方法研究[D]. 天津: 天津大學, 2007: 18-24.

[4]張穎艷. 高效精梳機支承系統的動態載荷分析與結構優化設計[D]. 上海: 東華大學, 2013: 25-32.

[5]劉鵬展, 賈國欣, 任家智. 精梳機鉗板機構的振動分析[J]. 紡織學報, 2015, 36(9): 108-113.

Dynamic Analysis and Improvement on Supporting Structure of Combing Machine

LI Yan-shu
(School of Coal Engineering, Shanxi Datong University, Datong, Shanxi,037000, China)

The improvement on supporting structure has big implications for precision enhancement of combing machine. Firstly, CAD and CAE models of the supporting structure are established. Based on the Finite Element Method, dynamic investigations are performed to obtain the static responses. Further, an improved scheme for strengthened slab is put forward for comparison with previous scheme. The results show that the natural frequencies generally increase up to 30%, which effectively solves the obvious vibration and noise after acceleration of combing machine, promoting the development of research work on new textile machinery.

Combing Machine; Supporting Structure; Dynamics; Finite Element Method; Natural Frequency

TH113.1

A

2095-8412 (2016) 06-1148-03

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.025

李妍姝(1987-)，女，工學碩士，山西大同大學煤炭工程學院助教。研究方向：機械設計及優化設計。

E-mail：lys19870119@126.com