壓絲輥模態分析與優化設計

毛新華， 黃婷婷

（北京中麗制機工程技術有限公司，北京101111）

0 引言

化纖長絲卷繞機設計的紡絲線速度一般為2500～3500 m/min，對應的工作頻率范圍是150～220 Hz，作為化纖長絲卷繞機關鍵部件的壓絲輥需要具有較寬的工作頻率范圍，受壓絲輥結構固有頻率影響，其在工作過程中容易產生結構共振問題，而其振動特性直接影響著絲餅的成型特性和長絲的品質以及卷繞機設備的工作壽命[1]。目前生產使用的壓絲輥結構在設計工作頻率范圍內存在著結構共振問題，不能滿足寬頻工作的設計要求，因此優化壓絲輥結構避免因結構引起的共振問題，對于提升卷繞機卷繞壽命和絲餅性能有著現實意義[2]。

本文首先對現有壓絲輥結構進行了模態仿真分析，得到了現有壓絲輥結構的模態頻率和模態振型，分析影響壓絲輥結構共振的主要頻率，然后通過優化壓絲輥的結構參數，使其結構的模態頻率滿足設計要求，通過錘擊實驗測得優化后的壓絲輥結構模態頻率與仿真結果相一致，避免了壓絲輥結構在設計工作頻率范圍內的共振問題，提高了卷繞機工作頻率范圍和絲餅品質[3]。

1 現有壓絲輥結構與模態分析

1.1 現有壓絲輥結構

現有壓絲輥是空心圓筒結構，根據壓絲輥的結構和工作特點，在保持其力學性能不變的條件下，對壓絲棍的結構進行簡化，簡化后的結構如圖1所示，其中，壓絲輥長為1500 mm，直徑為φ95mm，壁厚為16 mm，材料為40Cr，材料密度為7.85 g/cm3，彈性模量為211 GPa，泊松比為0.277。

圖1 壓絲輥結構示意圖

1.2 現有壓絲輥模態分析

根據壓絲輥結構，采用SolidWorks 2017軟件進行三維參數化建模，然后在Solid Works Simulation中進行有限元模態頻率仿真計算。為使壓絲輥接近實際工作狀況，壓絲輥兩端選定軸承支撐作為約束條件，然后進行網格劃分，并進行模態頻率計算[4]。其前6階模態頻率如表1所示，對應的模態振型如圖2所示。

圖2 空心壓絲輥振型圖

化纖長絲卷繞機中，壓絲輥的設計工作頻率范圍是150～220 Hz。根據上述壓絲輥模態分析的結果可知，現有壓絲輥的4階模態頻率212.95 Hz、5階模態頻率213.62 Hz和6階模態頻率218.32 Hz均在壓絲輥設計工作頻率的范圍內，容易引起壓絲輥結構共振，從而影響絲餅成型性能和卷繞機設備壽命。

2 壓絲輥結構優化

要避免壓絲輥在工作頻率范圍內出現共振問題，須使壓絲輥各階模態頻率均不能在其工作頻率范圍內，因此，需要優化壓絲輥結構參數，改變其模態頻率。壓絲輥模態頻率ωn的計算公式為

式中：Keq為壓絲輥的等效剛度；Meq為壓絲輥的等效質量。

根據壓絲輥結構的模態頻率計算公式可知，減小壓絲輥質量或增大壓絲輥的剛度均可以有效改變其模態頻率。因壓絲輥在工作中需要依靠自重對絲餅產生一定的壓力，故應通過增大壓絲輥的結構剛度來提高其4～6階的模態頻率[5]。通過改變壓絲輥的直徑和壁厚，經過Solid Works Simulation模態分析，得到了壓絲輥直徑為φ85 mm實心壓絲輥的模態頻率均不在工作頻率150～220 Hz范圍內，可以滿足設計要求。直徑為φ85 mm實心壓絲輥的模態頻率如表2所示，對應的振型如圖3所示。

3 壓絲輥模態實驗

壓絲輥實驗模態系統由激勵系統、拾振系統、數據采集和信號分析系統組成，采用力錘激勵方法，2個ICP加速度傳感器分別采集壓絲輥水平和豎直方向上的響應信號[6]，實心壓絲輥模態實驗現場如圖4所示，采用DASP V10智能數據采集和信號處理分析儀對敲擊響應信號進行傳遞函數FRF計算[7]，得到直徑為φ85 mm實心壓絲輥的模態頻率如表3所示。直徑為φ85 mm實心壓絲輥模態頻率的仿真和實驗對比結果如圖5所示。

表2 φ85 mm實心壓絲輥各階固有頻率

圖3 φ85 mm實心壓絲輥振型圖

圖4 實心壓絲輥模態實驗

根據圖5可知，壓絲輥模態仿真結果與實驗結果基本一致，且壓絲輥的各階模態頻率均不在其工作頻率范圍內，故該結構的壓絲輥具有較寬的工作頻率，能夠滿足壓絲輥的設計要求。

表3 φ85 mm實心壓絲輥前6階模態頻率實驗結果

圖5 φ85 mm實心壓絲輥模態頻率仿真與實驗對比結果

4 結 論

針對現有壓絲輥結構不能滿足卷繞機寬頻設計的工作要求，對壓絲輥進行了模態仿真分析和結構參數優化，得知直徑為φ85 mm實心壓絲輥的各階模態頻率均不在其工作頻率150～220 Hz范圍內，根據直徑為φ85 mm實心壓絲輥模態實驗結果，驗證了壓絲輥模態仿真結果的正確性，使得壓絲輥滿足了的工作頻率設計要求，提高了卷繞機工作頻率帶寬范圍。

[參考文獻]

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