基于SolidWorks的移動式動車組清洗機機架的模態分析

張鴻　周瑜哲

摘要：針對目前動車組在檢修庫內的外皮清洗普遍采用人工清洗的特點，設計一款移動式動車組清洗機，可有效提升清洗質量，降低人工成本，提高經濟效益。并采用SolidWorks軟件建立清洗機的三維模型，運用simulation模塊通過有限元方法對清洗機機架進行模態分析，得到機架在各階頻率下的模態形式，為機架的優化設計提供參考。

關鍵詞：SolidWorks;清洗機;模態分析

0? 引言

目前，動車組在檢修庫內進行清洗時普遍采用人工清洗，將平板拖把綁上水管在外皮上來回擦洗，傳統刷車方式如圖1所示，由于規定作業時間短，作業人數多，導致動車組外皮清洗人工成本高，利潤低，為此，參考了國外清洗機的產品形式，結合動車組外形特點以及動車組檢修庫內部環境，設計出一款動車組專用移動式清洗機，通過輥刷的豎向旋轉，產生離心力，使輥刷的刷毛與車體摩擦，從而清除表面污垢，清洗機外形如圖2所示，機器代替人工清洗，可有效降低人工成本，提高經濟效益。

清洗機在工作時，滾刷的旋轉有可能導致機架的振動，為提高清洗機的工作可靠性，利用SolidWorks simulation模塊對清洗機機架進行模態分析，模擬實際狀況進行加載，得到了機架的固有振動頻率，分析了各階頻率下機架的變形程度，為機架的優化設計提供參考數據。

1? SolidWorks軟件介紹

SolidWorks軟件集CAD/CAM/CAE于一體，基本實現了設計、分析、制造的一條龍解決方案，對于降低成本，縮短設計制造周期，實現虛擬裝配，事前分析具有非常重要的作用[1]。

2? 模態分析

2.1 振動理論分析

我們知道，不同結構的物體都有不同的固有振動頻率，當外界激振頻率與固有頻率一致時物體就會產生振動，其表現出來的振動形態，稱為振動模態[2]。由結構動力學分析可知有阻尼的交迫振動方程為

式（1）為一組二階常系數齊次線性微分方程組，其中[M]、[C]、[K]分別為系統的質量矩陣、阻尼矩陣及剛度矩陣，{x}為系統各點的位移響應向量，{F}為系統各點的激振力向量。求出{x}即可知道結構的振動模態。若系統節點數為n，每個節點有3個自由度，那么{x}為3n維向量，可得到3n個振動模態。在實際工程應用中，阻尼對結構的振型與頻率影響不大，因此，可以忽略阻尼，得到無阻尼的自由振動方程

式（2）為機架系統的無阻尼自由振動方程，其特征方程為

式（3）中？棕2為特征方程的特征值。

根據振動理論可知，特征值的平方根就是一個振動系統的固有頻率，所以解出式（3）就可以機架的固有頻率和振型[3]。

2.2 有限元模態分析過程

采用SolidWorks對清洗機進行三維建模，為便于計算和施加邊界條件，將實體模型簡化為機架、上軸承座、下軸承座、底座板、輪座板五個部分，簡化后的模型如圖3所示，并將其導入simulation模塊中。

2.2.1 參數設置

鋁合金型材具有密度小，重量輕，耐腐蝕，外觀靚麗，便于安裝，定位精度高的特點。因此該清洗機機架采用鋁合金型材，通過鋁合金型材和連接角碼的固定組合安裝而成。上軸承座、下軸承座、底座板采用耐腐蝕的不銹鋼材料，輪座板采用普通碳鋼材料，在模態分析界面將各材料的密度、彈性模量、泊松比等參數進行設置。

2.2.2 約束條件與載荷設置

為了模擬實際的工作狀態，將輪座板底面添加（固定幾何體）約束，各部件進行裝配時采用接合的方式，在下軸承座上表面添加300N豎直向下的作用力，并在其內圓面上設置100轉每分的離心力，用來模擬輥刷轉動時對機架的作用，在機架下部添加豎直向下的2000N的作用力，用來模擬電池對機架的作用。

2.2.3 劃分網格

網格劃分是將連續的實體模型分成有限個細小單元的過程[4]，為了保證網格的劃分質量，提高計算精度，采用基于曲率的網格劃分參數，將機架的所有鋁合金構件定義為梁單元，其他實體采用四面體網格，可有效提高分析速度。在連接處設置兼容性網格，網格品質為高品質，為機架設置全局接觸，使接觸區域的相鄰單元具有公共節點，進而促使邊界條件的連續性。單元大小為16.435mm，公差為0.699mm，節總數為19941個，單元總數10483個，網格生成后的有限元模型如圖4所示。

2.3 有限元模態分析結果

一般情況下，前幾階振動頻率對系統的影響較大，高階振動頻率對系統影響較小，因此提取前五階模態進行求解，并分析預應力作用下的變形情況。機架的前五階的振型云圖如圖5-圖9所示。其中，一階振型向整個機架向左側傾斜，自下上振幅越來越大，頂端的變形量最大，二階振型為機架上部向外張開，頂部中間向下變形。三階振型為扭轉變形，最大變形為上部前端。四階振型機架變形呈C形，最大變形位于中部軸承座以及橫梁上。五階振型與二階振型類似，較之幅度更大一些，最大變形也出現在頂部中間。由陣型圖可以看出，隨著階數的增加，變形量也增大，較多的時候變形發生在機架頂部。圖10列出的是機架的前五階共振頻率，最小的共振頻率為10.417赫茲，而清洗機的工作頻率為1.667赫茲，遠低于最小共振頻率，因此，輥子不會對車架產生共振。

3? 結論

本文對移動式動車組清洗機的設計進行簡要介紹，對生產工藝算是一項技術革新，可有效降低人工成本，提高生產率。并對此設備的機架進行了模態分析，得到了機架的前五階固有頻率和振型，隨著固有頻率的增加，振動產生的最大位移也提高，清洗機的作業頻率遠低于機架的最小共振頻率，所以清洗機不會產生振動。這可以為清洗機的配件優化設計提供參考。

參考文獻：

[1]韓慧斌.基于SolidWorks的復雜殼體造型和模態分析[J].煤炭技術，2015，34（2）：203-205.

[2]邱海飛.帶式輸送機機架動態分析與優化設計[J].煤礦機械，2012，33（6）：31-33.

[3]陳超祥，胡其登.SolidWorks simulation 高級教程[M].北京：機械工業出版社，2019，7：2-3.

[4]鄭祥，等.基于SolidWorks往復泵曲軸參數化建模及模態分析，2014，35（11）：273-275.