臥式砂型鑄造機底座的動態(tài)特性分析

□ 張大鑫 □ 李 莉

同濟大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院 上海 201804

1 分析背景

臥式砂型鑄造機在工作時由于液壓壓實力和振搗棒工作會產(chǎn)生振動,進(jìn)而在鑄件表面形成振紋,降低鑄件的鑄造品質(zhì)。如果臥式砂型鑄造機振幅較大,可能會中斷壓實裝置、填砂裝置等的正常運行,造成臥式砂型鑄造機損壞。底座、填砂裝置、壓實裝置是臥式砂型鑄造機的重要部件,這些重要部件同時也是臥式砂型鑄造機的振動源。底座、填砂裝置、壓實裝置的動態(tài)特性和靜態(tài)特性決定了臥式砂型鑄造機鑄造鑄件的質(zhì)量和品質(zhì),也影響著臥式砂型鑄造機的使用壽命。由此可見,分析臥式砂型鑄造機底座的靜態(tài)特性和動態(tài)特性,可以為臥式砂型鑄造機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能優(yōu)化提供參考。筆者對臥式砂型鑄造機底座的動態(tài)特性進(jìn)行分析。

近年來,國內(nèi)技術(shù)人員對機械結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性進(jìn)行了分析,并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。汪青崟等[1]以C61450超重型數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為研究對象,使用有限元方法對車床床身的受力情況和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究,為超重型數(shù)控車床主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。陳葉林等[2]以磨床床身結(jié)構(gòu)為例,分析計算了床身的前六階固有頻率與振型,得到床身的筋板位置和尺寸對床身剛度的影響。王亮等[3]基于HyperMesh軟件對機床床身進(jìn)行網(wǎng)格劃分,建立有限元模型,進(jìn)而對床身進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化,并對床身輕量化設(shè)計方法進(jìn)行研究。李鎖斌[4]以SL-32數(shù)控車床為研究對象,分析求得主軸系統(tǒng)前三階固有頻率和振型,得到數(shù)控車床性能的分析依據(jù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。董惠敏等[5]通過研究臥式車床支承件的結(jié)構(gòu)與靜態(tài)特性,得出整體彎曲、傾覆、扭轉(zhuǎn),以及導(dǎo)軌局部彎曲是臥式車床中梁、板、箱體的主要變形。李小彭等[6]通過計算獲得精密車床工作時的齒輪嚙合振動頻率和主軸回轉(zhuǎn)振動頻率,研究在不同床身高度條件下床身固有頻率的變化趨勢。任偉萌等[7]基于HTC3650臥式數(shù)控車床,對車床床身進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析,識別出床身的總變形量與前四階固有頻率,并采用目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化方法對車床床身尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。胡振等[8]以SCK230數(shù)控螺紋車床為研究對象,對床身內(nèi)部筋板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化方案選擇,并對優(yōu)化方案中筋板厚度和孔徑進(jìn)行尺寸優(yōu)化,同時通過改變床身傾斜角度來改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。何文斌等[9]以某款純電動乘用汽車為研究對象,建立車架的有限元模型,利用振動測試系統(tǒng)對車架進(jìn)行模態(tài)試驗,分析車架的動態(tài)特性。鄧濤等[10]以立柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)為研究對象,提取多種筋板布局單元結(jié)構(gòu),應(yīng)用有限元分析軟件進(jìn)行分析計算,得到最優(yōu)筋板布局型式。黃紀(jì)剛等[11]對車床關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析,經(jīng)過計算求解,模擬各部件在實際工作時所受的應(yīng)力與應(yīng)變分布情況,并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2 動態(tài)特性分析步驟

因為臥式砂型鑄造機底座是一個彈性體,所以底座結(jié)構(gòu)不僅要具有合理的靜態(tài)性能,而且要具有良好且合理的動態(tài)性能。對于動態(tài)特性,主要分析有載荷作用時結(jié)構(gòu)的固有振動頻率、振型和振型模態(tài)相對位移量。

在臥式砂型鑄造機正常運行的情況下,分析底座的動態(tài)特性,可以驗證臥式砂型鑄造機振動的固有頻率和振幅,從而為優(yōu)化臥式砂型鑄造機結(jié)構(gòu)、避免共振提供理論依據(jù)。

基于有限元原理的臥式砂型鑄造機底座動態(tài)特性分析步驟如圖1所示,主要包括模型處理,單元劃分,載荷及邊界條件加載,ANSYS軟件計算,得到計算結(jié)果,進(jìn)行精度分析。

圖1 底座動態(tài)特性分析步驟

3 動態(tài)特性分析過程

3.1 幾何建模

由于有限元分析軟件自帶的建模功能處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型十分困難,加之臥式砂型鑄造機底座整體結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,因此先使用SolidWorks軟件建立底座的裝配體幾何模型,然后導(dǎo)入有限元分析軟件。在底座中,下側(cè)的支座支撐兩側(cè)頂端,光滑導(dǎo)桿和絲杠固定在頂端上,中間滑塊套在滑軌上,砂箱設(shè)置在滑塊上,螺桿位于頂端和墩座之間。在建立模型時,盡量使模型接近于真實實體。最終建立的底座幾何模型如圖2所示。

3.2 模型簡化

底座幾何模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,而且附帶一些小特征。這些小特征對底座整體性能的影響相對較小,但是在進(jìn)行網(wǎng)格劃分和計算時會增大難度,因此忽略這些小特征,包括小孔、倒角、圓角,以及對整體結(jié)構(gòu)影響較小的特征。其它部件作為底座的主要承載部件,均未做簡化處理。

圖2 底座幾何模型

3.3 單元精度選擇

有限元分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分時,需要確定單元精度,即單元的疏密程度。單元精度取決于網(wǎng)格劃分的疏密程度,而且單元精度在一定關(guān)系下會決定計算規(guī)模與計算精度。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時,一般遵循的準(zhǔn)則是均勻應(yīng)力區(qū)域粗劃,應(yīng)力梯度大區(qū)域細(xì)化。底座有限元模型的單元精度確定為3。

3.4 材料屬性設(shè)置

底座為鑄鐵鑄造件,通過查閱手冊確定彈性模量為1.35×108N/mm2,密度為7.3×103kg/m3,泊松比為0.25。

通過上述過程,得到底座網(wǎng)格劃分模型,如圖3所示。

圖3 底座網(wǎng)格劃分模型

3.5 邊界條件加載

模態(tài)分析分為兩種類型,分別為添加約束的約束模態(tài)分析和不添加約束的自由模態(tài)分析。應(yīng)用有限元分析軟件進(jìn)行模態(tài)分析時,不能隨意添加或減少約束。臥式砂型鑄造機的實際工況是,底座通過地腳螺栓固定在地面上。因此對底座與地面直接接觸的四個接觸面進(jìn)行全固定約束。為了避免模型剛度失真,不可以重復(fù)加載邊界約束條件。

最終建立的底座有限元模型如圖4所示。

圖4 底座有限元模型

3.6 分析結(jié)果

底座前六階動態(tài)特性分析結(jié)果見表1,前六階模態(tài)如圖5所示。

從總體上看,底座一階、二階、三階、四階模態(tài)振型為整體振型。一階模態(tài)振型為底座頂端繞X軸前后擺動,且大部分振動變形集中于底座頂端。臥式砂型鑄造機工作時的主要受力點位于砂箱和絲杠部位,集中于結(jié)構(gòu)低頻區(qū),一階模態(tài)振型容易被激勵,造成底座振動。但由于振幅比較小,因此對加工精度影響較小。當(dāng)然,底座頂端繞X軸前后擺動,容易造成臥式砂型鑄造機質(zhì)心偏移,導(dǎo)致臥式砂型鑄造機的壓實裝置和填砂裝置不能正常運行,甚至有可能損壞臥式砂型鑄造機。由分析可知,要提高底座的固有振動頻率,避免產(chǎn)生共振。

表1 底座前六階動態(tài)特性分析結(jié)果

二階模態(tài)振型為底座頂端和絲杠繞X軸前后扭轉(zhuǎn),振動變形主要集中于絲杠部位。絲杠的作用是保證較高精度的直線運動,為了保證臥式砂型鑄造機正常運行,需要使用高強韌度、高表面硬度和強耐磨性的絲杠。三階模態(tài)振型為底座繞Y軸左右擺動,動剛度分布比較均勻,振動變形主要集中于絲杠部位。應(yīng)對措施同上述二階模態(tài)振型。四階模態(tài)振型為底座繞Z軸前后扭轉(zhuǎn),振動變形主要集中于頂端和墩座之間的螺桿。

五階模態(tài)振型和六階模態(tài)振型均為底座繞Y軸上下擺動,屬于局部振型。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于二階和三階模態(tài)振型分析,為保證臥式砂型鑄造機正常運行,需要使用高強韌度、高表面硬度和強耐磨性的絲杠。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面,為了提高臥式砂型鑄造機底座的固有振動頻率,需要縮短絲杠長度,進(jìn)而提高剛度。對于水平滑軌,可以采用雙導(dǎo)軌四滑塊的布置形式,導(dǎo)軌安裝在絲杠兩側(cè),四塊滑塊通過螺栓固定在絲杠上。雙導(dǎo)軌四滑塊布置形式如圖6所示。

基于四階模態(tài)振型分析,為保證臥式砂型鑄造機正常運行,需要使用耐磨損的螺桿。在底座頂端和墩座的間隙處可以添加橫向筋板,提高底座的剛度,從而提高底座的固有振動頻率。在墩座上開大小相等的孔時,相對于其它孔形,圓形孔可以提高筋格元結(jié)構(gòu)的低階固有振動頻率,因此將原方形孔改為圓形孔。

圖5 底座前六階模態(tài)

圖6 雙導(dǎo)軌四滑塊布置形式

5 結(jié)束語

筆者對臥式砂型鑄造機底座進(jìn)行動態(tài)特性分析。一階模態(tài)振型為底座頂端繞X軸前后擺動,二階模態(tài)振型為底座頂端和絲杠繞X軸前后扭轉(zhuǎn),三階模態(tài)振型為底座繞Y軸左右擺動,四階模態(tài)振型為底座繞Z軸前后扭轉(zhuǎn),五階和六階模態(tài)振型為底座繞Y軸上下擺動。一階、二階、三階、四階模態(tài)振型屬于整體振型,五階、六階模態(tài)振型屬于局部振型。

針對動態(tài)特性分析結(jié)果,需要使用高強韌度、高表面硬度、強耐磨性的絲杠和耐磨損的螺桿。對于水平滑軌,可以采用雙導(dǎo)軌四滑塊布置形式。絲杠的長度不能過長。在底座頂端和墩座的間隙處可以添加橫向板筋,提高底座的剛度。在墩座上開大小相同的孔時,建議將原有的方形孔改為圓形孔。