振動輸送落砂機動態特性有限元分析

姜 芊，李海云

(1.河北省鑄造機械技術創新中心，河北保定 071000；2.保定維爾鑄造機械股份有限公司，河北保定 071000）

落砂機是鑄造生產中一種振動落砂設備。它利用周期振動的落砂柵床將鑄型拋起，然后鑄型自由下落與柵床相互碰撞，如此往復不斷撞擊使砂型破壞，從而實現鑄件、型砂從砂箱脫出，達到落砂的目的。振動輸送落砂機在完成落砂的同時還可以使鑄件向前運動[1]。所研究的振動落砂輸送機由兩個型號為VB-100756-W 的6 極三相偏心電機驅動,轉速980rpm，最大激振力10kN，重量500kg。振動輸送落砂機如圖1 所示。

圖1 振動輸送落砂機

本文通過SolidWorks 軟件建立三維實體模型，導入有限元分析軟件ANSYS Workbench 進行預應力模態分析和諧響應分析，分析落砂機的振幅和受力狀況，為該類型的落砂機結構優化提供理論依據，為設計提供參考。

1 振動輸送落砂機三維建模

1.1 特性定義

落砂機振動體的支撐彈簧采用12 個Springs彈簧-阻尼單元模擬，振動電機及偏心質量塊采用質量點單元模擬，在兩臺振動電機的質量重心建立臨時質量點單元，設置臨時質量點剛性區域與電機底板進行耦合，在質量點上加載電機重量,設定激振力大小和方向。落砂機結構材料為16Mn，其材料屬性見表1。

表1 材料屬性表

1.2 建模及網格劃分

落砂機建模時忽略了對分析影響不大的部分特征，包括落砂孔和螺栓孔等。劃分網格時，考慮到振動體較復雜，在生成網格時控制網格尺寸，同時細化局部網格，所生成的落砂機有限元模型共有369375 個結點，107008 個單元，其有限元模型如圖2 所示。

圖2 網格劃分模型

2 落砂機受力分析

落砂機結構受到的力包括有振動電機的激振力、落砂機自身重力、鑄件砂型的沖擊力、彈簧的支撐力[4]，具體參數設定如下。

（1）重力

通過給定重力加速度g=9.8m/s2進行設定。

（2）砂型和鑄件對落砂機的沖擊力

通過加載在落砂機振動體5 個上表面的集中力進行設定F=198600N。

（3）彈簧的支撐力

在約束中添加12 個彈簧單元，一端連接落砂機，另一端進行6 個自由度完全約束。

（4）電機的激振力

振動電機的最大激振力F=105N，電機安裝時有傾斜角β，分解在Y 軸垂直方向的垂直分力為Fcosβ,它的作用是破壞砂型和實現型砂同鑄件分離，保證落砂效果。在X 軸水平分力Fsinβ，它的作用是實現有效載荷的移動，保證鑄件沿格子板輸送[1]。電機偏心質量在振動方向同步，慣性力形成合力，在橫向方向上偏心質量反向，消除橫向的慣性力。偏心電機旋轉時其慣性力在振動方向上的投影為簡諧函數，形成了簡諧激振力，以此驅動落砂機振動，達到砂子振動脫落將鑄件輸送的目的。

3 落砂機模態分析

模態分析主要是計算結構振動的固有頻率和相應的主振型等最基礎的振動參數。其意義在于了解結構的振動特性，在工程上避免共振的發生導致噪聲和結構破壞等，同時也可以在模態分析的基礎上，通過振型疊加法對結構進行動力相應分析和諧響應分析等。模態分析是求解結構在自由振動情況下的振動特性，求解的主要參數為固有頻率及模態振型。對落砂機進行模態分析是其結構設計的重要內容。

落砂機自重4600kg,兩側電機各重500kg,負載2000kg。結合落砂機實際工況，在ANSYS Workbench 中做預應力模態分析。先在靜力學分析模塊中加載重力，選取落砂機臺面加載力19600N,再將求解結果傳送到模態分析模塊中提取頻率和振型。連續結構體振型應該是無窮多的。經典理論認為實際工程中能夠對結構安全產生影響的往往只是低階的頻率振型，所以結構避開了低階共振區，一般而言就能安全運行[3]。因此只提取落砂輸送機的前12 階固有頻率及前6 階振型，具體頻率分布和振型如圖3 所示。

圖3 頻率分布表及振型圖

在模態分析中，位移是沒有實質性意義的，關鍵看振型和固有頻率。由于振動電機的角速度ω=2π×980/60≈102.5（rad/s），頻率f=ω/2π≈16.3（Hz），頻率f 與6 階和7 階固有頻率值相差大于1.5 倍，因此振動電機不會與落砂機振動體共振，落砂機的動態性能良好，滿足動態性能的設計要求。

4 落砂機諧響應分析

諧響應分析是用于確定線性結構在承受一個或多個隨時間按照正弦（簡諧）規律變化的載荷時的穩態響應技術。諧響應分析可以進行掃頻分析，分析結構在不同頻率和幅值的簡諧載荷作用下的響應，從而探測共振，指導結構設計避免共振。在落砂機工作的每個工作循環中,周期性變化的交變載荷作用到落砂機上，對落砂機的受力進行諧響應分析。常用的諧響應分析方法是模態疊加法，該方法是基于模態分析中得到的各階模態振型分別乘以系數后疊加起來。為了簡化電機模型，在兩側電機質心位置設置質量點，電機質心處加載遠程力，將諧響應分析的求解設置最大頻率范圍為30Hz，求解間隔設為10。基于上述模態分析中固有頻率進行求解，在電機振動頻率16.3Hz，電機偏心塊旋轉到象限角180°時，得到落砂機臺面在Y向的幅值-頻率響應云圖和Z 向應力-頻率響應云圖，如圖4 所示。

圖4 響應云圖

5 結論

采用SolidWorks 軟件對某型號振動輸送落砂機有限元建模，并通過有限元分析軟件ANSYS Workbench 進行了模態分析和諧響應分析，得到落砂機前12 階固有頻率及前6 階模態振型，確定振動電機和落砂機不會產生共振；根據諧響應分析結果，得到穩定狀態下落砂機臺面Y 向振幅3.6mm。動載下電機底板與振動體焊接區域是受力最大區域，最大受力值為15MPa。此區域也是落砂機易產生開裂的區域。因此在后續對落砂機結構進行優化時，可考慮加大過渡圓角，以減小應力集中。