智能組合秤主振機(jī)給料裝置模態(tài)分析

摘要：介紹主振機(jī)的工作原理，設(shè)計(jì)主振機(jī)給料裝置的結(jié)構(gòu)，采用SolidWorks進(jìn)行3D建模，導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件建立有限元模型；采用四面體網(wǎng)格劃分方式并在圓角處進(jìn)行加密劃分；設(shè)置全約束的定義方式，采用模態(tài)求解器進(jìn)行模態(tài)分析，得到主振機(jī)給料裝置的結(jié)構(gòu)模型、有限元模型、前5階固有頻率值及各階振型圖。主振機(jī)給料裝置固有頻率從1階—5階，呈現(xiàn)穩(wěn)定上升趨勢，其中第3階固有頻率為51.056 Hz，與激振頻率接近，處于亞共振狀態(tài)，因此主振機(jī)可利用共振原理保證其振動穩(wěn)定性；振型主要是繞y軸的轉(zhuǎn)動及沿y軸軸向的上下振動，符合物料輸送時(shí)的實(shí)際工況，證明了此模型建立和激振頻率設(shè)定的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：包裝機(jī)械；智能組合秤；主振機(jī)；有限元模型；固有頻率

中圖分類號：TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號：1671-5276（2024）06-0151-04

Abstract：Introduces the working principle of the main vibrator and designs the structural form of the feeding device of main vibrator. By SolidWorks， the 3D modeling is carried out， and the finite element model is established with ANSYS Workbench software. Tetrahedral mesh is adopted and the rounded corner is divided with encryption， and the definition of full constraint is set. The modal analysis is carried out by using the modal solver， obtaining the structure model， finite element model， natural frequency of the first to fifth orders and the vibration mode diagram of each order. The natural frequency of the feeding device of the main vibrator rises steadily from the first to the fifth order， among which the third natural frequency is 51.056 Hz， which is close to the excitation frequency and in a sub-resonant state. Therefore， the vibration stability of the main vibrator can be ensured by the resonance principle， and the vibration mode is mainly the rotation around y axis and up-down vibration along y axis， which conforms the actual working conditions of material transportation， and proves the accuracy of the model establishment and the excitation frequency setting.

Keywords：packaging industry; intelligent combination scale; main vibrator; finite element model; natural frequency

0引言

近些年，電商行業(yè)如雨后春筍般興起，各色各樣的商品出現(xiàn)于市場上，個(gè)性化包裝需求日益增加［1］。據(jù)調(diào)查，中國市場流通的商品約有75%采用了定量包裝方式，食品、化妝品的定量包裝方式更是高達(dá)95%［2］。智能組合秤又被稱為多頭稱重機(jī)，有一套完整的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，因其自動化程度高、稱量準(zhǔn)確性強(qiáng)的優(yōu)勢，逐漸取代了傳統(tǒng)稱量設(shè)備［3-5］。組合秤由給料系統(tǒng)、緩存斗、稱料斗、卸料斗等多個(gè)系統(tǒng)組成［6］，位于前端的為給料系統(tǒng)，在主振機(jī)振動作用下，將物料運(yùn)送給緩存斗，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)劣性直接決定了智能組合秤能否順利稱料。因此對主振機(jī)在工作過程中的模態(tài)分析具有重要意義。

1主振機(jī)給料裝置介紹及結(jié)構(gòu)模型

1.1主振機(jī)工作原理

主振機(jī)給料裝置主要是通過激振力作用，將不同大小、形狀、狀態(tài)的物料從送料裝置中準(zhǔn)確、迅速地運(yùn)送到緩存漏斗中，特別適合應(yīng)用于機(jī)械化程度高的流水線作業(yè)，具有工作平穩(wěn)、可靠性強(qiáng)、物料自由度高、適用范圍廣等優(yōu)勢，其工作原理如圖1所示［7-8］。運(yùn)送物料2位于料槽1上，整體由主振彈簧3提供支撐，主振彈簧與銜鐵4連接在一起。通過電磁線圈5的電流需經(jīng)過單相半波處理。當(dāng)通過電磁線圈的電流為正半周時(shí)，晶閘管導(dǎo)通，鐵芯6產(chǎn)生磁場吸引銜鐵4，此時(shí)槽體被迫向下移動壓縮主振彈簧，積攢大量勢能；當(dāng)通過電磁線圈的電流為負(fù)半周時(shí)，此時(shí)電流消失，電磁線圈與銜鐵之間無電磁力產(chǎn)生，主振彈簧復(fù)位，迫使主振盤向上運(yùn)動。在迅速變化周期電流的作用下，主振機(jī)給料裝置會以3 000 次/min（50Hz）進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。由于槽體平面與激振力之間存在一定角度，因此在振動過程中，物料將以拋物線的形式向前連續(xù)輸送，物料輸送料的調(diào)節(jié)由電流大小控制［9］。

1.2主振機(jī)給料裝置結(jié)構(gòu)模型

作為智能組合秤重要的運(yùn)料部件之一，由于主振機(jī)給料裝置長期與物料接觸，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。兼顧電磁振動給料器的結(jié)構(gòu)形式和組合秤的喂料方式，最終主振機(jī)給料裝置設(shè)計(jì)如圖2所示。整個(gè)給料裝置近似為傘狀結(jié)構(gòu)，在可以滿足物料分布均勻性的同時(shí)，又可滿足給料穩(wěn)定性、及時(shí)性［10］。整個(gè)系統(tǒng)包含主振盤、主振機(jī)底板、電磁線圈、振動桿、主振彈簧等。

2主振機(jī)有限元模型建立及模態(tài)響應(yīng)分析

2.1模態(tài)分析簡介

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。采用模態(tài)分析的方法可以得到結(jié)構(gòu)件在受影響頻率范圍內(nèi)的各階模態(tài)特性參數(shù)，同時(shí)預(yù)估在此頻段區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生的實(shí)際振動情況，從而使所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件避免共振或利用共振。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要方法［11-12］。主振機(jī)給料系統(tǒng)是一個(gè)振動模型，對其模態(tài)參數(shù)的分析對智能組合稱重系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)迅速給料、精確稱重有重要意義。本文采用有限元ANSYS Workbench軟件來分析主振機(jī)給料系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，其分析流程如圖3所示。

2.2主振機(jī)有限元模型建立

1）三維模型導(dǎo)入：ANSYS Workbench 雖自帶建模功能，但相對于專業(yè)軟件（SolidWorks、Proe）還是有所不足；由于主振機(jī)給料裝置模型較為復(fù)雜，因此先用SolidWorks建立圖2所示的三維模型后，保存為Step格式再導(dǎo)入ANSYS Workbench中。由于主振機(jī)卸料裝置含有較多零件，在不影響有限元仿真結(jié)果的前提下，將螺栓件、孔類、圓角都進(jìn)行了簡化。

2）參數(shù)定義：有限元模型建立完畢后，需對材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，材料參數(shù)的定義如表1所示［13］。

3）有限元網(wǎng)格劃分：三維模型導(dǎo)入后需進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本文進(jìn)行的是模態(tài)分析，網(wǎng)格劃分參照Mechanical類型。采用四面體網(wǎng)格劃分方式，同時(shí)為保證倒角和圓角處網(wǎng)格劃分更加密集，采用Pach conforming算法，單部件逐級劃分從而減小網(wǎng)格密集對計(jì)算機(jī)CPU性能的影響。最終建立起的主振機(jī)給料系統(tǒng)有限元網(wǎng)格劃分模型如圖4所示。

4）約束條件建立：采用約束條件來限制結(jié)構(gòu)件的自由度，最終使節(jié)點(diǎn)限制在設(shè)定的方向上運(yùn)動。此處采用全約束（Fixed Support）條件進(jìn)行設(shè)置，圖5為定義約束好后的三維模型。

2.3主振機(jī)給料裝置模態(tài)響應(yīng)分析

在實(shí)際工作過程中，針對結(jié)構(gòu)件，低階模態(tài)振動頻率相對于高階模態(tài)振動頻率更容易發(fā)生振動耦合現(xiàn)象，決定了結(jié)構(gòu)件的動態(tài)特性［14］。采用ANSYS Workbench14.5自帶默認(rèn)的模態(tài)求解器對前文建立的主振機(jī)給料裝置有限元模型進(jìn)行模態(tài)求解。本文只針對主振機(jī)給料裝置的前5階固有模態(tài)進(jìn)行解析。固有頻率計(jì)算結(jié)果如表2所示，振型圖如圖6—圖10所示。

從表2中模態(tài)分析數(shù)據(jù)可以看出，主振機(jī)給料裝置5階固有頻率均較小，其中1階和 2階接近，4階和5階接近；整體上1階—5階呈現(xiàn)逐步上升趨勢，2階振型為沿x向移動和繞y軸方向轉(zhuǎn)動，4階振型為繞z軸的左右擺動。

由1.1小節(jié)可知主振機(jī)給料裝置的激振力頻率為50Hz，其3階固有頻率為51.056Hz，二者接近，頻率比為50/51.056=0.98，處于亞振動工作狀態(tài)。因此，可利用共振原理保證主振機(jī)在整個(gè)加料送料過程中的振幅穩(wěn)定性，更好地完成送料過程。從3階振型圖可看出此時(shí)主振機(jī)給料裝置振型主要是繞y軸的轉(zhuǎn)動及沿y軸軸向的上下振動，符合物料輸送時(shí)的實(shí)際工況，證明此模型建立和激振頻率設(shè)定的準(zhǔn)確性。

3結(jié)語

智能組合秤在包裝產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用日益增多，本文設(shè)計(jì)了智能組合秤重要運(yùn)料部件主振機(jī)給料裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用SolidWorks軟件進(jìn)行3D建模；采用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分；約束定義得到主振機(jī)給料裝置的有限元模型。通過模型可知：所設(shè)計(jì)的主振機(jī)給料裝置的3階振動頻率與激振頻率一致，其振型方式亦符合實(shí)際物料輸送工況，證明了主振機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和所建立模型的合理性。通過對該模型的結(jié)構(gòu)振動分析，可以為主振機(jī)不同參數(shù)設(shè)計(jì)（振幅、頻率等）提供理論指導(dǎo)，進(jìn)而對提高稱重系統(tǒng)的生產(chǎn)效率、精確稱重具有指導(dǎo)意義 。同時(shí)，該模型也為給料機(jī)安裝工藝（安裝角度、振動傾角、振幅設(shè)置等）和故障分析提供了一些建議。

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收稿日期：20230719

第一作者簡介：孫菁（1986—）女，江蘇鹽城人，講師，學(xué)士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造，565488188@qq.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.030