GM-500型車輛牽引臺高速滾筒模態分析

黃學翾, 肖啟瑞,王波群

(1.廣州市地下鐵道總公司運營事業總部 車輛中心，廣東 廣州 510000；2.廣東機電職業技術學院，廣東 廣州 510515)

0 引言

重型工程設備中大轉動慣量部件在高速旋轉時有發生變形的可能，當轉速與工作部件固有頻率對應的臨界轉速接近時容易引起旋轉部件的共振損壞，因此，在設計時應對這種危險工況進行分析計算。本文以某型車輛牽引臺高速滾筒為例，進行旋轉工況和靜力及模態計算。

1 車輛牽引臺高速滾筒有限元分析的處理

圖1 車輛牽引臺高速滾筒裝配總成

車輛牽引臺高速滾筒結構如圖1所示，在導入ANSYS之前在CAD軟件中進行適當的模型簡化，采用Solid Brick 8node45實體4面體單元來對滾筒進行網格劃分。模型單元劃分結果如圖2所示。網格劃分后總單元數為14575，總結點數為29476。

圖2 滾筒網格劃分

位移邊界條件為內部圓板內孔邊緣節點的周向位移約束，載荷為工作轉速形成的離心慣性載荷。

滾筒由電機經減速后驅動，滾筒額定工作轉速為500r/min，施加轉速引起的慣性離心載荷，由額定轉速可知旋轉角速度：

在ANSYS軟件中對上述角速度的處理為：以角速度(Angular Velocity)形式給滾筒加上旋轉荷。

2 高速滾筒離心慣性力分析

對加載后的仿真模型進行求解可得到需要的滾筒的變形量及各應力云圖如圖3至圖5所示。因為滾筒轉動慣量大，高速旋轉時主要受離心載荷作用，因此，需要重點校核該部件的徑向位移和徑向應力。

圖3 滾筒徑向位移云圖

圖3中為該滾筒應該校核的徑向位移。有限元分析結果表明，在ne=500r/min高轉速作用下，由于離心慣性作用，最大徑向位移達到0.0374mm，對于一個直徑達1000mm的部件來說是可以接受，表明滾筒在工作轉速時剛性良好。

圖4 滾筒徑向應力云圖

由圖4和圖5可以得到滾筒的最大徑向應力和總應力分別為17.3MPa和15.8MPa。

圖5 滾筒von Mises應力

徑向應力與von Mise應力接近，表明該滾筒在調速離心載荷作用時主要應力都表現為滾筒的徑向應力，符合滾筒工況實際。因此，工作滾筒旋轉強度、剛度可滿足設計要求。

3 離心慣性載荷作用下的滾筒模態分析

工程上對于高速旋轉部件，存在一系列的固有頻率，各頻率對應一系列臨界轉速，如果滾筒常用工作轉速與臨界轉速相接近，將引起很大的振幅，產生相應振型。會造成滾筒及整機的結構破壞。應借助模態分析計算該滾筒的固有頻率與臨界轉速，分析結果列于表1中，列出前6階的常用固有頻率。臨界轉速由下式得到：

表1 細長軸前6階固有頻率

依次分析各固有頻率對應的振型，如圖6～圖8所示。限于篇幅，僅列出前1、3、5階的振型圖示。

圖6 滾筒1階振型

圖7 滾筒3階振型

圖8 細長軸5階振型

由表1可知，滾筒最低臨界轉速約為966r/min，遠高于其額定工作轉速500r/min。所以，該機臺滾筒在工作時不會發生共振，在工作轉速范圍內是安全可靠的。

4 結語

基于ANSYS對GM-500型車輛牽引臺高速滾筒進行旋轉載荷及模態分析，得到了該傳動軸在500 r/min時的變形量和各種應力以及前6階固有頻率，最低固有頻率對應的臨界轉速為966 r/min。分析計算結果表明，該滾筒具體要求良好的強度和剛度，額定工作轉速較最小臨界轉速低許多。該計算 分析方法可以應用于同類轉子結構的部件設計過程，在設計過程中即可校核大慣量旋轉部件發生危險的可能。

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