基于模態分析的瓦楞機機架減振研究

吳斌方, 袁瑜瑾 , 袁　博, 王天寶， 韋　全， 陳　妍

(1 湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068;

2 武漢城市職業學院機電學院，武漢4300643; 3 內蒙古交通職業技術學院招生就業處，內蒙古 赤峰 024000)

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基于模態分析的瓦楞機機架減振研究

吳斌方1, 袁瑜瑾1, 袁博2, 王天寶3， 韋全2， 陳妍2

(1 湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068;

2 武漢城市職業學院機電學院，武漢4300643; 3 內蒙古交通職業技術學院招生就業處，內蒙古 赤峰 024000)

[摘要]針對瓦楞機機架工作時強烈振動的現象，使用三維軟件建立了機架的三維模型。通過對隔振板賦予不同的材料屬性來模擬混凝土填充狀態。用有限元軟件對機架進行模態分析，得到了瓦楞機機架的前六階模態的固有頻率和振型。將仿真數據與實測數據比較，發現選擇合適的填充狀態可以避免共振。

[關鍵詞]瓦楞機； 機架； 固有振型

瓦楞機機架是單片瓦楞機的核心組成部分之一，由瓦楞機兩個支撐側板，一個隔振板，二個底板組成[1-3]。側板、隔振板與底板之間由12個螺栓從底座底部自下而上預緊固定。在瓦楞機工作時，由于外界的激勵，機架必定會產生振動，也會產生一定的形變與應力，應力應變過大會導致瓦楞機機體產生裂紋，更嚴重的會使底座螺栓發生疲勞斷裂，影響瓦楞機的正常工作，因此在設計中有必要對其進行模態分析[4-5]。

1有限元模態分析原理

模態分析的目的是變換坐標，使原來的物理坐標變為模態坐標，從而使解耦的方程帶有模態坐標與模態參數，方便求解模態參數。在機械振動分析中，經常要考慮機體結構的固有特性，也就是振動模態。模態分析可以通過計算得到各階的模態參數以及在某一頻率范圍之內的主要模態特性，然后實際的振動響應就可以在各種振源下求解[6-7]。

2機架的有限元分析過程

2.1建立機架的三維模型

機架的實際結構復雜，兩側箱體與隔振板之間有兩組螺栓聯接，隔振板內部由帶板子的框架構成，中間是混凝土填充，隔振板下面是兩塊鋼板底座。ANSYS workbench有建模功能，但復雜零件的建模操作非常復雜。本文采用Pro/E三維軟件建模。Pro/E具有強大的三維參數化建模功能，為有限元分析提供了方便，在有限元分析中，為了避免許多小倒角、小圓角對機架剛度的影響，對機架簡化很有必要。

2.2側板三維模型導入Ansys workbench14.0

Iges與Parasolid文件格式是有限元軟件與ProE之間常用的數據交換格式。根據導入的效果，最終選擇Parasolid為最終的交換格式。Parasolid支持實體建模，支持布爾運算，Ansys workbench14.0本身也含有Parasolid的轉化過濾器，因此選Parasolid數據轉化是比較快捷的方法。首先將機架三維模型導入Ansys workbench14.0，定義材料屬性，網格長度設置為0.001 m，機架網格劃分如圖1所示。

2.3定義機架的材料屬性

機架的兩側板材料為HT300。 HT300具有良好的減振性和耐磨性， 通過查手冊可知其彈性模量E=1.25×1011Pa， 泊松比ν=0.25， 密度ρ=7 200 kg/m3， 其他的隔振板與底座均是普通鋼， 彈性模量E=2×1011Pa， 泊松比ν=0.3， 密度ρ=7 800 kg/m3。

2.4確定機架的邊界條件

所謂的施加邊界條件就是限制約束自由度，兩側板與隔振板之間由10個直徑為20 mm螺栓聯接在一起，隔振板與下面兩地板用12個M16螺栓聯接，最下板由于與地基相連，故在建模時應該對最下板施加固定接連。

2.5Bruel&Kjar測量瓦楞機機架工作時的頻率

在現場測量振動數據時，用Type-3560-B-T15-Serial No2573185的Bruel&Kjar測量機架在工作時的隔振板工作頻率分別為130 Hz、260 Hz、390 Hz、510 Hz、640 Hz、770 Hz、910 Hz，結果表明其最小載荷頻率為130 Hz。

3機架的模態分析

在機架的結構模態分析過程中，由于高階模態所占的能量比較小，當隔振板材料屬性過小，隔振效果將起到作用，但是對底座螺栓的疲勞強度有所影響。當選取的隔振板的材料屬性過大，機架隔振的效果不好，螺栓不會受到振動的影響，但會產生振動噪音。故可以通過改變隔振板的材料屬性，選取不同的材料屬性去模擬隔振板實際的剛度。隔振板三種材料屬性如表1所示。

表1　隔振板三種材料屬性

根據1號隔振板材料屬性，當隔振板未填充混凝土，得出機架前六階的固有頻率如表2，振型圖如圖2。

表2　1號隔振板的機架前六階的固有頻率

圖 2　1號隔振板的機架前六階振型圖

根據2號隔振板材料屬性，當隔振板填充混凝土，得出機架前六階的固有頻率見表3，振型圖見圖3。

表3　2號隔振板的機架前六階的固有頻率

圖 3　2號隔振板的機架前六階振型圖

根據3號隔振板材料屬性，可以得出機架前六階的固有頻率見表4，振型圖見圖4。

圖 4　3號隔振板的機架前六階振型圖

模態階數振型固有頻率/Hz1機架整體Y方向擺動39.2962機架側板與橫梁Z方向扭轉96.5813機架整體Z方向外彎曲113.164機架橫梁外彎曲128.845機架側板橫梁內彎曲140.816機架整體內彎曲157.86

4模態計算結果分析

從圖2可以看出一階隔振板的固有頻率較低，只有34.389 Hz左右，容易引起振動，振型主要是機架的上部分沿著Y方向左右擺動，機架頂部橫梁的擺動幅度最大，隔振板與底座處的擺動幅度最小，擺動會造成結構連接處的疲勞破壞。二階振型主要是機架兩側板的Z方向扭轉，兩側板的兩端頂部兩角擺動幅度最大，而隔振板與地板擺動幅度最小，這樣的扭轉會導致上下瓦楞輥接觸處錯位，影響瓦楞紙的質量。三階振型主要是機架整體Z方向外彎曲，這樣會導致底座聯結螺栓組松動和疲勞壽命降低。四階振型主要是機架橫梁外彎曲，橫梁彎曲會影響機架側板之間的聯接穩定性。五階振型主要是機架側板橫梁內彎曲，這樣會導致橫梁強度降低。六階振型主要是機架整體內彎曲，這樣產生瓦楞機整體振動而影響橫梁。

1號隔振板內未填充混凝土時，機架的整體變形最小，機架的五階頻率136.23 Hz與實測頻率130 Hz比較接近，可能會發生共振。2號隔振板填充混凝土后，固有頻率變大，避免了共振，機架的整體變形由未加混凝土的整體變形量0.023 mm變化為0.023 9 mm，因此混凝土的填充能起到機架的隔振效果。3號隔振板的固有頻率最大，機架的整體變形量為0.024 mm，表明在機架振動不是很大的情況下，該組材料屬性最能起到隔振效果。

[參考文獻]

[1]朱建萍.包裝機械設計方法研究[J].包裝工程，2007,28(7)：97-99 .

[2]陳奎孚.機械振動基礎[M].北京：中國農業大學出版社，2011:156-162.

[3]熊桂超.超細瓦楞紙板生產線關鍵機構的運動學和動力學仿真[D].廣州：華南理工大學，2011.

[4]李潔，阮軍.變速箱題網格劃分策略研究[J].沈陽理工大學學報，2009(3)：87-90.

[5]魯琳，薛冬新.某機車用柴油發動機組的隔振分析[D].大連：大連理工大學，2013.

[6]吳斌方，能華，張靜，等.基于有限元分析的瓦楞機支撐側板結構優化設計[J].包裝工程， 2014, 35 (5):62-66.

[7]吳斌方，袁博，嚴明霞，等. 基于UG和ANSYS軟件的瓦楞輥振動與模態分析[J].包裝工程,2013,34 (3):55-58.

[責任編校： 張眾]

Research of Corrugated Board Machine Rack Damping Based on the Modal Analysis

WU Binfang1,YUAN Yujin1, Yuan Bo2, WANG Tianbao3， WEI Quan2, CHEN Yan2

(1SchoolofMechanicalEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China;2WuhanCityVocationalCollege,Wuhan430064,China;3InnerMongoliaTransportationVocationalTechnicalCollege,Chifeng024000,China)

Abstract：Aiming at the corrugated rack strong vibration phenomenon, the study used the three-dimensional software to build a three-dimensional model of the rack. It then gave the isolation plates different material properties to simulate the concrete filling state. A modal analysis was conducted on the rack, obtaining six modal inherent frequencies and the vibration mode of the corrugated rack. The comparison of simulation data with the experimental data suggests that to select the appropriate filling state will avoid resonance.

Keywords：corrugated machine; rack; the inherent vibration mode

[中圖分類號]TP391.9

[文獻標識碼]：A

[文章編號]1003-4684(2016)01-0015-03

[作者簡介]吳斌方(1961-)， 男， 湖北武漢人，湖北工業大學副教授，研究方向為機電產品研發

[收稿日期]2015-10-16