一種碼坯機升降機構模態分析及其優化

摘 要：全自動碼坯機升降機構是碼坯機械中重要的一個機構，其運動過程中的動態性能對碼坯機的實際工作有很大的影響，在碼坯機的設計與制造過程中必須注意其固有頻率對動態性能的影響。基于Pro/e -ABAQUS，對全自動碼坯機的升降方針，根據模態分析變形、前6階固有頻率、進行升降機構的優化。目的是減輕升級機構的重量，提高其結構強度。

關鍵詞：自動碼坯機；升降機構；模態分析；優化

全自動碼坯機動作靈活準確，能夠很好的完成磚窯的搬運與碼垛，其工藝布局合理，生產效率高[1]。其中升降機構作為重要機構，承擔著搬運過程中整個碼坯機的重量，因此最大限度的減輕升降機構的重量，增大其剛度，提高其固有頻率，對碼坯機的優化改進起到至關重要的作用。

在提高搬運速度的情況下，如果工作頻率與系統固有頻率接近或者重合，很可能會引起系統的共振現象，且對于大型機械設備來說，共振現象會造成設備的失效或者結構破壞，是碼坯機結構設計中必須要避免的。[2]。運用三維軟件建模，將模型導入系統仿真軟件進行模態分析，得到震動模型和固有頻率數值，再通過改善機械結構，改變系統的固有頻率，即可完成升降機構的優化。

1 三維建模

新型碼坯機鋼架部分由型鋼焊接，用大型鋼筒焊接而成，碼坯機總體結構如圖1所示。

2 限元分析

2.1 升降機構有限元模型

（1）

升降機構的有限元模型需要容易分析計算，因此需要在尺寸上需要進行優化，一些小孔和凹槽要盡量避免出現。鋼筒外側焊接槽鋼及相關聯接螺栓孔適當簡化。

2.2 模態分析

升降機構的有限元模型采用BlockLanczos法進行模態分析。分析其前六階的固有頻率數值，結果如下。

圖3前6階模態振型云圖

模態動態分析結果得如下結論：①為了有效的防止共振，需要使得系統的低階固有頻率盡量避開系統的運動頻率；②鋼筒上部變形較大，因此在上半部分需要增大其剛度，降低其重量。

3 結構優化

對于碼坯機升降機構這樣復雜的機械結構系統，最好采用系統的幾何形狀改進，通過對升降機構的改進優化，再將新的三維模型倒入有限元軟件進行分析，比對兩次的固有頻率，并進行多次有改，得到最有結果。在不降低結構現有剛度情況下，減小重量。以提高低階固有頻率為優化的目標。由分析結果進行優化：①對鋼筒進行結構改進，嘗試改變鋼筒內部豎直方向6塊筋板的位置，使其布置在變形較大的鋼筒中山部，同時在鋼筒變形小的位置開6個對稱的橢圓形槽減小重量；②車架沿Z軸方向變形較大，因此需要在X方向平行的H型鋼之間設計加強筋提高局部剛度。

結構改進之后，對整個結構再一次進行模態分析，改進前后兩次ABAQUS模態分析結果對比如表3。

可見改進后的模態分析證明前兩階的頻率更能有效地避開電機頻率；改進后的振動云圖顯示，鋼筒變形減小，機構強度增大，用Pro/e計算，改進后的升降機構總質量為887.9kg，重量減少了7.6%。

4 結論

（1）建立碼坯機升降機構有限元模型，分析了升降機構的動態特性，得到了前六階固有頻率和振型，結點模態變化位移曲線，說明原設計方案前兩階固有頻率接近共振頻率；

（2）系統整體結構改進后，再次模態分析，證明改進后系統有效避開共振頻率，剛度增大，達到改進目標；

（3）本文對新型全自動碼坯機升降機構的模態分析及改進方法進行理論研究，具有重要工程指導意義。

參考文獻

[1]王海臣，自動碼坯機在燒結磚廠的應用[J].磚瓦，2008，54（3）；78-79.

[2]苗登雨，等.重載油缸坯料搬運系統模態分析與結構改進[J].機械設計與研究，2013，29（6）；99-102.

[3]姚屏，姚宏，王曉軍，等.數控車床床身靜動態優化設計研究[J].煤礦機械，2009，30（2）；208-210.

[4]馬曉峰，ABAQUS6.11從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2013.

[5]胡世軍，常迎杰，等.滾齒機立柱靜動態分析與優化研究[J].機械傳動，2014，38（2）；137-140.

作者簡介

陳鑫（1988-），男，湖北武漢人，碩士研究生，主要研究方向為爐窯機械設計，機械制造，系統仿真。