軌式輸送機車輪的模態分析

趙士英 董漢政 李忠祥 劉學彬

(山東科技大學機械電子工程學院 山東 青島 266590)

軌式輸送機車輪的模態分析

趙士英 董漢政 李忠祥 劉學彬

(山東科技大學機械電子工程學院 山東 青島 266590)

在散料運輸過程中，相比較帶式輸送機而言，高效綠色節能的軌式輸送機成為選擇重點。但軌式輸送機在運行過程中，由于設備轉動、裝卸料等原因會產生噪聲污染。為了研究車輪的振動特性，本節采用有限元軟件對車輪模態進行分析，了解其固有頻率和振型，為深入分析影響車輪振動和噪聲提供理論和參考。

軌式輸送機；車輪；固有頻率和振型；ANSYS；模態分析

一、固有頻率和振型

固有頻率是當結構在受到干擾時最容易發生振動的頻率，也可以稱之為特征頻率或共振頻率。結構在特定頻率下的變形為主振動模態，稱為振型。固有頻率與振型可以解特征方程得到，當車輪外部激勵頻率與其結構固有頻率相等或近似時，就會發生共振。為了研究車輪的振動特性，本節采用有限元軟件對車輪模態進行分析，了解其固有頻率和振型。

對于多自由度的線性振動系統，自由振動微分方可以用矩陣的形式來描述，即

二、車輪模態分析

本文選取輸送小車為外徑60mm的車輪，主要由踏面、輪緣、輪輞、輻板和輪轂組成，在工程數據屬性中添加新材料HT200，定義車輪的物理參數楊氏模量E=2×1011Pa，泊松比υ=0.32 kg/m3，密度ρ=7×103kg/m3三維模型由SolidWorks建立，將車輪三維模型導入到Workbench，并劃分網格如圖1。

圖1 車輪網格劃分

為了提高計算效率不考慮車軸的影響，設置最大模態階數為8，添加輪轂內邊界為固定約束。模態分析計算完成后，得到車輪前8階模態的固有頻率值，取取部分仿真圖如下圖所示。

圖2 第一階模型

圖3 第四節模型

圖4 第八階模型

表1 車輪模態分析的固有頻率值

階數固有頻率(HZ)階數固有頻率(HZ)15963.457606.225965.569036.936172.179065.646380.4812212

由前8階模態振型可知，固有頻率隨模態階數的增加而變大，最小固有頻率為5963.4Hz，由于車輪形狀呈軸對稱，其振型也成對稱形式，振型頻率較大，輪輞、輪緣和輻板振動較為活躍。在1-6階車輪主要是輪緣的扭擺、軸向和徑向的振動，7-8階開輪緣的扭擺復雜變形。因此，輪緣和踏面是車輪在高頻段內的主要振動部位，而且因為輪緣厚度薄、面積大成了噪聲的主要輻射區。

三、結論

本文主要采用有限元軟件對車輪模態進行分析，確定了車輪在高頻段內的主要振動部位，進一步了解其固有頻率和振型，為深入分析影響車輪振動和噪聲提供理論和參考。

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[2]李曉雷,俞德孚,孫逢春.機械振動基礎[M].2版.北京:北京理工大學出版社,2010

[3]D.J.Thompson,C.J.C.Jones.Sound Radiation from a Vibrating Rallway Wheel [J].Jounal of Sound and Vibration,2002,253:401-419.

趙士英(1991-)，男，山東科技大學機械電子工程學院在讀碩士研究生。