壓絲輥模態(tài)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

毛新華， 黃婷婷

（北京中麗制機(jī)工程技術(shù)有限公司，北京101111）

0 引言

化纖長(zhǎng)絲卷繞機(jī)設(shè)計(jì)的紡絲線速度一般為2500～3500 m/min，對(duì)應(yīng)的工作頻率范圍是150～220 Hz，作為化纖長(zhǎng)絲卷繞機(jī)關(guān)鍵部件的壓絲輥需要具有較寬的工作頻率范圍，受壓絲輥結(jié)構(gòu)固有頻率影響，其在工作過(guò)程中容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振問(wèn)題，而其振動(dòng)特性直接影響著絲餅的成型特性和長(zhǎng)絲的品質(zhì)以及卷繞機(jī)設(shè)備的工作壽命[1]。目前生產(chǎn)使用的壓絲輥結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)工作頻率范圍內(nèi)存在著結(jié)構(gòu)共振問(wèn)題，不能滿(mǎn)足寬頻工作的設(shè)計(jì)要求，因此優(yōu)化壓絲輥結(jié)構(gòu)避免因結(jié)構(gòu)引起的共振問(wèn)題，對(duì)于提升卷繞機(jī)卷繞壽命和絲餅性能有著現(xiàn)實(shí)意義[2]。

本文首先對(duì)現(xiàn)有壓絲輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)仿真分析，得到了現(xiàn)有壓絲輥結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率和模態(tài)振型，分析影響壓絲輥結(jié)構(gòu)共振的主要頻率，然后通過(guò)優(yōu)化壓絲輥的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，通過(guò)錘擊實(shí)驗(yàn)測(cè)得優(yōu)化后的壓絲輥結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率與仿真結(jié)果相一致，避免了壓絲輥結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)工作頻率范圍內(nèi)的共振問(wèn)題，提高了卷繞機(jī)工作頻率范圍和絲餅品質(zhì)[3]。

1 現(xiàn)有壓絲輥結(jié)構(gòu)與模態(tài)分析

1.1 現(xiàn)有壓絲輥結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有壓絲輥是空心圓筒結(jié)構(gòu)，根據(jù)壓絲輥的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，在保持其力學(xué)性能不變的條件下，對(duì)壓絲棍的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，壓絲輥長(zhǎng)為1500 mm，直徑為φ95mm，壁厚為16 mm，材料為40Cr，材料密度為7.85 g/cm3，彈性模量為211 GPa，泊松比為0.277。

圖1 壓絲輥結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 現(xiàn)有壓絲輥模態(tài)分析

根據(jù)壓絲輥結(jié)構(gòu)，采用SolidWorks 2017軟件進(jìn)行三維參數(shù)化建模，然后在Solid Works Simulation中進(jìn)行有限元模態(tài)頻率仿真計(jì)算。為使壓絲輥接近實(shí)際工作狀況，壓絲輥兩端選定軸承支撐作為約束條件，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行模態(tài)頻率計(jì)算[4]。其前6階模態(tài)頻率如表1所示，對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型如圖2所示。

圖2 空心壓絲輥振型圖

化纖長(zhǎng)絲卷繞機(jī)中，壓絲輥的設(shè)計(jì)工作頻率范圍是150～220 Hz。根據(jù)上述壓絲輥模態(tài)分析的結(jié)果可知，現(xiàn)有壓絲輥的4階模態(tài)頻率212.95 Hz、5階模態(tài)頻率213.62 Hz和6階模態(tài)頻率218.32 Hz均在壓絲輥設(shè)計(jì)工作頻率的范圍內(nèi)，容易引起壓絲輥結(jié)構(gòu)共振，從而影響絲餅成型性能和卷繞機(jī)設(shè)備壽命。

2 壓絲輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

要避免壓絲輥在工作頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)共振問(wèn)題，須使壓絲輥各階模態(tài)頻率均不能在其工作頻率范圍內(nèi)，因此，需要優(yōu)化壓絲輥結(jié)構(gòu)參數(shù)，改變其模態(tài)頻率。壓絲輥模態(tài)頻率ωn的計(jì)算公式為

式中：Keq為壓絲輥的等效剛度；Meq為壓絲輥的等效質(zhì)量。

根據(jù)壓絲輥結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率計(jì)算公式可知，減小壓絲輥質(zhì)量或增大壓絲輥的剛度均可以有效改變其模態(tài)頻率。因壓絲輥在工作中需要依靠自重對(duì)絲餅產(chǎn)生一定的壓力，故應(yīng)通過(guò)增大壓絲輥的結(jié)構(gòu)剛度來(lái)提高其4～6階的模態(tài)頻率[5]。通過(guò)改變壓絲輥的直徑和壁厚，經(jīng)過(guò)Solid Works Simulation模態(tài)分析，得到了壓絲輥直徑為φ85 mm實(shí)心壓絲輥的模態(tài)頻率均不在工作頻率150～220 Hz范圍內(nèi)，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。直徑為φ85 mm實(shí)心壓絲輥的模態(tài)頻率如表2所示，對(duì)應(yīng)的振型如圖3所示。

3 壓絲輥模態(tài)實(shí)驗(yàn)

壓絲輥實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)系統(tǒng)由激勵(lì)系統(tǒng)、拾振系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析系統(tǒng)組成，采用力錘激勵(lì)方法，2個(gè)ICP加速度傳感器分別采集壓絲輥水平和豎直方向上的響應(yīng)信號(hào)[6]，實(shí)心壓絲輥模態(tài)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示，采用DASP V10智能數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理分析儀對(duì)敲擊響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行傳遞函數(shù)FRF計(jì)算[7]，得到直徑為φ85 mm實(shí)心壓絲輥的模態(tài)頻率如表3所示。直徑為φ85 mm實(shí)心壓絲輥模態(tài)頻率的仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

表2 φ85 mm實(shí)心壓絲輥各階固有頻率

圖3 φ85 mm實(shí)心壓絲輥振型圖

圖4 實(shí)心壓絲輥模態(tài)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)圖5可知，壓絲輥模態(tài)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，且壓絲輥的各階模態(tài)頻率均不在其工作頻率范圍內(nèi)，故該結(jié)構(gòu)的壓絲輥具有較寬的工作頻率，能夠滿(mǎn)足壓絲輥的設(shè)計(jì)要求。

表3 φ85 mm實(shí)心壓絲輥前6階模態(tài)頻率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 φ85 mm實(shí)心壓絲輥模態(tài)頻率仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

4 結(jié) 論

針對(duì)現(xiàn)有壓絲輥結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足卷繞機(jī)寬頻設(shè)計(jì)的工作要求，對(duì)壓絲輥進(jìn)行了模態(tài)仿真分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，得知直徑為φ85 mm實(shí)心壓絲輥的各階模態(tài)頻率均不在其工作頻率150～220 Hz范圍內(nèi)，根據(jù)直徑為φ85 mm實(shí)心壓絲輥模態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了壓絲輥模態(tài)仿真結(jié)果的正確性，使得壓絲輥滿(mǎn)足了的工作頻率設(shè)計(jì)要求，提高了卷繞機(jī)工作頻率帶寬范圍。

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