高速卷繞機卡盤軸模態分析

張君浩 董學武 王東強

摘 要：以高速卷繞機卡盤軸為研究對象，利用SoildWorks建立卡盤軸三維模型，對卡盤軸進行試驗模態分析和利用workbench理論模態分析，得到卡盤軸固有頻率和模態振型結果，兩者對比驗證，誤差在允許范圍內，驗證建立三維模型正確。然后對卡盤軸主要構件套筒、傳動軸、支撐套筒利用workbench進行模態分析，得出它們固有頻率對卡盤軸的影響，為提高卡盤軸工作效率和優化結構提供理論依據。

關鍵詞：模態分析；卡盤軸；模態頻率；模態振型

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.004

0 引言

高速卷繞機是生產化纖核心設備，隨著科技進步和化纖需求增加，高速卷繞機向高速化方向發展[1]。卡盤軸作為高速卷繞機重要部件直接影響著卷繞質量和效率。據統計，轉子故障在旋轉機械故障中占總數的70%以上[2]。為降低故障發生可能性，研究卡盤軸及其各個構件的動力學特性，對卡盤軸結構優化和性能提高具有重要意義。董少偉在對卡盤軸模態分析時，得到卡盤軸振動最大在懸臂端[3]；趙軍等研究了卡盤軸自由狀態和約束狀態下的盤軸動態特性[4]。目前還沒有對主要構件模態分析研究卡盤軸動力學特性。

本文對高速卷繞機卡盤軸進行實驗模態分析和利用ANSYS workbench進行理論模態分析，對兩者得到的固有頻率和模態振型進行對比驗證，證明建立模型的正確性，然后進行套筒、傳動軸、支撐套筒模態分析，得出套筒、傳動軸、支撐套筒固有頻率對卡盤軸的影響，為優化卡盤軸結構參數提供理論依據。

1 模態分析理論

模態分析是以振動理論為基礎，以模態參數（固有頻率、模態振型、阻尼比）為目標的分析方法。模態分析方法分為理論模態分析法和實驗模態分析法[5]。其運動微分方程為：

式中求得和。是特征值代表第i階所求的的固有頻率，它是由質量矩陣和剛度矩陣決定。是特征向量表示構建的模態振型[6]。

2 Workbench模態分析

2.1 模型建立

高速卷繞機卡盤軸主要由傳動軸結合件、支撐套筒結合件、套筒組成如a圖，利用SolidWorks建立卡盤軸裝配體模型。根據卡盤軸的結構和工作特點，在保證其動力學性能不變的條件下，對卡盤軸結構進行簡化，忽略模型倒角、圓角等，然后導入到ANSYS Workbench，劃分網格得到的有限元模型如圖b所示。

2.2 卡盤軸模態分析

卡盤軸模態分析為獲得其結構的固有特性，所以不對其施加載荷，在自由無約束狀態下進行對模態仿真分析。卡盤軸主要零部件之間的接觸在導入workbench之后進行修改。由于卡盤軸實際工作轉速為12000r/min，即200HZ，理論的工作轉速為18000r/min，即300HZ仿真結果如表1。

11.385HZ對應1階振型圖，此時卡盤軸是剛體特性，不予考慮；20.486HZ和20.518HZ對應2、3階振型，傳動軸振幅最大，套筒前段接近法蘭處也存在變形，此時頻率在卡盤軸轉速范圍內，容易激發卡盤軸振動，應針對這頻率對卡盤軸結構優化；頻率達到107.23HZ時，卡盤軸發生扭擺振動；235.98HZ和236HZ包含套筒一階振動彎曲和傳動軸彎曲振動，251.11HZ和252.79HZ是支撐套筒結合件一階振動彎曲；通過觀察振型圖發現卡盤軸振動位置在兩端，且當處于低頻時靠近法蘭處要大于尾端，這與實際卡盤軸工作振動時情況一致。

2.3 主要構件仿真模態分析

卡盤軸主要構件有支撐套筒結合件、套筒結合件、傳動軸結合件。將SolidWorks建立模型導入到ANSYS Workbench中，進行無約束自由模態分析，得到各零部件的固有頻率和模態振型如圖3所示。

套筒、傳動軸和支撐套筒的一階固有頻率分別為250.93HZ、19.397HZ、249.07HZ，與卡盤軸模態分析結果在數值上有相近。傳動軸、套筒和支撐套筒裝配成卡盤軸，存在著相互接觸和約束，而在workbench分析中處于自由無約束狀態，會存在著誤差。

傳動軸1階頻率19.397HZ和卡盤軸1階頻率20.286HZ接近，易產生共振，所以應對傳動軸結構優化，減少避免共振。套筒的1階彎曲振型與卡盤軸頻率235.98HZ和236HZ，振型是一致的；支撐套筒的1階彎曲振型與卡盤軸頻率251.11HZ和252.79HZ振型圖是相似的。由于卡盤軸工作最高頻率為200HZ，所以套筒支撐套筒對卡盤軸影響極小。

3 總結

（1）通過仿真分析，得到了卡盤軸1階固有頻率為20.48HZ，在正常工作范圍內，所以應對其進行結構優化，避免到達1階固有頻率產生共振。

（2）通過卡盤軸振型模態得到低頻發生的變形在靠近法蘭處；高頻時變形發生在卡盤軸兩端。與卡盤軸實際工作情況一致，驗證所建立模型的正確性，為研究卡盤軸動平衡提供理論依據。

（3）利用workbench對傳動軸、套筒和支撐套筒構件自由約束下模態分析。得到1階固有固有頻率分別為傳動軸19.39HZ、套筒250.93HZ、支撐套筒249.07HZ。其中傳動軸1階頻率和卡盤軸1階頻率接近，易產生共振，應對其結構優化；套筒和支撐套筒1階固有頻率超出了卡盤軸工作頻率，不予考慮。

參考文獻：

[1]李素敏.國內外高速卷繞頭的發展趨勢[J].紡織機械，2008（02）.

[2]劉美生，王蛟茹，姜愛軍.動不平衡及車輪動平衡機不平衡量的測量[J].中國測試技術，2003（03）.

[3]董少偉，金守峰，鄒兵兵.高速卷繞頭卡盤軸的模態分析.[J].紡織器材，2014（06）.

[4]趙軍，袁建暢，基于模態分析的高速卷繞頭卡盤軸動態特性研究[J].西安工程大學學報，2013（06）.

[5]曹樹謙，張文德，蕭龍翔.真的結構模態分析-理論、實驗與應用[M].

[6]董學武，楊艷艷，張曦等.高速卷繞頭套筒的模態分析[J].中原工學院學報，2015（01）.

作者簡介：張君浩（1992-），男，河南鄭州人，研究生，主要研究方向：機械振動。