錘片式粉碎機轉子系統的模態分析

唐廣凱 劉國昌 張紅梅

摘要：為例研究錘片式粉碎機在啟動過程中轉子的動態響應規律，利用ANSYS軟件對粉碎機轉子系統進行模態分析，得到了轉子部分的前六階模態振型，并根據模態振型的固有頻率得出了轉子系統的前六階臨界轉速。結果表明轉子部分的第二階臨界轉速在額定轉速范圍內，因此粉碎機在工作時應盡量避開這個轉速；測得轉子部分在不同支承剛度條件下前三階振型的固有頻率和最大相對位移，分析了前三階振型的固有頻率和最大相對位移隨支承剛度的變化規律，認為轉子系統應使用支承剛度較小的滾動軸承。研究為錘片式粉碎機轉子組的動態特性分析和減振降噪設計提供了理論依據。

關鍵詞：錘片式粉碎機；轉子；模態分析

引言

錘片式粉碎機是飼料工業中應用最為廣泛的粉碎機械之一，其良好的通用性、可靠的工作性能和便宜的價格優勢備受飼料加工業青睞。目前國內外對錘片式粉碎機工作效率的影響上，其研究目的多在于提高粉碎機效率，節能降耗。但對轉子系統的模態分析相對較少。轉子是粉碎機中高速運轉的部分，如果轉子所受的激振頻率與自身的固有頻率接近，就會激發共振，增大噪聲。因此獲取掌握轉子系統的固有頻率和振型參數，對于改善粉碎機的振動和噪聲，提高整機的綜合性能指標具有重要意義。本文利用ANSYA Woekbench模態分析模塊，對課題組研制的新型錘片式粉碎機轉子系統的自振頻率特性進行研究。

1錘片式粉碎機的概述

隨著我國經濟的不斷發展和市場需求的不斷擴大，每年都需要加工大量的動物飼料，飼料加工行業已經成為我國總體經濟中不可或缺的一部分。而飼料工業的高速進步，也促使了粉碎設備需求量的增加。錘片式粉碎機是我國國內使用量最大的粉碎機類型，該設備主要利用轉子系統帶動錘片做高速運動，通過其與物料之間的撞擊與摩擦達到粉碎的效果。目前，錘片式粉碎機仍舊有著包括高能耗、低粉碎率等在內的許多不能被忽視的不足之處，所以研究錘片式粉碎機結構和性能方面對提高粉碎產量，擴大經濟效益有重要意義。粉碎是制造飼料的核心環節，常常采用撞擊，摩擦，碾壓或切割的方式。錘片式粉碎機的重要組成部分有動力系統、篩片、轉子、進料與出料口等，其中轉子系統包含主軸、錘片、錘架板等，粉碎機進行粉碎作業時，粉碎原料經進料口投入粉碎室中，在粉碎室內經由錘片的沖擊，被粉碎為小顆粒物料，小顆粒物料與篩網發生摩擦時，滿足篩孔條件的物料排出機體成為合格物料，不滿足條件的物料在粉碎室內繼續受到錘片沖擊，如此反復多次達到粉碎效果。因此，從粉碎粒度和效率出發進行錘片式粉碎機的研究正符合目前市場的需求。根據機械專業知識可知，對機械產品主要零部件進行適當的改進創新使其滿足國家標準和經驗公式，具有合理性的同時提高產品性能，效率和使用壽命[1]。

2模態分析

將利用SolidWoeks軟件建立的轉子系統模型保存為“.x-t”格式，然后導入ANSYA Woekbench。將轉子系統的材料屬性設置為“structuralsteel”，其特性采用默認值。對轉子系統進行網格劃分，設置“Relevance”為100，“Elementl Size”為0.005，其余采用默認設置。得到轉子系統劃分完成的網格效果圖。施加載荷與約束，在主軸上的兩個軸承安裝處施加彈性支承，支承剛度值設置為107N/m。得到轉子系統的前六階模態振型圖[2]。

3轉子系統臨界轉速

在轉子轉速達到某一定值時，會造成轉子的共振現象，這時的轉速稱為轉子的臨界轉速。為了避免共振引起的劇烈振動和噪聲產生，轉子部分的轉速應避開臨界轉速。臨界轉速可由轉子部分只作橫向振動時的固有頻率計算得到。

由表1可知轉子系統的第二階臨界轉速在錘片式粉碎機的工作轉速范圍內，所以錘片式粉碎機在工作時應盡量避開這個轉速。其余各臨界轉速均不在該錘片式粉碎機的工作轉速內，所以正常工作情況下轉子系統不會發生共振現象。

4軸承支承剛度對轉子動力學性能的影響

軸承的支承剛度對轉子部分的動力學分析有較大的影響，因為滾動軸承的徑向剛度值一般在此之間，所以假設轉子部分的兩個軸承的支承剛度相同，在此范圍內均為取20個點，在ANSYA Woekbench中得到不同剛度時轉子系統前三階模態振型的固有頻率與最大相對位移。降前三階振型的固有頻率和最大相對位移分別繪制為折線圖。在轉子系統前三階振型的固有頻率中，一階振型的固有頻率隨軸承支承剛度的增大有小幅增加，二階振型的固有頻率隨軸承支承剛度的增大而保持不變，三階振型的固有頻率隨著軸承支承剛度的增大而逐漸變大，但是增幅逐漸減小；對于該轉子系統前三階振型的最大相對位移，隨著軸承支承剛度的增加，一階和二階振型的最大相對位移保持不變，三階振型的最大相對位移逐漸增加，增幅先是增大，在0.45×109N/m附近達到最大值，隨后增幅又逐漸變小[3]。以上現象說明：若使用支承剛度較小的滾動軸承，可以降低第三階模態振型造成的振動，而不會造成第一、二階振幅的變化。因此該轉子系統應使用支承剛度較小的滾動軸承。測得軸承支承剛度分別為0.5×109N/m及1×109N/m時的轉子系統前六階模態振型圖。其轉子系統的三階和四階振型、五階和六階振型的固有頻率分別比較接近。通過分析三階至六階振型的固有頻率，認為課題組在對錘片式粉碎機的噪聲測量中測得的兩個較小的峰值信號893Hz和1263Hz，可能與改轉子部分的三階至六階模態振型相關[4]。

結束語

本文利用ANSYA Woekbench對轉子部分模態分析，獲得了轉子部分的前六階模態振型，并根據模態振型的固有頻率得出了轉子系統的前六階臨界轉速，根據結果發現轉子部分的第二階臨界轉速在錘片式粉碎機的工作轉速范圍內，因此粉碎機在工作中應避開臨近轉速；測得轉子部分在不同支承剛度條件下前三階振型的固有頻率和最大相對位移，分析了前三階振型的固有頻率和最大相對位移隨支承剛度的變化規律，得出結論：若使用支承剛度較小的滾動軸承，可以降低第三階模態振型造成的振動，而不會造成第一、二階振幅的變化。所以該轉子系統應使用支承剛度較小的滾動軸承；通過比較分析支承剛度分別為1×107N/m、5×108N/m、1×109N/m情況下的轉子系統前六階模態振型，認為課題組對錘片式粉碎機的噪聲測量試驗中測得的兩個較小的峰值信號893Hz和1263Hz，可能與該轉子部分的三階至六階模態振型相關，由轉子部分產生。

參考文獻

[1]黃陽，張鋼，周靛，etal.臥式ORC余熱發電機轉子軸承系統的模態分析[J].工業控制計算機，2017（9）：8-10.

[2]孔騰華，鞏桂芬.氣壓噴吹的錘片式粉碎機設計[J].飼料工業，2017，38（23）：14-20.

[3]阮競蘭，張雷，曾國良.錘片粉碎機封閉式轉子結構的動力學分析[J].糧食與飼料工業，2014，12（10）：43-45.

[4]王正浩，孫成巖，劉大任，等.基礎柔性的轉子系統振動模態分析[J].沈陽建筑大學學報（自然科學版），2013，29（2）：367-371.

（作者單位：中糧生化能源（肇東）有限公司）