基于模態分析的寬厚板拋丸機箱體改造設計

易 超，方 威，劉 超，石文斌

（湖南湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411101）

寬厚板拋丸機是熱處理工序主要設備之一，利用拋丸器拋出的高速彈丸清除鋼板表面的氧化鐵皮，是一種表面處理設備[1]。拋丸機的拋丸室一般裝有幾個拋丸器，見圖1，裝在上下層不同的位置上，從不同的方位拋射丸料，以提高拋丸機的拋丸效率和拋丸質量[2]。

圖1 拋丸器結構

模態分析是一種研究結構動力特性的近代方法，用于工程振動領域。機械結構均有其固有的振動特性，每一個模態均具有特定的固有頻率、阻尼比及模態振形[3]。一般運用有限元計算方法進行模態分析。目前模態分析已廣泛運用在新產品設計中的結構動態特性的預估及優化設計、現有結構系統的動態特性研究、故障診斷及預報等方面。某寬厚板廠拋丸機在使用過程中拋丸器的使用壽命不夠理想，拋丸機箱體振動過大，分析認為箱體剛度不夠，本文將利用模態分析方法對拋丸機箱體進行剛度分析改進[4]。

1 現有拋丸機箱體分析

拋丸機箱體用于安裝拋丸器及電機等零部件。利用solidworks軟件對箱體模型幾何清理并對倒角、螺紋等細節部位用更規則的特征進行代替后得到簡化模型，參考圖2。箱體所用材料的參數見表1。

圖2 原拋丸機箱體簡化結構圖

同樣利用solidworks軟件里的simulation功能對箱體進行網格劃分，共劃分單元212482個，節點425433個，單元平均大小為30mm。對箱體兩體立板進行固定約束后進行模態分析，在進行模態分析時不需要對研究對像進行外部載荷添加。由于在結構振動中，低階模態和高階模態所占的百分比呈指數關系分布，因此高階模態所決定的振動特性很小，低階模態更能準確反映系統自然振動時的變形情況，本文提取箱體的前4階模態，得到箱體的前4階固有頻率，其結果見表2和圖3。從結構振型圖3分析可發現箱體中安裝拋丸器處的振幅處于較高水平，直接影響到拋丸器的使用性能，應予以關注[5]。

向上（即水平橫向）的平移振動，由于箱體立板厚度較小，且兩側立板跨度過大，立板無肋板加強，該模態對箱體水平橫向剛度影響較大，同時影響拋丸器及電機的軸承在橫向的徑向振動。第2階模態為箱體沿Y軸（即豎直方向）上的上下振動，該模態直接影響拋丸器及電機的軸承在豎直方向上的徑向振動，對電機和拋丸器的使用壽命有較大影響，同時也影響了拋丸器及電的連接螺栓的剛度。第3階模態為箱體沿X軸（即拋丸機物料運輸方向）上的前后振動，該模態影響拋丸器及電機的軸向竄動。第4階模態為箱體繞Z軸的前后扭轉，導致兩側立板所承受重量不平穩，影響整個箱體的使用性能。因此在改進設計時應增加鋼板厚度，同時根據現場情況增加肋板，以此提高整個箱體的剛度。此外本文還將考慮將安裝拋丸器及電機的頂板進行改進，改為合成式箱體結構，單獨設計一個箱形結構用于安裝拋丸器。由于拋丸器中葉片及分丸輪等旋轉零件均采用鑄造加工方式，其加工精度有限，對拋丸器的動平衡影響極大，而拋丸器中葉片及分丸輪工作時是處于高速旋轉狀態的，實際使用過程中采用稱重的方式可以適當提高其動平衡性能。在采用箱形結構用于安裝拋丸器后由于箱形結構具有較高的剛度，也可以有效降低拋丸器的振動幅度。

2 外界激振頻率分析

本文所述箱體實際使用過程中除受到拋丸器及其電機的激勵外還受到箱體外安裝的輥道及丸料輸送螺旋的激勵，由于使用過程中拋丸器及其電機所產生的影響更大，因此僅以拋丸器及其電機作為研究對像。生產過程中拋丸器及電機大部分時間均在運行，拋丸器電機的額定轉速n為1480r/min，經過皮帶加速后拋丸器的額定轉速為2548.89r/min。則電機的激振頻率為:f電=2nπ/60=154.91Hz，拋丸器的激振頻率為:f拋=2nπ/60=266.78Hz。而箱體的第五階固有頻率遠小于電機及拋丸器的激振頻率，因此不會發生共振。在改進設計中仍然需要避開此兩處激振頻率。

3 改進后拋丸機箱體分析

根據上文中的改進方案對箱體進行優化建模后得到圖3的改進箱體模型。該方案中將箱體所用鋼板由20mm改為60mm，兩側立板增加肋板，箱體內部局部位置增加肋板，頂部則另外新增一個箱型結構用于安裝拋丸器。

圖3 改進后拋丸機箱體模型

同樣網格劃分方式及加載方式對改進后的箱體進行模態分析，得到箱體的前4階固有頻率，其結果見表1。此外得到了前4階模態的振型圖。由于結構的固有頻率也反應了其剛度，固有頻率越低證明結構越柔，反之則剛度越大。外界激振頻率應遠離結構的固有頻率，一般大于或小于外界激振頻率的10%～20%[6]，比較后發現第4階模式的固有頻率相比電機的激振頻率較近，但仍有一定差距，因此不會出現共振。從表1中可以發現改進后的箱體固有頻率有較大提高，證明改進后的箱體剛度有較大幅度提度。

表1 改進后箱體前4階模態固有頻率參數

4 改進后上箱體模態分析

改進后的箱體中將箱體分為了兩部分，上箱體單獨劃分出來用于安裝拋丸器，也應單獨進行分析。采用同樣方法進行分析可以得到上箱體的前4階固有頻率及振型圖，其結果見表2。從表2可以發現前4階固有頻率相比前兩次分析有大幅提升，表面其剛度極佳，同時仍和外界激振頻率相差兩個數量級，亦不會出現共振。因此相比箱體整體進行改進而言單獨增加上箱體對剛度的提升更為明顯。

表2 上箱體前4階模態固有頻率參數

5 實際改造應用

實際改造應用中按上述研究思路對拋丸機箱體進行了改造。材料選擇上選用了高強鋼板，進一步提升了剛度。經過一段時間的應用發現拋丸器及電機的震動大幅度下降，有明顯改善，且拋丸器葉片斷裂、拋頭軸承燒損等情況有所改善，拋丸器的使用壽命也得到了明顯增加，證明改造思路正確。

6 結語

本文以某寬厚板廠拋丸機箱體為研究對象，利用模態分析對箱體剛度進行評估并根據分析結果進行了針對性的設計改造，改造后的箱體使用情況良好，振動基本消除，大幅度提高了拋丸器的使用壽命。本文得出如下結論：

（1）提高結構的剛度是降低振動的有效辦法，根據分析在對拋丸器箱體進行拆分后，由于改進后的箱體慣性矩得到了大幅提升，其前4階固有頻率相比原有箱體也有明顯增加，采用箱型結構的上箱體其剛度相比原有箱體的剛度提高了兩個數量級，這是改造結果中的振動降低的根本原因。

（2）在對結構進行優化時，在提高剛度的同時應考慮避開外界激振頻率，避免共振的情況。