基于Simulation 的車載雙軸攪拌器模態(tài)分析

陳 毅

(河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué) 汽車工程系,河北 承德 067000)

熱再生瀝青路面養(yǎng)護(hù)車是高速公路和各等級(jí)公路施工養(yǎng)護(hù)的主力裝備之一,是公路養(yǎng)護(hù)機(jī)械化和智能化的關(guān)鍵設(shè)備。而雙軸攪拌器作為路面養(yǎng)護(hù)車的關(guān)鍵設(shè)備,負(fù)責(zé)將滾筒排出的瀝青混合料再進(jìn)行充分的攪拌并進(jìn)行輸送,最終傾卸到路基上進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)。瀝青混合料進(jìn)入攪拌器以后,攪拌器在攪拌過(guò)程中,同時(shí)推動(dòng)瀝青混合料往車后移動(dòng),其中攪拌軸所承受的軸向力和徑向力比較大,在工程實(shí)踐中容易發(fā)生頻率共振和疲勞破壞,所以對(duì)攪拌軸進(jìn)行模態(tài)頻率分析具有很大的工程實(shí)踐意義[1]。

1 攪拌軸有限元模型

如圖1 所示,瀝青混合料雙軸攪拌器主要由攪拌器箱體、攪拌葉片和攪拌軸等組成。如熱再生瀝青路面養(yǎng)護(hù)車在施工作業(yè)中,邊行走邊進(jìn)行路面養(yǎng)護(hù)作業(yè),雙軸攪拌器攪拌的工作頻率和汽車行走以及發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率在理論上存在共振的可能性,這樣對(duì)整車和攪拌器是非常不利的,嚴(yán)重的時(shí)候可能造成損壞,甚至于影響駕駛員的舒適性。該雙軸攪拌器的兩根攪拌軸總體上采用方軸結(jié)構(gòu),給安裝攪拌葉片帶來(lái)方便,攪拌葉片通過(guò)螺栓聯(lián)結(jié)固定在攪拌方軸上。攪拌軸的三維有限元模型如圖2 所示,其中網(wǎng)格單元總數(shù)23 031 個(gè),節(jié)點(diǎn)總數(shù)36 814 個(gè),單元大小10.7 mm。

2 攪拌軸頻率分析參數(shù)

攪拌軸設(shè)計(jì)是在圓周的基礎(chǔ)上銑出每個(gè)葉片的安裝固定平面,兩端留出軸承安裝孔位,其中一根軸要和驅(qū)動(dòng)電機(jī)相聯(lián),主動(dòng)軸通過(guò)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)從動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。其中攪拌軸的材料物理參數(shù)和模態(tài)分析用到的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 攪拌軸參數(shù)

模態(tài)分析是經(jīng)典動(dòng)力學(xué)分析(包括諧波響應(yīng)力分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析及頻譜分析等)的基礎(chǔ),其標(biāo)準(zhǔn)定義是將線性振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)系,聯(lián)立方程組求解,成為一組模態(tài)和模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程組,以便求出系統(tǒng)的模態(tài)方程參數(shù),利用模態(tài)分析矩陣進(jìn)行坐標(biāo)系變換,矩陣的每一列為模態(tài)振型[2]。對(duì)于模態(tài)分析方程,其中振動(dòng)頻率ωi和模態(tài)參數(shù)φi是利用下面的方程求解得出的。

3 攪拌軸的模態(tài)分析

本文利用Solidworks 仿真分析模塊中的Simulation 模態(tài)分析軟件對(duì)雙軸攪拌器的攪拌軸進(jìn)行模態(tài)分析。該模態(tài)分析是帶載荷的頻率分析,在攪拌軸兩端固定,葉片安裝位置在攪拌過(guò)程中受力情況下的振型圖,取攪拌軸的前六階固有頻率,模態(tài)分析得到的各階振型如圖3 所示、各階固有頻率如表2 所示。

從攪拌軸的前六階振型圖3 可以看出,第一階和第二階振型圖主要在中間和兩端出現(xiàn)彎曲振動(dòng),變形最大的為攪拌軸的中部,第三階和第四階振型圖主要在兩端大約1/4 和3/4 處出現(xiàn)彎曲振動(dòng),同時(shí)在該兩處位置變形也最大,第五階和第六階振型圖主要在中間和兩端出現(xiàn)彎曲振動(dòng),整體形成兩個(gè)S 彎曲變形,主要是出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和彎曲振動(dòng)以及彎扭耦合組合振動(dòng)[3]。前六階振型圖中頻率最小的是一階振型,頻率為267.57 Hz,頻率最大的是六階振型,頻率為1 366.5 Hz。其余第一、二階頻率、第三、四階頻率、第五、六階頻率兩兩相差很小,相差很小的這幾階固有頻率屬于危險(xiǎn)共振頻率范圍,在生產(chǎn)和工作時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)發(fā)生共振[4]。

表2 各階固有頻率

4 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)車載雙軸攪拌器的結(jié)構(gòu)和工作原理分析,重點(diǎn)對(duì)攪拌軸進(jìn)行了有限元分析和模態(tài)分析,并根據(jù)模態(tài)分析的參數(shù),計(jì)算出攪拌軸的前六階振型圖和每階振型的固有頻率,對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析,對(duì)雙軸攪拌器的正常工作起到了極大的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。