非晶薄带高速卷取装置设计与模态分析

李 贺，宋言明，杨 洋

（北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100191）

0 引言

非晶态合金材料具有优异的电磁特性，其突出特点是高磁导率、低铁损［1］。带宽50 mm以上的非晶薄带生产，需要在制带机喷出带材后立即对其进行卷取，高速卷取装置就是用来实现带材抓取、卷取的关键设备。

本文针对某80 mm带宽非晶薄带生产线的要求，对高速卷取装置的结构进行了设计，通过有限元分析软件对卷取辊筒装置进行了模态分析，并对设备进行了模态试验，为卷取装置的高速旋转提供理论依据。

1 高速卷取装置的设计

1.1 总体设计思路

卷取装置属于高速旋转机械，其结构存在与其他旋转机械类似的振动问题。为了从结构设计上减小装置可能存在的振动，对结构设计的整体思路归纳如下：①降低直线运动小车基座高度，增加基座重量；②提高卷取辊筒装置的刚度，改善装置的动力学特性；③调整卷取辊筒临界转速数值，使其转动频率避开设备的共振区域；④选用高精度轴承，提高轴承－转子系统的回转精度；⑤装置各部分安装要有隔振措施，保证各部分之间的振动隔离以及与外界振动源的隔离。

1.2 直线运动小车的设计

直线运动小车是卷取辊筒装置的支承平台，是卷取装置进行工位变化的执行部件。小车由基座和直线运动驱动装置组成，其三维效果图如图1所示。

小车基座设计为箱体结构，支承部分由几块形状不同的板件采用焊接工艺拼装而成，通过螺栓与小车的底盘部分相连，这种结构有利于底盘部分驱动装置的安装与维修。

图1 直线运动小车三维效果图

小车底盘通过滑块安装在两相互平行的高精度直线运动导轨上。该直线导轨采用罗升公司HGW35cc高精度滚珠线性导轨，具有自动调心能力，并且在各方向上都具有很高的刚度，能够在重载情况下保证小车的平稳运行，从而降低小车运行对辊筒振动的影响。

小车的驱动方式采用链轮驱动履带式传动装置。安装在小车底盘上的电机经过减速器将动力传递到输出轴上，位于输出轴上的链轮与安装在地基上的链条相互啮合从而使链轮向前转动，带动小车沿着直线运动导轨往复运行。由于直线运动小车惯性较大，在电机输出轴端加装电磁制动器，使小车制动时能够快速准确定位。

1.3 高速卷取辊筒装置的设计

高速卷取辊筒装置是卷取装置的核心部件，主要实现对非晶薄带的抓取和卷取动作。

辊筒装置的结构示意图如图2所示。卷轴1两端铰装在轴承座上，右端与锥盘4通过螺栓连接在一起；卷筒5通过锁紧螺母3与锥盘4压紧，实现卷取辊筒的快速对心和装卸，形成一个能快速装卸的卷取辊筒装置。

图2 辊筒装置结构示意图

为实现抓带动作，卷取辊筒的外表面设计了负压吸附孔并镶嵌永磁体，通过吸负压力与磁场的交叉增大吸附力，提高非晶薄带的抓取效率。辊筒的高速旋转是由电机带动同步带轮转动，通过卷轴将动力传递到辊筒上，辊筒的驱动方式示意图如图3所示。

图3 辊筒驱动方式示意图

为提高轴系的刚度，降低因轴承与轴承座的间隙配合引起的振动，采用通体式轴承座设计。轴的支撑采用一端固定、一端活动的方式，在固定端采用两精密角接触球轴承7030C，并采用背对背的安装方式，可承受轴向和径向的负载；在活动端使用深沟球轴承6026，在承受径向载荷的同时，使主轴在轴向具有一定的位移［2］。高速卷取装置的最终效果图如图4所示。

图4 高速卷取装置效果图

2 基于ANSYS的辊筒轴系模态分析

2.1 辊筒轴系有限元模型的建立［3］

考虑到设备的复杂性及小车基座的刚度很大，对有限元模型进行简化。简化后的有限元模型主要包括卷轴、轴承、锁紧圆螺母、锥盘以及辊筒。

通过Solid Wor ks建立有限元分析模型，并保存为IGS格式导入ANSYS／Wor kbench环境下进行分析，各部件材料的力学参数见表1。

2.2 定义边界条件

在分析中，忽略轴与轴承之间的相对转动，忽略滚子在轴承内的运动，各零部件间均采用绑定接触。

表1 各部件材料的力学参数

2.3 网格划分

为保证计算的精度，轴承部分网格划分设置为精密，其余部分设置为粗糙。网格划分如图5所示。

图5 网格划分

2.4 仿真结果分析

由模态叠加法可知，位移响应中低阶振型对结构的振动影响较大，对结构的动态特性起决定作用［4］。为此，取轴系的前6阶固有频率进行分析，见表2。辊筒轴系前6阶模态振型如图6所示。

表2 辊筒轴系前6阶固有频率

由模态分析可知，一阶振型表现为辊筒沿重力方向的振动，二阶振型表现为辊筒沿水平方向的振动，这与设备实际运行时辊筒表现出的振动形态一致。

3 模态试验

3.1 试验系统组成

试验系统包含高速卷取装置、红外测速仪、压电加速度传感器、数据采集卡、功率放大器和软件分析系统等。试验中，加速度传感器安装在卷轴动力输入端的水平和垂直两个方向。

3.2 模态试验分析［5］

模态中采集到的设备水平和垂直方向上的振动速度频谱如图7所示。经过数据处理，卷取装置在水平方向的最大振动速度峰值出现在频率47.5 Hz处，为0.475 3μm／s；垂直方向上的最大速度峰值出现在频率25.5 Hz处，为1.239 4μm／s。

由于辊筒重力影响，高速卷取装置垂直方向上出现了较大幅值的振动，需对卷取辊筒部分优化设计，来提高设备的整体刚度。

图6 模态分析的前6阶振型

4 结论

旋转机械的振动是设备出现故障的常见原因，通过对高速卷取装置结构的合理设计、利用软件仿真以及模态试验3个方面保证该卷带设备的正常工作。经过大量的现场试验，验证了该设备的实用性，并获得了大量的试验数据和控制经验，为最终非晶薄带制取和卷取的联合试验奠定了基础。

图7 振动速度频谱

［1］ 周少雄.非晶态合金材料的发展现状及在配电变压器中的应用［J］.新材料产业，2010（3）：39－43.

［2］ 成大先.机械设计手册［M］.第5版.北京：机械工业出版社，2008.

［3］ 段进，倪栋，王国业.ANSYS11.0结构分析从入门到精通［M］.北京：兵器工业出版社，2006.

［4］ 沃德·海伦，斯蒂芬·拉门兹，波尔·萨斯，等.模态分析理论与试验［M］.白化同，郭继忠，译.北京：北京理工大学出版社，1996.

［5］ 傅志方，华宏星.模态分析理论及应用［M］.上海：上海交通大学出版社，2000.