钢轨焊缝磨床床身动态特性分析及优化

孔 杰



钢轨焊缝磨床床身动态特性分析及优化

孔 杰*

(贵州电子信息职业技术学院 机电工程系, 贵州 凯里, 556000)

使用三维造型软件建立钢轨焊缝磨床的床身. 使用有限元分析软件ABAQUS对床身做了模态分析, 获得了床身的固有频率和振型. 讨论了不同的筋板结构布局以及不同部位的筋板厚度对床身动态特性的影响. 最终通过增加床身的高度, 提高了床身的固有频率.

磨床; 床身; 筋板; 模态分析

在整个钢轨焊缝磨床的各个组成部分中, 床身所发挥的作用是非常重要的, 它起着支撑拖板、磨头系统、夹持定位装置等部件的作用. 床身采用一次性整体浇铸, 具有较好的刚性和抗变形能力. 为了便于设备移动, 配有3组滚轮(中间一组滚轮带有偏心套, 偏心量为5 mm, 用于调整与另外2组滚轮的水平), 通过欧迈特减速机经过锥齿轮传动, 驱动床身纵向移动, 实现焊缝与设备的初步对位[1].

钢轨焊缝磨床的床身不是安装在地面, 而是行走在轨道上的, 约束的减少容易造成床身受力不平衡, 在外部激励下容易产生比较大的振动. 近几年, 机床设计者逐渐关注床身对机床整机动态性能的影响, 不少研究者对床身结构进行了优化改进. 对于钢轨焊缝磨床床身, 将建立8种不同筋板结构的模型, 分析各自动态特性, 通过比较找出最优的方案. 并对最优方案进行筋板厚度对床身动态特性影响的灵敏度分析, 找出进一步优化的方案.

1 原床身结构动态特性分析

床身的纵向长度为5 200 mm, 宽度为1 500 mm, 高度为520 mm. 床身筋板结构采用井字型, 由2横7纵组成. 为了减轻筋板的重量和铸造的要求, 在筋板上开了方形和圆形的出沙孔. 床身立筋板和壁厚均为30 mm, 底面平筋板为25 mm, 采用四面体(C3D4)单元对床身进行自动划分网格. 为了保证网格的质量, 首先要对床身进行简化处理, 删除床身上的细小结构. 其中包括一些细小的螺栓孔、凸台、倒角等. 并对床身上复杂小曲面进行虚拟拓扑处理(见图1).

图1 原床身结构网格模型

在建立床身有限元模型的基础上对其进行模态分析, 床身的材料为灰铸铁HT250, 材料密度7.2 × 10-9T/mm3. 材料弹性模量设置为1.2 × 105MPa, 泊松比设置为0.25. 因为床身可以在轨道上行走, 所以采用自由模态分析, 前6阶的固有频率都为0 Hz, 最低固有频率从第7阶开始, 将7阶固有频率作为第1阶固有频率, 以后各频率以此类推(见表1).

表1 原床身前4阶固有频率

第1阶到第4阶固有频率对应的振型见图2.

图2 原床身第1 阶到第4 阶振型图

从模态分析结果可以得出, 原床身的最低固有频率偏低. 在图2中, 床身的弯曲变形和扭转变形都比较明显, 主要是轴方向的弯曲变形和绕轴的扭转变形.

2 床身筋板类型对动态特性的影响

对原床身的振型分析后发现, 床身的弯曲变形和扭转变形都很明显. 通过改变床身的筋板结构, 采用不同的布局形式来优化床身的动态性能. 原床身的筋板采用2横7纵井字型结构, 底面有平筋板(图3).

图3 原床身筋板布置图

新床身外形尺寸与原床身相比没有变化, 改进后的床身筋板分别采用井字型、W型和米字型结构, 筋板厚度30 mm, 壁厚30 mm. 井1型在横向减少一道筋板和纵向减少2道筋板. 井2型纵向减少两道筋板, 横向筋板数量不变. 井3型是横向筋板数不变, 纵向增加两道[2]. W型和米字型改变了筋板的结构, 其中W1型和米1型相对于原床身筋板数减少了, W2型、W3型和米2型筋板类型的筋板数都有所增加(图4).

图4 8种新型筋板布置的床身

通过模态分析后, 得到了8种筋板类型床身的前3阶固有频率. 将原床身和新设计床身的前3阶固有频率做了对比(见表2).

表2 各类型筋板的床身前3阶固有频率

从表2可以看出新设计的8种方案床身中, 前3阶固有频率相比原床身都有所改变. 在井字型3种方案中井2型、井3型固有频率有所升高, 而井1型固有频率有所减低. W型3种方案都是第1阶固有频率降低, 而第2阶、第3阶固有频率升高了. 在米字型2种方案中, 米1型的第1阶固有频率是降低的, 而第2阶、第3阶提高了. 米2型的前3阶固有频率都提高了. 在8种方案中, 米2型的第1阶固有频率增高的最多[3]. 原床身第2阶振型为绕X轴扭转变形, W型和米字型筋板结构的床身第2阶固有频率都有所提高, 说明这2种筋板结构可以减小床身绕轴的扭转变形.

3 床身筋板厚度对床身固有频率影响的灵敏度分析

以床身筋板的厚度作为变量, 研究不同部位的筋板厚度对床身动态性能的影响程度. 筋板厚度变化范围为从18 mm到42 mm. 床身不同部位的筋板示意图如图5所示. 在这里设定米2型床身中T1表示床身壁, T2 表示纵向筋板, T3表示斜向筋板, T4 表示横筋板, T5 表示水平筋板.

图5 米2 型床身筋板示意图

通过分析, 得到了T1到T5在不同厚度时对应的床身前3阶固有频率, 各数据标注于图6中. 从图6可以看出, 各筋板厚度变化的过程中, 代表床身前3阶固有频率的折线的走势变化很小, 所以针对此床身结构, 修改筋板的厚度对床身固有频率影响很小. 将不同筋板的厚度变化对床身第1阶固有频率的影响放在图7中做对比. 从图7可以看出, T5的厚度对床身第1阶固有频率影响的灵敏度相对要大一些, 但是第1阶固有频率的增长量还是不够理想.

表3 米1型床身不同高度的前3阶固有频率

图7 T1-T5 厚度对床身第1 阶固有频率影响的灵敏度对比图

所以通过分析, 综合床身主要在方向弯曲变形和绕轴扭转变形的振型图看, 认为床身的长度与宽度高度之比偏大可能是造成床身固有频率偏低的主要原因[4]. 在长和宽方面, 由于结构的原因不容易做出修改设计, 只能在高度方向有所改进. 所以在高方向增加床身的高度, 增加高度范围为50～250 mm. 考虑到如果选用米2型筋板的床身来增加高度, 必然会大幅增加床身的质量, 不能达到提高固有频率、减少床身重量的目的. 通过对表2中所有筋板类型的固有频率分析, 发现米1型筋板结构对床身的固有频率提高是有贡献的, 然而其重量比起米2型筋板结构的床身要轻很多,所以选择米1型筋板结构的床身加以高度方向的修改, 分析结果如表3所示. 米1型筋板床身高度对床身第1阶固有频率影响的灵敏度分析如图8所示.

图8 米1 型筋板床身高度对床身第1 阶固有频率影响的灵敏度分析

从表3和图8可以看出床身的高度对床身第1阶固有频率的影响很大. 原床身的高度是520 mm, 可以从表中看出当高度增加250 mm达到770 mm的时候床身固有频率可以达到132.62 Hz, 比起原床身的固有频率提高了39.4%. 将原来的井字型修改为米1型后获得的最低固有频率94.47 Hz, 修改为2型后获得的最低固有频率103.58 Hz, 修改米2型的T5筋板厚度后获得的最低固有频率为106.99 Hz, 而通过将米1型高度增加到250 mm获得最低固有频率为132.62 Hz. 通过有限元软件计算质量, 得到米2在修改T5筋板厚度获得最低固有频率为106.99 Hz的时候, 床身质量为7.51 t. 米1型床身加高250 mm后质量为7.21 t, 重量更小, 而动态性能更好[5]. 因此验证了此磨床的床身由于床身长度与宽度高度之比偏大, 造成了床身的固有频率偏低. 当将床身高度增加250 mm, 筋板类型改为米字型可以有效提高床身的固有频率. 高度为770 mm、筋板为米1型的床身3维模型图如图9所示.

图9 高度为770mm、筋板为米1 型的床身3 维模型图

4 总结

从分析结果可以看出, 原床身固有频率偏低, 各阶振型中弯曲变形和扭转变形都很明显. 对原床身的筋板结构做了调整, 设计了8种新型筋板结构, 并对修改后的床身做了动态特性分析, 得到动态特性提高的米字2型筋板结构的床身. 针对米2型筋板的床身做了筋板厚度对床身固有频率影响的灵敏度分析. 通过分析发现无论是改变筋板布局还是修改筋板的厚度对床身固有频率影响都很小. 最终通过增加米1型筋板结构的床身高度, 使床身的固有频率提高了39.4%. 原床身长度与宽度高度之比偏大造成了固有频率偏低.

[1] 艾兴. 高速切削加工技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2003: 34—56.

[2] 汤文成, 易红. 板厚对机床床身动态特性的影响[J]. 制造技术与机床, 1997 (3): 23—26.

[3] 周德康, 陈新, 孙庆鸿. 高精度内圆磨床整机动力学建模及优化设计[J]. 东南大学学报: 自然科学版, 2001, 12(5): 35—38.

[4] 崔中, 文桂林, 陈桂平. 高速磨床整机动态特性研究[J]. 中国机械工程, 2010, 21(7): 782—787.

[5] 刘晓平, 徐燕申. 机械结构结合部阻尼参数识别的研究[J]. 振动与冲击, 1995, 14(3): 61—86.

The dynamic characteristics analysis and optimization of rail weld grinding machine lathe ded

KONG Jie

(Mechanical and Electrical Engineering Department, Guizhou Vocational Technology College of Electronics and Iinformation, Kaili 550000, China)

The body of the rail weld grinding machine is built by using the three dimension (3D) software. With the help of ABAQUS, the implementation of the modal analysis of the body is completed, from which the inherent frequency and the vibration model are acquired. The influence of alternative layout of the stiffened plate structure as well as the thickness of the steel plate of different positions on the dynamic characteristics of the body are discussed. Simulation results show that the inherent frequency of the body can be improved by the adding of the body height.

grinder; lathe bed; ribplate; modal frequency analysis

TH 122

1672-6146(2014)01-0045-05

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.01.010

通讯作者email: lihan198712@126.com.

2013-11-26

(责任编校:刘刚毅)