基于模态分析的瓦楞机机架减振研究

吴斌方, 袁瑜瑾 , 袁　博, 王天宝， 韦　全， 陈　妍

(1 湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068;

2 武汉城市职业学院机电学院，武汉4300643; 3 内蒙古交通职业技术学院招生就业处，内蒙古 赤峰 024000)



基于模态分析的瓦楞机机架减振研究

吴斌方1, 袁瑜瑾1, 袁博2, 王天宝3， 韦全2， 陈妍2

(1 湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068;

2 武汉城市职业学院机电学院，武汉4300643; 3 内蒙古交通职业技术学院招生就业处，内蒙古 赤峰 024000)

[摘要]针对瓦楞机机架工作时强烈振动的现象，使用三维软件建立了机架的三维模型。通过对隔振板赋予不同的材料属性来模拟混凝土填充状态。用有限元软件对机架进行模态分析，得到了瓦楞机机架的前六阶模态的固有频率和振型。将仿真数据与实测数据比较，发现选择合适的填充状态可以避免共振。

[关键词]瓦楞机； 机架； 固有振型

瓦楞机机架是单片瓦楞机的核心组成部分之一，由瓦楞机两个支撑侧板，一个隔振板，二个底板组成[1-3]。侧板、隔振板与底板之间由12个螺栓从底座底部自下而上预紧固定。在瓦楞机工作时，由于外界的激励，机架必定会产生振动，也会产生一定的形变与应力，应力应变过大会导致瓦楞机机体产生裂纹，更严重的会使底座螺栓发生疲劳断裂，影响瓦楞机的正常工作，因此在设计中有必要对其进行模态分析[4-5]。

1有限元模态分析原理

模态分析的目的是变换坐标，使原来的物理坐标变为模态坐标，从而使解耦的方程带有模态坐标与模态参数，方便求解模态参数。在机械振动分析中，经常要考虑机体结构的固有特性，也就是振动模态。模态分析可以通过计算得到各阶的模态参数以及在某一频率范围之内的主要模态特性，然后实际的振动响应就可以在各种振源下求解[6-7]。

2机架的有限元分析过程

2.1建立机架的三维模型

机架的实际结构复杂，两侧箱体与隔振板之间有两组螺栓联接，隔振板内部由带板子的框架构成，中间是混凝土填充，隔振板下面是两块钢板底座。ANSYS workbench有建模功能，但复杂零件的建模操作非常复杂。本文采用Pro/E三维软件建模。Pro/E具有强大的三维参数化建模功能，为有限元分析提供了方便，在有限元分析中，为了避免许多小倒角、小圆角对机架刚度的影响，对机架简化很有必要。

2.2侧板三维模型导入Ansys workbench14.0

Iges与Parasolid文件格式是有限元软件与ProE之间常用的数据交换格式。根据导入的效果，最终选择Parasolid为最终的交换格式。Parasolid支持实体建模，支持布尔运算，Ansys workbench14.0本身也含有Parasolid的转化过滤器，因此选Parasolid数据转化是比较快捷的方法。首先将机架三维模型导入Ansys workbench14.0，定义材料属性，网格长度设置为0.001 m，机架网格划分如图1所示。

2.3定义机架的材料属性

机架的两侧板材料为HT300。 HT300具有良好的减振性和耐磨性， 通过查手册可知其弹性模量E=1.25×1011Pa， 泊松比ν=0.25， 密度ρ=7 200 kg/m3， 其他的隔振板与底座均是普通钢， 弹性模量E=2×1011Pa， 泊松比ν=0.3， 密度ρ=7 800 kg/m3。

2.4确定机架的边界条件

所谓的施加边界条件就是限制约束自由度，两侧板与隔振板之间由10个直径为20 mm螺栓联接在一起，隔振板与下面两地板用12个M16螺栓联接，最下板由于与地基相连，故在建模时应该对最下板施加固定接连。

2.5Bruel&Kjar测量瓦楞机机架工作时的频率

在现场测量振动数据时，用Type-3560-B-T15-Serial No2573185的Bruel&Kjar测量机架在工作时的隔振板工作频率分别为130 Hz、260 Hz、390 Hz、510 Hz、640 Hz、770 Hz、910 Hz，结果表明其最小载荷频率为130 Hz。

3机架的模态分析

在机架的结构模态分析过程中，由于高阶模态所占的能量比较小，当隔振板材料属性过小，隔振效果将起到作用，但是对底座螺栓的疲劳强度有所影响。当选取的隔振板的材料属性过大，机架隔振的效果不好，螺栓不会受到振动的影响，但会产生振动噪音。故可以通过改变隔振板的材料属性，选取不同的材料属性去模拟隔振板实际的刚度。隔振板三种材料属性如表1所示。

表1　隔振板三种材料属性

根据1号隔振板材料属性，当隔振板未填充混凝土，得出机架前六阶的固有频率如表2，振型图如图2。

表2　1号隔振板的机架前六阶的固有频率

图 2　1号隔振板的机架前六阶振型图

根据2号隔振板材料属性，当隔振板填充混凝土，得出机架前六阶的固有频率见表3，振型图见图3。

表3　2号隔振板的机架前六阶的固有频率

图 3　2号隔振板的机架前六阶振型图

根据3号隔振板材料属性，可以得出机架前六阶的固有频率见表4，振型图见图4。

图 4　3号隔振板的机架前六阶振型图

模态阶数振型固有频率/Hz1机架整体Y方向摆动39.2962机架侧板与横梁Z方向扭转96.5813机架整体Z方向外弯曲113.164机架横梁外弯曲128.845机架侧板横梁内弯曲140.816机架整体内弯曲157.86

4模态计算结果分析

从图2可以看出一阶隔振板的固有频率较低，只有34.389 Hz左右，容易引起振动，振型主要是机架的上部分沿着Y方向左右摆动，机架顶部横梁的摆动幅度最大，隔振板与底座处的摆动幅度最小，摆动会造成结构连接处的疲劳破坏。二阶振型主要是机架两侧板的Z方向扭转，两侧板的两端顶部两角摆动幅度最大，而隔振板与地板摆动幅度最小，这样的扭转会导致上下瓦楞辊接触处错位，影响瓦楞纸的质量。三阶振型主要是机架整体Z方向外弯曲，这样会导致底座联结螺栓组松动和疲劳寿命降低。四阶振型主要是机架横梁外弯曲，横梁弯曲会影响机架侧板之间的联接稳定性。五阶振型主要是机架侧板横梁内弯曲，这样会导致横梁强度降低。六阶振型主要是机架整体内弯曲，这样产生瓦楞机整体振动而影响横梁。

1号隔振板内未填充混凝土时，机架的整体变形最小，机架的五阶频率136.23 Hz与实测频率130 Hz比较接近，可能会发生共振。2号隔振板填充混凝土后，固有频率变大，避免了共振，机架的整体变形由未加混凝土的整体变形量0.023 mm变化为0.023 9 mm，因此混凝土的填充能起到机架的隔振效果。3号隔振板的固有频率最大，机架的整体变形量为0.024 mm，表明在机架振动不是很大的情况下，该组材料属性最能起到隔振效果。

[参考文献]

[1]朱建萍.包装机械设计方法研究[J].包装工程，2007,28(7)：97-99 .

[2]陈奎孚.机械振动基础[M].北京：中国农业大学出版社，2011:156-162.

[3]熊桂超.超细瓦楞纸板生产线关键机构的运动学和动力学仿真[D].广州：华南理工大学，2011.

[4]李洁，阮军.变速箱题网格划分策略研究[J].沈阳理工大学学报，2009(3)：87-90.

[5]鲁琳，薛冬新.某机车用柴油发动机组的隔振分析[D].大连：大连理工大学，2013.

[6]吴斌方，能华，张静，等.基于有限元分析的瓦楞机支撑侧板结构优化设计[J].包装工程， 2014, 35 (5):62-66.

[7]吴斌方，袁博，严明霞，等. 基于UG和ANSYS软件的瓦楞辊振动与模态分析[J].包装工程,2013,34 (3):55-58.

[责任编校： 张众]

Research of Corrugated Board Machine Rack Damping Based on the Modal Analysis

WU Binfang1,YUAN Yujin1, Yuan Bo2, WANG Tianbao3， WEI Quan2, CHEN Yan2

(1SchoolofMechanicalEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China;2WuhanCityVocationalCollege,Wuhan430064,China;3InnerMongoliaTransportationVocationalTechnicalCollege,Chifeng024000,China)

Abstract：Aiming at the corrugated rack strong vibration phenomenon, the study used the three-dimensional software to build a three-dimensional model of the rack. It then gave the isolation plates different material properties to simulate the concrete filling state. A modal analysis was conducted on the rack, obtaining six modal inherent frequencies and the vibration mode of the corrugated rack. The comparison of simulation data with the experimental data suggests that to select the appropriate filling state will avoid resonance.

Keywords：corrugated machine; rack; the inherent vibration mode

[中图分类号]TP391.9

[文献标识码]：A

[文章编号]1003-4684(2016)01-0015-03

[作者简介]吴斌方(1961-)， 男， 湖北武汉人，湖北工业大学副教授，研究方向为机电产品研发

[收稿日期]2015-10-16