精梳机支承结构动力学分析及其改进

李妍姝

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同，037000）

精梳机支承结构动力学分析及其改进

李妍姝

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同，037000）

精梳机支承结构的改进有利于精梳机精度的提高，意义重大。建立了精梳机支承结构CAD及CAE模型，通过有限元方法开展了动力学研究，得到了稳态响应特性。基于上述分析，提出了增加加强板条的改进方案，并与改进前的方案进行了对比。结果表明：结构改进后的固有频率值普遍提高30%左右，有助于解决精梳机提速后普遍存在的振动强、噪声大的问题，促进了新型纺织机械研究工作的开展。

精梳机；支承结构；动力学；有限元；固有频率

引言

精梳机支承结构是精梳机的重要组成部分，承载着所有零件、载荷及动反力作用。精梳机工作时往复运动零件的动反力及旋转零件的离心力均由支承结构所承受，因此支承结构强度直接制约精梳机精度[1]。通过建立精梳机支承结构的CAD、CAE模型，进而对支承结构进行动力学分析，有助于改进方案的提出。

1 支承结构CAD三维模型

精梳机支承结构为墙板与联接轴组合式，通过Solidworks软件建立三维模型，如图1所示。其中，支承结构主要由墙板、固连轴、固连板，以及锡林轴、上下钳板轴、喂卷罗拉轴、分离罗拉轴等零部件组成。

图1 精梳机支承结构CAD三维实体模型

支承结构所承受的载荷主要来源于精梳机钳板机构的往复运动。通过ADAMS建立虚拟样机运动模型，并进行动态仿真，以进一步分析确定支承结构系统所承受的载荷。图2所示为精梳机主运动机构的虚拟样机，当工作速度为改进前的最高350钳次/min时，支承结构受力最大的承载点为锡林轴孔处，在X方向上的载荷峰值为1 440 N，在Y方向上的载荷峰值为1 410 N，总载荷为2 015.36 N，其整个周期的X方向、Y方向受力情况如图3所示。

图2 精梳机主运动机构的虚拟样机

图3 锡林轴孔处受力

2 支承结构系统简化及其CAE模型

CAD模型能够完整地表述机械结构的细节和特征，但若要进行CAE分析，还需对CAD模型进行合理简化，使模型更好地适应CAE计算分析要求。支承结构系统动态特性主要取决于其前几阶低阶模态，因此对模型进行简化时，主要考虑对前五阶模态的影响程度[2]。

2.1 板壳简化

对于板壳零件，既可采用实体单元简化，又可采用壳单元简化。采用实体单元时，四面体单元划分适应性较高，适合各种模型，而六面体单元划分求解精度较高，因此通常可采用四面体与六面体结合的划分方法。采用壳单元进行简化分析时，三角形单元或四边形单元划分均为合理的，但在有限元分析中，采用壳单元时的结构应变能必须高于采用实体单元时的应变能，这是由于壳单元限制的单元自由度更多[2]，因此综合考虑，采用壳单元简化。

2.2 孔简化

若板的厚∶长∶宽≤1∶10∶10，选用壳单元（SHELL63）分析有孔和无孔情况下的前五阶固有频率，记录ANSYS模态分析结果，根据式(1)计算误差，绘制固有频率相对误差曲线，如图4所示。

其中，fy——有孔时的固有频率；

fw——无孔时的固有频率；

基于机械创新设计大赛的卓越工程师培养模式是一种全新工程师培养模式的探索，它基于大学生机械创新设计大赛这个学科竞赛，其目的不仅仅局限于只是比赛，而是要以赛促教、以赛促学。在这种培养模式中，卓越工程师是培养的目的、方向，学科竞赛是途径与方法，两者互为动力，缺一不可。概括起来有以下几方面：

n——固有频率阶次。

图4 固有频率相对误差曲线图

由相对误差可知，最大误差随着孔半径的增大而增大。当孔在板的中心位置时，若满足：孔半径∶板长∶板宽≤1∶10∶10，则err<5%，可略去小尺寸孔。

2.3 组合结构简化

梁板组合结构是工程中的常见结构。对于复杂结构，可在保持精度的前提下采用不同单元组合的方法。组合形式可分为“梁截面对称于板中面”和“梁截面非对称于板中面”两种，分别采用“实体单元”和“壳单元与梁单元组合”两种方式进行模态仿真分析，取前五阶固有频率。

当梁对称分布于板的两侧时，前五阶固有频率中的第4阶为最大误差：5.98%；当梁均匀分布在板的一侧时，前五阶固有频率中的第3阶为最大误差，是5.37%。因此，可以认为采用壳单元与梁单元组合分析梁板组合结构较为合理。

2.4 轴类零件简化

在有限元分析中，采用梁单元时系统应变能较高，采用实体单元分析时反之，这是由于梁单元限制的单元自由度更多[3]。因此采用梁单元分析得到的固有频率比实体单元分析结果略高。

3 支承结构动力学分析

3.1 模态分析

模态分析是动力学分析中的重要问题，结构自身的刚度和质量分布决定了结构的固有频率和振型。得到以上数据，可在设计时即避免共振的发生。

n个自由度的系统，有n阶固有频率和n个相对应的主振型。在已建实体CAE有限元模型的基础上添加边界条件：

（1）在车头墙板锡林轴孔、上下钳板轴孔等位置约束轴向运动。

（2）在车头墙板处的锡林轴、上下钳板轴、前后分离罗拉轴和三根机架定位轴的端面约束三个自由度。

（3）在车尾墙板处的喂卷罗拉轴、毛刷轴和三根机架定位轴的端面约束三个自由度。

（4）约束所有地脚底面的三个自由度。

通过ANSYS进行模态分析，可得前五阶固有频率分别为14.768 Hz，42.403 Hz，47.056 Hz，47.186 Hz和47.363 Hz。其中第一阶固有振型如图5所示。可以观测出第6块、第7块墙板变形最为明显。

图5 模态分析中的第一阶振型

3.2 稳态响应分析

机构受到外界载荷作用时产生的振动响应可分为瞬态响应和稳态响应。在启动和停车时，支承结构呈现瞬态响应，而在机器持续运转时，支承结构可简化为稳态响应。

在ANSYS中编写APDL程序加载周期性变化载荷。通过ANSYS瞬态分析模块求解多个周期获得系统的稳态响应[5]。由分析结果可知，从第8个周期开始，两个周期响应趋于相等，即为支承结构的稳态响应。而在整个精梳机支承结构周期稳态振动响应中，第一阶模态起主导作用。

4 结构改进方案

由动力学分析可知，改进方案应基于模态分析得出的第一阶振型，以加强结构刚性并提高系统固有频率。基于上述考虑，采用以下改进方案：在墙板振幅最大位置处增加一块加强板条（横截面20 mm×10 mm），以加强板条与9块墙板的联接。按照上述步骤和前3章思路——首先建立CAD模型，进而简化建立CAE模型，最后对改进后的支承结构再次进行模态分析，得出前五阶固有频率和改进后系统固有频率的增率对比，如表1所示。

表1 结构改进前后前五阶固有频率值

由分析结果可知，本方案显著提高了固有频率，有利于减少精梳机提速后的振动和噪音，因此改进方案有效。

5 结论

以结构动力学理论和有限元分析为基础，建立了支承结构的CAD模型，通过合理简化，将实体模型转化为CAE模型，进而建立有限元模型，对精梳机支承结构进行模态分析与稳态响应分析，得出了稳态响应特性。最后，对支承结构提出了有效的改进方案，提高了系统的固有频率，较好地解决了精梳机在提速后振动强、噪声大的问题，促进了新型纺织机械研究工作的开展。

[1]梁金娟, 阳明庆, 张伟, 等. 精梳机主轴箱系统振动分析与控制[J]. 噪声与振动控制, 2008, 28(4): 27-30.

[2]黄华. 精梳机支承结构系统的动力学性能分析[D]. 上海: 东华大学, 2011: 46-58.

[3]程凯. 复杂机构的CAE分析方法研究[D]. 天津: 天津大学, 2007: 18-24.

[4]张颖艳. 高效精梳机支承系统的动态载荷分析与结构优化设计[D]. 上海: 东华大学, 2013: 25-32.

[5]刘鹏展, 贾国欣, 任家智. 精梳机钳板机构的振动分析[J]. 纺织学报, 2015, 36(9): 108-113.

Dynamic Analysis and Improvement on Supporting Structure of Combing Machine

LI Yan-shu
(School of Coal Engineering, Shanxi Datong University, Datong, Shanxi,037000, China)

The improvement on supporting structure has big implications for precision enhancement of combing machine. Firstly, CAD and CAE models of the supporting structure are established. Based on the Finite Element Method, dynamic investigations are performed to obtain the static responses. Further, an improved scheme for strengthened slab is put forward for comparison with previous scheme. The results show that the natural frequencies generally increase up to 30%, which effectively solves the obvious vibration and noise after acceleration of combing machine, promoting the development of research work on new textile machinery.

Combing Machine; Supporting Structure; Dynamics; Finite Element Method; Natural Frequency

TH113.1

A

2095-8412 (2016) 06-1148-03

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.025

李妍姝(1987-)，女，工学硕士，山西大同大学煤炭工程学院助教。研究方向：机械设计及优化设计。

E-mail：lys19870119@126.com