基于Simulation 的车载双轴搅拌器模态分析

陈 毅

(河北石油职业技术大学 汽车工程系,河北 承德 067000)

热再生沥青路面养护车是高速公路和各等级公路施工养护的主力装备之一,是公路养护机械化和智能化的关键设备。而双轴搅拌器作为路面养护车的关键设备,负责将滚筒排出的沥青混合料再进行充分的搅拌并进行输送,最终倾卸到路基上进行压实作业。沥青混合料进入搅拌器以后,搅拌器在搅拌过程中,同时推动沥青混合料往车后移动,其中搅拌轴所承受的轴向力和径向力比较大,在工程实践中容易发生频率共振和疲劳破坏,所以对搅拌轴进行模态频率分析具有很大的工程实践意义[1]。

1 搅拌轴有限元模型

如图1 所示,沥青混合料双轴搅拌器主要由搅拌器箱体、搅拌叶片和搅拌轴等组成。如热再生沥青路面养护车在施工作业中,边行走边进行路面养护作业,双轴搅拌器搅拌的工作频率和汽车行走以及发动机的工作频率在理论上存在共振的可能性,这样对整车和搅拌器是非常不利的,严重的时候可能造成损坏,甚至于影响驾驶员的舒适性。该双轴搅拌器的两根搅拌轴总体上采用方轴结构,给安装搅拌叶片带来方便,搅拌叶片通过螺栓联结固定在搅拌方轴上。搅拌轴的三维有限元模型如图2 所示,其中网格单元总数23 031 个,节点总数36 814 个,单元大小10.7 mm。

2 搅拌轴频率分析参数

搅拌轴设计是在圆周的基础上铣出每个叶片的安装固定平面,两端留出轴承安装孔位,其中一根轴要和驱动电机相联,主动轴通过齿轮传动驱动从动轴转动。其中搅拌轴的材料物理参数和模态分析用到的参数见表1。

表1 搅拌轴参数

模态分析是经典动力学分析(包括谐波响应力分析、瞬态动力学分析及频谱分析等)的基础,其标准定义是将线性振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标系,联立方程组求解,成为一组模态和模态参数描述的独立方程组,以便求出系统的模态方程参数,利用模态分析矩阵进行坐标系变换,矩阵的每一列为模态振型[2]。对于模态分析方程,其中振动频率ωi和模态参数φi是利用下面的方程求解得出的。

3 搅拌轴的模态分析

本文利用Solidworks 仿真分析模块中的Simulation 模态分析软件对双轴搅拌器的搅拌轴进行模态分析。该模态分析是带载荷的频率分析,在搅拌轴两端固定,叶片安装位置在搅拌过程中受力情况下的振型图,取搅拌轴的前六阶固有频率,模态分析得到的各阶振型如图3 所示、各阶固有频率如表2 所示。

从搅拌轴的前六阶振型图3 可以看出,第一阶和第二阶振型图主要在中间和两端出现弯曲振动,变形最大的为搅拌轴的中部,第三阶和第四阶振型图主要在两端大约1/4 和3/4 处出现弯曲振动,同时在该两处位置变形也最大,第五阶和第六阶振型图主要在中间和两端出现弯曲振动,整体形成两个S 弯曲变形,主要是出现扭转振动和弯曲振动以及弯扭耦合组合振动[3]。前六阶振型图中频率最小的是一阶振型,频率为267.57 Hz,频率最大的是六阶振型,频率为1 366.5 Hz。其余第一、二阶频率、第三、四阶频率、第五、六阶频率两两相差很小,相差很小的这几阶固有频率属于危险共振频率范围,在生产和工作时应尽量避开发生共振[4]。

表2 各阶固有频率

4 总结

本文通过对车载双轴搅拌器的结构和工作原理分析,重点对搅拌轴进行了有限元分析和模态分析,并根据模态分析的参数,计算出搅拌轴的前六阶振型图和每阶振型的固有频率,对计算结果进行详细分析,对双轴搅拌器的正常工作起到了极大的现实指导意义。