隨著 轉(zhuǎn)速的不斷提高，為了安全可靠地工作，螺旋輸送機(jī)不僅要滿足靜力學(xué)性能要求，還要有良好的動力學(xué)性能。螺旋軸作為螺旋輸送機(jī)的關(guān)鍵部件，其動態(tài)性能的優(yōu)劣對整機(jī)的動態(tài)性能起著非常重要的影響。利用有限元方法在螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行動力學(xué)仿真可有效縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。為研究螺旋輸送機(jī)的動態(tài)特性，運(yùn)用Abaqus軟件對螺旋軸進(jìn)行穩(wěn)態(tài)動力學(xué)分析，分析結(jié)果可為螺旋軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論參考。 
　?。狈€(wěn)態(tài)動力學(xué)分析簡介 
　　穩(wěn)態(tài)動力學(xué)分析是指在用戶指定頻率內(nèi)的諧波激勵下，計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng)的振幅和相位，得到的結(jié)果是在頻域上的。Abaqus軟件中共有直接穩(wěn)態(tài)、模態(tài)穩(wěn)態(tài)以及子空間穩(wěn)態(tài)三種分析方法，運(yùn)用模態(tài)穩(wěn)態(tài)方法對螺旋軸進(jìn)行穩(wěn)態(tài)動力學(xué)分析。系統(tǒng)在簡諧激振力作用下振動時，結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析基本方程。 
　　２螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 
　　 的結(jié)構(gòu)，它由軸承、端蓋、出料口、中間軸、殼體、進(jìn)料口、螺旋葉片等構(gòu)成，中間軸軸頭通過兩端軸承支承，傳動端軸頭通過聯(lián)軸器與減速機(jī)聯(lián)接。螺旋軸由中間軸和沿螺旋方向盤繞在中間軸上的葉片通過焊接方式固定在一起，工作時依靠中間軸的轉(zhuǎn)動促使螺旋葉片推動物料流動。 
　　３螺旋軸有限元模型的建立 
　?。?１結(jié)構(gòu)模型簡化 
　　設(shè)計(jì)的螺旋軸具有圓角、孔等細(xì)微特征，這些特征的存在不利于有限元模型的網(wǎng)格劃分，且對于分析精度的影響較小。為了提高分析效率，降低計(jì)算量，在保證有限元分析精度的前提下對螺旋軸模型進(jìn)行了以下簡化： 
　?、偃コ龍A角、孔、退刀槽等細(xì)微特征。 
　?、诓捎脧椈蓡卧M軸承，每個軸承由沿軸承30周圓周方向上的４個彈簧單元代替，彈簧一端為螺旋軸上節(jié)點(diǎn)，另一端為軸承外圈節(jié)點(diǎn)，彈簧單元的長度等于軸承內(nèi)外圈的距離。 
　?、壅麄€模型采用兩組彈簧單元來模擬左、右兩端軸承，如圖所示。 
　?、芎雎暂S承軸向剛度，只考慮徑向剛度對軸承的影響。 
　　建立的 螺旋軸有限元模型所示，采用六面體單元C3D8R劃分網(wǎng)格，共含6346個節(jié)點(diǎn)和2946個單元。 
　　３.２邊界約束與載荷施加 
　?。?２.１邊界約束 
　　根據(jù)軸承的實(shí)際工作特點(diǎn)，約束螺旋軸左端軸承外圈節(jié)點(diǎn)的全部自由度；約束螺旋軸右端軸承外圈節(jié)點(diǎn)的全部自由度，內(nèi)圈節(jié)點(diǎn)只約束軸向移動。 
　　３.２.２載荷施加 
　　螺旋軸工作時會受到周期性的激振力作用，當(dāng)激振力頻率與系統(tǒng)固有頻率相同時，就會發(fā)生共振，使螺旋軸產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。采用穩(wěn)態(tài)動力學(xué)分析可以得到螺旋軸在簡諧激振力作用下的位移和應(yīng)力響應(yīng)，并得到幅頻曲線。根據(jù)螺旋軸的實(shí)際工作情況，將激振力施加在葉片上，方向與物料傳輸方向相反。 
　?。绰菪S動態(tài)特性分析 
　　４.１模態(tài)分析 
　?。粒猓幔瘢酰筌浖衫胠anczos、subspace以及AMS3種方法進(jìn)行模態(tài)分析，由于lanczos法具有求解精度高的優(yōu)點(diǎn)，因此在模態(tài)分析中采用lanczos法，提取了螺旋軸前八階模態(tài)。為螺旋軸前四階振型圖，表１為螺旋軸前八階固有頻率、對應(yīng)轉(zhuǎn)速以及振型。 
　　４.２穩(wěn)態(tài)動力學(xué)分析利用 
　　Abaqus軟件對螺旋軸進(jìn)行穩(wěn)態(tài)動力學(xué)分析時，要省時省力得到較為準(zhǔn)確的幅頻曲線，就必須合理確定頻域范圍，由模態(tài)分析可知螺旋軸一階固有頻率為１５.９１６Ｈｚ，所以選取的頻域分析范圍為０～１８０Ｈｚ。圖８為從螺旋軸左端、右端、中點(diǎn)以及左、右兩個軸承所在的５個危險節(jié)點(diǎn)處提取的幅頻曲線。從圖中可以看出，幅頻曲線呈波浪形起伏狀，當(dāng)激振力頻率從０Ｈｚ增至５１.２７７Ｈｚ時，位移明顯增大，在５１.２７７Ｈｚ處產(chǎn)生了第１個位移峰值１１.１ｍｍ；５１.２７７Ｈｚ增至６９.６Ｈｚ時，位移隨著頻率的增加而減??；６９.６Ｈｚ增至１０２Ｈｚ時，位移明顯增大并在１０２Ｈｚ處達(dá)到第２個峰值５.７ｍｍ；１０２Ｈｚ增至１３５.８Ｈｚ時，位移逐漸減?。唬保常?８Ｈｚ增至１７４Ｈｚ時，位移明顯增大并在１７４Ｈｚ處達(dá)到第３個峰值３.５ｍｍ；１７４Ｈｚ增至１８０Ｈｚ時，位移逐漸減小。３個位移峰值對應(yīng)的激振力頻率分別為５０.４Ｈｚ、１０２Ｈｚ以及１７４Ｈｚ，上述頻率與模態(tài)分析獲得的螺旋軸固有頻率(５１.２７７Ｈｚ、１０６Ｈｚ、１７８.９１Ｈｚ)接近，意味著在這３個峰值頻率處有共振現(xiàn)象產(chǎn)生。 
　　分別是共振時螺旋軸的Ｍｉｓｅｓ應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，螺旋軸在激振力頻率為５０.４Ｈｚ時最大應(yīng)力為８９６.１ＭＰａ，１０２Ｈｚ時最大應(yīng)力為４３２.６ＭＰａ，１７４Ｈｚ最大應(yīng)力為４９３.２ＭＰａ，最大應(yīng)力均大于螺旋軸材料的許用應(yīng)力２９５ＭＰａ，最大應(yīng)力點(diǎn)均位于螺旋軸右端軸承支承處。如果螺旋軸長期在共振頻率下工作，容易導(dǎo)致螺旋軸斷裂。 
　　5.結(jié)束語 
　　提取 螺旋軸前八階模態(tài)的固有頻率和振型，分析結(jié)果表明，螺旋軸最高工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)小于臨界轉(zhuǎn)速，正常工作時能避免產(chǎn)生共振破壞。分析螺旋軸的動態(tài)特性，提取５個危險節(jié)點(diǎn)的幅頻曲線，整個幅頻曲線呈波浪形起伏狀，當(dāng)激振頻率達(dá)到５０.４Ｈｚ、１０２Ｈｚ以及１７４Ｈｚ時螺旋軸將發(fā)生共振現(xiàn)象，位移分別達(dá)到１１.１ｍｍ、５.７ｍｍ、３.５ｍｍ。螺旋軸在３個共振頻率處的最大應(yīng)力分別為８９６.１ＭＰａ、４３２.６ＭＰａ、４９３.２ＭＰａ，最大應(yīng)力均大于螺旋軸材料的許用應(yīng)力，最大應(yīng)力點(diǎn)均位于螺旋軸右端軸承支承處。若螺旋軸長期在共振頻率下工作，易導(dǎo)致螺旋軸斷裂。 
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