搅拌机幅频特性与有限元振动模态分析

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1、2010年5月沈阳建筑大学学报(自然科学版)May2010第26卷第3期JournalofShenyangJianzhuUniversity(NaturalScience)Vol.26，No.3文章编号:1671－2021(2010)03－0566－05搅拌机幅频特性与有限元振动模态分析1234王正浩，刘大任，王思，何利(1.沈阳建筑大学理学院，辽宁沈阳110168;2.沈阳建筑大学学报编辑部，辽宁沈阳110168;3.四川大学华西口腔医学院，四川成都610041;4.沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳110159)摘要:目的分析搅拌机系统的幅频特性与振动模态，研究混凝土搅拌机的结构强度与动

2、刚度问题.方法利用非线性振动理论、有限元理论和Lagrange方程，建立混凝土搅拌机系统动力学模型和运动微分方程，采用Runge－Kutta算法，利用计算机仿真，在一定的数值参数情况下，分析搅拌机系统的幅频特性，同时结合有限元分析软件，对搅拌机系统进行了振动模态分析.结果分析结果表明，Runge－Kutta算法与有限元分析软件分析结果基本一致.搅拌机主要有6个比较重要的临界转速，15阶振动模态应该给予特别的关注.结论从动力学的观点看，搅拌轴的刚度较大，结构尺寸尚有较大的减小幅度.分析结果对改进搅拌轴的结构尺寸能提供较大的参考价值.关键词:搅拌机;幅频特性;有限元;振型中图分类号:U415.5

3、22;TH12文献标志码:A混凝土搅拌机在建筑、桥梁、筑路、水利工程刮板5和6的位置如图1所示.及中小型混凝土构件厂等工业部门应用十分广泛，对于混凝土搅拌机械，人们进行了不懈研［1－9］究.ANSYS是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，现在已经广泛应用于航空、航天、电子、汽车、土木工程等各种领域，能够满足各行业有限元分析(FEA)的需要。然而对于混凝土搅拌机的幅频特性分析以及应用ANSYS有限元分析软件分析搅拌机的振动模态，目前研究得不多，主要原因是由于搅拌机以较低的转速工作，没有提起人们对搅拌机动力学图1搅拌机模型特征方面的关注.随着现代化建设的发展，搅拌机

4、的Fig.1Modelofmixer工作转速必将会提高，在满足强度的条件下，搅拌轴物料作用力模型见图2.图2中物料对叶片的刚度过大，也势必造成巨大的浪费.笔者从动力学的正压力和摩擦力分别为Fn和Ff，α和β是叶片的观点出发，通过分析混凝土搅拌机的幅频特性和的两个倾斜角，搅拌轴转动速度为n.物料对叶片振动模态，此结论对指导实际工程有参考价值，得的正压力和摩擦力Fn和Ff在水平轴y和铅垂轴出:搅拌轴刚度过大，结构尺寸有较大的减小空间.x上的投影分别为1搅拌机系统运动微分方程Fpy=(Fnt－Fft)sinθ，{(1)Fpx=－(Fnt－Fft)cosθ，搅拌机模型见图1，其中搅拌臂1、2、3、4

5、及收稿日期:2009－04－18基金项目:住房与城乡建设部科研项目(2007－k8－9)作者简介:王正浩(1960—)，男，教授，博士研究生，主要从事旋转机械动力学、结构抗震、振动利用与控制研究.第26卷王正浩等:搅拌机幅频特性与有限元振动模态分析567ìFnt=Fnsinα，式中:kr为接触刚度;f为摩擦因数;δ为叶片与物ïïFft=Ffcosβ，料间的间隙;e=槡x2+y2为质心径向位移.其中，í(2)ïFn=kr(esinβ－δ)，ïîFf=Fnf.图2物料作用力模型Fig.2Modelofgranularmaterialforces物料的旋转对搅拌机的运动状态有影响.在Fuxj，(j

6、=5);2搅拌机振动系统运动为X=Xmexp(ωt)，Y=Fjy=mojejΩsin(Ωt+yj)－FPyi+Fuyj，(j=5);Ymexp(ωt)情况下，物料对搅拌臂的作用力在水M=diag(m1，m2，m3，m4，m1，m2，m3，m4，［11］平轴和铅垂轴上的投影分别为m5，m5，m6，m6);FuxMa+Mb－i(Ma－Mb)xC=diag(Ce，Ce，Ce，Ce，Ce，Ce，Ce，Ce，Ce，{}=[]{}，(3)C，C，C).Fi(Ma－Mb)Ma+Mbyeeeuymω222éKrEEùff2(Ω+ω)－ω式中:Ma=222;K=êEKrEú，(1+Γ)(Ω+ω)－ωêú2ë

7、EEEûmω2(Ω－ω)2－ω2ffMb=222;其中:E为4阶零阵;K为搅拌轴刚度矩阵;K=(1+Γ)(Ω－ω)－ωrr－1b2+(b－a)2αr;αr为柔度矩阵，112Γ=;b2－(b－a)2éαx1x1αx1x2αx1x3αx1x4ù11222êúmff=π(b1－(b1－a2))a1ρu.êαx2x1αx2x2αx2x3αx2x4úαr=.其中，ρu为物料密度;b1为搅拌臂长度;a1，a2分别êαx3