刮板式花生脱壳机机架的模态分析.doc

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1、刮板式花生脱壳机机架的模态分析 0  引言    在刮板式花生脱壳机的研究和设计过程中，由于其工作过程带有冲击性因素，传统的静态设计和经验设计方法远不能满足需要，因此必须研究刮板式花生脱壳机的动态特性，预测其动力响应，才能进行动态分析和动态设计。机架是刮板式花生脱壳机的关键承载部件，整机承受着复杂的动载荷，这些动载荷直接或间接地传递给机架。机架的振动问题是脱壳机设计过程中必须要考虑的，通过有限元分析可以较为全面地了解机架结构的固有频率和振型，从而为刮板式花生脱壳机机架结构获得更好的动态性能和优化设计提供必要的依据。本文所述的刮板式花生脱壳机的机架是焊接而成的

2、组合机架，具有加工和装配方便的特点，虽然经过消除内应力工艺的处理，相比铸造而成的机架仍然存在一定的内应力。利用传统的设计和分析方法难以控制其工作时的安全性和可靠性，因此有必要对其进行模态分析，以了解其结构特性，防止与各种激励频率产生共振，以提高花生脱壳机运行时的安全性和可靠性。    1  模态分析理论    以固有频率和振型分析为对象的模态分析是其他振动分析的基础。通过结构的模态分析，可以有效地选择合理的结构设计方案，并对其进行有效的验证‘”。模态分析技术是现代机械产品结构动态设计与分析的基础，结构固有频率和振型分析是其基本内容。模态分析不仅能够避免结构在

3、工作时产生共振，而且是分析结构动态响应和其他动力特性的基础。在模态分析中，由于高频振动模态对结构运动的影响很小，因此在工程中一般只考虑若干低阶模态。    对于一个Ⅳ自由度机械系统，其结构动力学的常系数微分方程为     经验证明，阻尼对结构的固有频率和振型影响不大，可通过无阻尼自由振动情况来求解固有频率和振型。在无阻尼自由振动的情况下，方程(1)变为     2模态分析过程    2,1  三维建模    SolidWorks软件是最常用的机械类产品的三维建模工具，其具有强大的机械零件三维实体的建模功能。在对刮板式花生脱壳机机架进行三维建模时，通过软件的拉

4、伸、旋转和切割等命令，以及参数化的建模方法来完成的。为了便于进行模态分析，在建模时把机架的次要因素进行了简化，不在三维模型中体现（如圆角和倒角等）。刮板式花生脱壳机机架的三维装配体模型见图l所示。    2.2网格划分    把卜面应用SolidWorks软件建立的刮板式花生脱壳机机架的三维实体模型导入到有限元软件ANSYSWorkbench中，机架采用Q235钢，材料参数：弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，质量密度为7850kg/m3。在Workbench中，对刮板式花生脱壳机机架设置好材料参数后，由于机架的结构相对较为简单，所以应用Workbenc

5、h中自动网格生成功能进行网格划分。其能够根据零件不同位置的不同尺寸自动调整所划分的网格到合理的尺寸，划分完成后的机架网格模型见图2所示     2.3施加约束与求解    对刮板式花qi脱壳机机架施加固定支承约束，来近似模拟其工作时的固定状态，对其施加固定支承约束的位置如图3所示；由于是自由模态分析，不需要添加外载荷。另外，由于刮板式花生脱壳机的工作转速较低，所以对求解器设置时只提取其前6阶模态来进行求解和分析。    3模态计算结果分析    刮板式花生脱壳机机架模态分析的结果主要包括振动频率、相应阶数的振动动画以及振型云图等。表l为刮板式花生脱壳机机架在

6、固定支承约束下前6阶模态的固有频率，机架的模态固有频率和阶数图见图4所示。    刮板式花生脱壳机机架的第1阶模态的振型图（位移图和形变图）如图5所示。主振型为沿机架宽度方向（Z方向）的左右摆动，其最大偏移量为0.143tn。     机架的第2阶模态振型图如图6所示。主振型为沿机架长度方向（X方向）的前后摆动，其最大偏移量为0.116m。     机架的第3阶模态振型图如图7所示。主振型为绕机架竖直方向（y方向）的弯曲摆动，其最大偏移量为0.128m。   机架的第4阶模态振型图如图8所示。其主振型为沿X方向的前后扭转摆动，其最大偏移量为0.122m   

7、  机架的第5阶模态振型图如图9所示。其主振型为整个机架沿X轴方向的弯曲摆动，其最大偏移量为0.176mm     机架的第6阶模态振型图如图10所示。其主振型为整个机架沿y轴方向的弯曲摆动，其最大偏移量为0.133m。     设计的刮板式花生脱壳机转轴部件的工作转速为306-382r/min，换算为工作频率为5.1-6.4Hz、由皮带传动引起的振动频率可以根据式(5)来计算，即     4结论    1)通过对花生脱壳机机架进行的模态计算，得到了它的固有频率和振型，为后续进行的谐响应分析、瞬态响应分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计奠定了基

8、础。    2)由于刮板式花生脱壳机工作频率和由皮带