錘片式粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、148振動(dòng)與沖擊2010年第29卷錘片式粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)王曉博"，謝瑞清S 丁武學(xué)-王栓虎I(1南京理T大學(xué)機(jī)Mlf?學(xué)院南京2】0094；2.戚邢精硯光學(xué)工程研究中心成都6in(M1:3西南交通大學(xué)挙引動(dòng)力國家棗點(diǎn)實(shí)驗(yàn)璧成都610031)摘 要：運(yùn)用有限元法對佯片式粉碎機(jī)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析得到了轉(zhuǎn)產(chǎn)的固有頻率、模態(tài)振型及不平衡響應(yīng)等動(dòng) 態(tài)特性參數(shù)。利用靈敏度分析技術(shù)研究了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)性能的影響程度。以轉(zhuǎn)子覓常和不平衡振動(dòng)響應(yīng)為狀 態(tài)變世以轉(zhuǎn)子的固有験率為n標(biāo)換數(shù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行r動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化結(jié)果表明轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)性能得到明顯改善為僧決 粉碎機(jī)的娠動(dòng)何題提供了有效的途徑。關(guān)

2、鍵詞：錘片式粉碎機(jī);優(yōu)化設(shè)計(jì);靈敏度分析;動(dòng)力學(xué)分析;有限元法中圖分類號(hào)：THI33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A148振動(dòng)與沖擊2010年第29卷148振動(dòng)與沖擊2010年第29卷收槁日期：2009-04-17第一作者王曉博女碩士生.1984年生錘片式粉碎機(jī)是冃前飼料工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一 種粉碎機(jī)機(jī)型，它主要利用髙速旋轉(zhuǎn)的錘片對物料產(chǎn) 生強(qiáng)烈的沖擊和摩擦來達(dá)到對物料破碎的冃的，具有 結(jié)構(gòu)簡單、通用性好、適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)率高的特點(diǎn)。但 由于是在高速旋轉(zhuǎn)工況下的機(jī)械，這類粉碎機(jī)普遍存 在振動(dòng)和噪音較大的問逝。目前國內(nèi)外對錘片式粉碎 機(jī)的研究主要集中在諸如轉(zhuǎn)子直徑、粉碎室寬度、錘 片末端線速度、錘篩間陳、錘片數(shù)量、

3、錘片厚度、錘片排 列方式以及吸風(fēng)斌等因素對粉碎機(jī)工作效率的影響 上其研究目的多在于提高粉碎效率節(jié)能降耗"切。 但對錘片式粉碎機(jī)的動(dòng)態(tài)特性及其影響因素的研究則 相對較少,關(guān)于像片式粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研 究則幾乎空白。本文利用有限元分析軟件ANSYS,對錘片式粉碎 機(jī)轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析得到了系統(tǒng)的 固有頻率、振型以及不平衡振動(dòng)響應(yīng)?；陟`敏度分 析原理分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)恃性的影響，并根 據(jù)現(xiàn)代機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可為 相似類型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。1轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)有限元模型及動(dòng)力學(xué)分析1.1錘片式粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子的基本結(jié)構(gòu)圖1為錘片式粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子

4、的CAD模型。錘片式粉 碎機(jī)的轉(zhuǎn)子主要由主軸、錘架板、定位套筒、錘片、銷 軸、錘片隔套以及其他一些標(biāo)準(zhǔn)件(如鍵、開口銷、圓 螺母、止推墊圈等)組成。錘片式粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子不同于一 般機(jī)械設(shè)備中常見的內(nèi)部無活動(dòng)部件的轉(zhuǎn)子，其執(zhí)行 粉碎的主要部件一錘片是懸掛在均布于轉(zhuǎn)子錘架 板的銷軸上的，錘片與銷軸的聯(lián)接方式屬于較接，各錘 片可繞銷軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1錘片式粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)CAD模型1.2有限元模型根據(jù)轉(zhuǎn)子的實(shí)際結(jié)構(gòu)在不影響計(jì)算精度的前提 下建立轉(zhuǎn)子有限元模型過程中進(jìn)行了以下簡化：(1) 將主軸和定位套筒合并為一個(gè)幾何實(shí)體采 用BEAM 188梁單元來模擬。對于主軸的變截面結(jié)構(gòu), 可以通過定義不同的梁截

5、面來模擬。(2) 錘架板、擋圈.錘片、銷軸、錘片隔套等零件隨 著主軸一同旋轉(zhuǎn)將其簡化為三維質(zhì)量單元MASS21O(3) 對起彈性支承作用的滾動(dòng)軸承用COMBIN14 彈簧單元來模擬。由于COMB1N14是一維彈簧單元, 所以考慮在主軸的水平和垂直方向分別設(shè)置2個(gè) COMBIN14單元，來分別模擬滾動(dòng)軸承在這兩個(gè)方向的 彈性。在主軸與聯(lián)軸節(jié)連接處，考慮存在彈性連接所 以在水平和垂直方向上也設(shè)置兩個(gè)彈費(fèi)單元,來模擬 聯(lián)軸節(jié)對主軸的支承作用.通過以上的簡化處理，設(shè)定好材料參數(shù)，劃分網(wǎng)怙 并建立約束最后建立的錘片式粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子-軸承系 統(tǒng)有限元模型如圖2所示。整個(gè)模型共有節(jié)點(diǎn)150 個(gè),BEAM 188

6、梁單元137個(gè),COMBINES彈簧單元12 個(gè).MASS21質(zhì)址單元11個(gè)。模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性如固有頻率. 振型等。利用ANSYS 10.0軟件的Block Lanczos法對 上述模型進(jìn)行分析求解,即可得到了轉(zhuǎn)子的各階固有 頻率(見表1)和模態(tài)振型(如圖3)。為了保證機(jī)器安 全運(yùn)行和正常工作在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)使旋轉(zhuǎn)軸的工作 轉(zhuǎn)速n離開其各階臨界轉(zhuǎn)速一定范圈。-般的要求 是，工作轉(zhuǎn)速"不能超過一階臨界轉(zhuǎn)速"的75% o由 于本文所研究的錘片式粉碎機(jī)其工作轉(zhuǎn)謹(jǐn)在3 000 r/min左右，低于危險(xiǎn)工作轉(zhuǎn)速60 x 84. 723 x0. 75 = 3 812.535

7、 r/min,所以其工作轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)是合理的。表1轉(zhuǎn)子的前5階固有頻率楔態(tài)階數(shù)12345頻率/Hz 84.723183.22394.52690.391 165.9148振動(dòng)與沖擊2010年第29卷148振動(dòng)與沖擊2010年第29卷(a)第Yf扳型(b)第二盼振型(c)第三階抿型148振動(dòng)與沖擊2010年第29卷圖3鋒片式粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子前三階模態(tài)振型圖148振動(dòng)與沖擊2010年第29卷148振動(dòng)與沖擊2010年第29卷14諧響應(yīng)分析錘片式粉碎機(jī)工作時(shí)，由于轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏移現(xiàn)象的 存在受慣性的作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不平衡離心力，此不 平衡力將通過主軸傳遞到軸承及機(jī)座上，從而引起粉 碎機(jī)的振動(dòng)。基于轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)的待

8、點(diǎn)，應(yīng)用 ANSYS諧響應(yīng)分析模塊來求解轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的不平 衡響應(yīng)。假設(shè)不平衡出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子的中間部位按錘片 式粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子的最大許用不平衡度取轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏 心距為0.052 mm,不平衡力幅值為1 315 N。選用Full 法(完全法)，對轉(zhuǎn)子進(jìn)行其工作頻率范圍(約49. 5 Hz)的低頻激振得到在不平衡載荷作用下轉(zhuǎn)子中部、 左端軸承、右端軸承等處的徑向振動(dòng)響應(yīng)(如圖4所圖4工作頻率范屈內(nèi)轉(zhuǎn)子各部位動(dòng)態(tài)位移對頻率曲線示)。從圖4可以看岀在工作轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子中部的振幅 (39.2 pm)大于蔭端的振幅，左、右兩端軸承處的不平 衡按幅基本相等(20nm)c2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)靈敏度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)錘片式粉碎機(jī)的結(jié)

9、構(gòu)復(fù)雜設(shè)計(jì)變童很多,為了有 效地進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)必須了解哪些物理參 數(shù)對結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)持性影響較大，即研究結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)待 性對這些結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感程度。在靈敏度分析基礎(chǔ)之 上，有目的地修改結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到最佳的優(yōu)化結(jié)果。2.1目標(biāo)函數(shù)的確定轉(zhuǎn)子優(yōu)化的目標(biāo)是提髙轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)特性，以降低 鋒片式粉碎機(jī)的振動(dòng)水平。由于ANSYS只能求解極 小值何題叫所以定義轉(zhuǎn)子優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為：min/(x)J = 學(xué).式中J M為轉(zhuǎn)子的前三階固有頻率。2.2狀態(tài)變的確定在優(yōu)化過程中應(yīng)對轉(zhuǎn)子的重量和轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn) 速下的不平衡響應(yīng)振福加以控制。所以優(yōu)化模型的狀 態(tài)變量選為轉(zhuǎn)子®tt(WT)和工作轉(zhuǎn)速下的左端軸承

10、處的不平衡響應(yīng)振幅(KESP.LEFT)2.3設(shè)計(jì)變量的確定對轉(zhuǎn)子各結(jié)構(gòu)參數(shù)(如偉架板直徑、轉(zhuǎn)子主軸各軸 第5期湯小紅等：鐵路臥鋪客車人體振動(dòng)背適性建模與仿真161段的直徑和長度）進(jìn)行靈敏度分析然后根據(jù)靈敏度分 析結(jié)果確定設(shè)計(jì)變屋。轉(zhuǎn)子各結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4所示, 其中 DI =D5,D2 = I）4,L1 =L5,L2 = UO圖5轉(zhuǎn)子優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)24轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)靈敏度分析利用ANSYS的最優(yōu)梯度法分別計(jì)算出轉(zhuǎn)子的各 結(jié)構(gòu)參數(shù)對目標(biāo)函數(shù)和狀態(tài)變駅的的靈敏度SfSWT、 SRESP,計(jì)算結(jié)果如表2所示。*2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)靈敏度分析結(jié)果變乗靈敏度靈敏度靈敏度s<名稱s（/SrrDO0.4217E4-0.4

11、611E-7317.990.1326E-I0D113.652.455148.90.091 67D2-1.203-6.28180.8-0.006 65D3-145.374.691 243 0.116 89D615.440.049 5950.510.305 680771.770137 594.300.761 1L144.471.45!7& 350.567 581217.6440.6399.170.177 88U21.3016.1895.650.222 69L634.63-0.065 3934.431.0058L732.65-0.064 6729.991.088 7從靈敏度分析結(jié)果可以看出各

12、設(shè)計(jì)變量對目標(biāo) 函數(shù)及性能約東的影啊程度不同，其中對轉(zhuǎn)子固有頻 率形響最敏感的設(shè)計(jì)變量依次為D3>D7>L1 >L6> L7>L3>L2>D6>D1 > D2；對轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)振幅影 響最敏感的依次為03 > L2 > L3 > D2 > DI > LI > D7 > L6>L7>D6；對轉(zhuǎn)子重量變化最敏感的依次為D3 >D2 >D1 >L2>L3>D7>L1 >D6>L6>L7；提高相同固有 頻率值但付出重量代價(jià)校小的設(shè)計(jì)變豐依次為

13、L7>L6 >D7>L1 >D6>L3>L2>D3O綜合以上分析，為了提 髙優(yōu)化效率選取D3、D6、D7、L1 .L2.L3.L6.L7為最終 優(yōu)化模型的設(shè)計(jì)變楚。2.5轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果轉(zhuǎn)子優(yōu)化模型設(shè)計(jì)變就、狀態(tài)變量、目標(biāo)函數(shù)的設(shè) 定及最優(yōu)結(jié)果見表3。轉(zhuǎn)子優(yōu)化方案經(jīng)過17次迭代后 收斂最優(yōu)結(jié)果為序列18。目標(biāo)函數(shù)/（對及的 收斂悄況如圖6、圖7所示。喪3轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化過稅優(yōu)化代號(hào)初值則、最大優(yōu)化變允許值允許值結(jié)果目標(biāo)函數(shù)OBJ（I/Hi）/w22.560.000 517.999WT26502702.7268.41svgum)RESP.LEFT19.75

14、0190.1918.937D30.1250.1230.1351.2E-40.134 97D60.0750.070.0750.5E-40.070011DV(m)D70.070.060.07L0E-40.060021U0.0760.0650.08I.5E-40.065 036120.0820.0720.087I.5E-40.072 054130.8120.760.826.0E-40.76012L60.0550.0450.057I.2E-4O.M5O25L70.110.090.112.0E-40.090 041圖6目標(biāo)函數(shù)/（幻的優(yōu)化收斂曲線圖7轉(zhuǎn)子前三階固有荻率的優(yōu)化收斂曲線從優(yōu)化結(jié)果可以看出目標(biāo)

15、函數(shù)/匕）從22. 56下 降到17. 999下降了 20. 22% .其中轉(zhuǎn)子的第1階固有 頻率從84. 72 Hz上升到90.295 Hz,第2階固有頻率從 183.2 Hz上升到189.48 Hz,第3階固有頻率從394.5 Hz上升到514.41 Hz；轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)19.75 um下（下轉(zhuǎn)第161頁） 靖振動(dòng)值要小一些但相差不大所有鋪位均屬二級舒 適度水平，但是下鋪和中鋪要比上鋪舒適。5結(jié)論鐵道車輛振動(dòng)舒適性是反映鐵道車輛運(yùn)行品質(zhì)的 匝要指標(biāo)。為較粘確地仿直臥咨狀態(tài)下的人體振動(dòng)響 應(yīng)特性采用三自由度臥姿人體阻抗模型，對人體頭 部、臀部和腳部的扳動(dòng)進(jìn)行模擬?？紤]臥姿人體振動(dòng) 響應(yīng)恃件

16、以及臥鋪的隔振作用，在傳統(tǒng)車輛二系懸掛 動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，建芷廠人-鋪車輛”空間垂向 耦合動(dòng)力學(xué)模型并推導(dǎo)出臥姿人體振動(dòng)方程和臥姿 人體不同部位對8個(gè)車輪位移激勵(lì)的總頻響函數(shù)從 而為鐵路臥鋪客車人體振動(dòng)舒適性仿真提供了理論 模型。以'臥姿人體全身振動(dòng)舒適性的評價(jià)”國家標(biāo)準(zhǔn)為 依據(jù),建立了鐵路臥鋪客車人體振動(dòng)舒適性仿真流程。 該流程考慮通過對頭臀兩部位加速度1/3倍頻程均 方根值先后進(jìn)行部位計(jì)權(quán)和頻率計(jì)權(quán)得到臥姿人體 垂向振動(dòng)舒適性綜合評價(jià)指標(biāo)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鐵路臥鋪客 車的乘用舒適性分析仿真。根據(jù)文中建立的鐵路臥鋪 客車人體振動(dòng)舒適性仿真理論模和和仿真流程以 Matlab為工具開發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)了鐵

17、路人體振動(dòng)舒適性仿 真從而簡化繁瑣的計(jì)算丁作，大大提高了仿真計(jì)算的 效率。i侖文研究工作為鐵路臥鋪客車人體振動(dòng)舒適性 分析以及車輛參數(shù)優(yōu)化提供了有效手段。參考文獻(xiàn)I )俞展猷.鐵道車輛律適性評價(jià)方法的發(fā)展與研究現(xiàn)狀(J).鐵道車輛,2001,42(3)： 1-7.2 徐國宇梅霄松吳丼*.多自由度人體-車輛-道路系(上接第149頁)降為18.937 um；優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子的重量為268.41 kg僅 增加了 129%°可見優(yōu)化后轉(zhuǎn)子的重雖和不平衡響 應(yīng)變化控制在較小范圍，但動(dòng)態(tài)性能得到明顯提高，優(yōu) 化效果非常顯著。3結(jié)論以ANSYS軟件為平臺(tái)，建立了錘片式粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子 有限元分析模型對轉(zhuǎn)子進(jìn)

18、行了動(dòng)力學(xué)分析，得到了轉(zhuǎn) 子固有頻率、模態(tài)振別不平衡響應(yīng)等車要?jiǎng)討B(tài)性能參 數(shù)C在此基礎(chǔ)匕,對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈敏度分析并完成 了結(jié)構(gòu)的動(dòng)念優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過優(yōu)化縄片式粉碎機(jī)轉(zhuǎn) 子的動(dòng)態(tài)性能得到了明顯提鬲為錘片式粉碎機(jī)的改 進(jìn)提供了行之有效的解決辦法,并為相似類型的旋轉(zhuǎn) 機(jī)械的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有益的參考。參考文獻(xiàn)1 朱新化，田沛玉.鐫片式粉碎機(jī)的理論分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)措 統(tǒng)的建模與模擬J機(jī)械工程學(xué)報(bào),1999,35(2)： 105 109.3 a 朗陳蔭三,龔國慶公路臥舗客車的車-鋪人系 統(tǒng)平順性模擬計(jì)算J中國公路學(xué)報(bào)3999.12(11)： 102-1044 王轉(zhuǎn)松何 輝耿艾彌車輛-人體系統(tǒng)撮動(dòng)時(shí)域模擬

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