138-基于動力學(xué)方法的輪式喇叭嘴工作裝置振動噪聲分析

基于動力學(xué)方法的輪式喇叭嘴工作裝置振動噪聲分析陳哲吾1，陳文1，郭海保2中煙機械技術(shù)中心上海；2.西門子工業(yè)軟件（北京）有限公司北京）摘要：輪式喇叭嘴是煙草機械中重要的一環(huán)，其性能的好壞直接決定了最終和出煙效率和成煙品質(zhì)。為了提高出煙效率，需要提高整體速度，但較高速度容易引起系統(tǒng)的較強的振動和噪聲。本文中介紹了一種創(chuàng)新的輪式喇叭嘴式煙機工作裝置，運用LMSTest.Lab對現(xiàn)有裝置進行振動噪聲的測試，同時運用LMSVirtual.LabMotion進行工作裝置建模分析，并基于LMS動力學(xué)系統(tǒng)級振動噪聲方法進一步運用LMSVirtual.LabNVM進行振動噪聲分析。關(guān)鍵詞：煙草機械；輪式喇叭嘴；Test.Lab；Virtual.LabMotion；Virtual.LabNVM引言效率和性能是煙草機械非常關(guān)注的內(nèi)容。如何在提高題效率的同時，不降低煙機性能，這是非常重要的。在現(xiàn)有產(chǎn)品中，為了保證效率，通常是運用降低運行速度的方法來保證煙機不產(chǎn)生較大的振動和噪聲，相當于為了保證性能而犧牲效率。本文中介紹了一種適用于高速運轉(zhuǎn)的輪式喇叭嘴工作裝置，其能有效提高煙機的工作效率。但在實際使用過程中，仍然會出現(xiàn)振動和噪聲的問題。本文運用了LMSTest.Lab對工作裝置進行振動、噪聲、機構(gòu)傳函、聲傳函等全面測試，發(fā)現(xiàn)了問題。并運用LMSVirtual.LabMotion建立輪式喇叭嘴動力學(xué)模型，并運用試驗結(jié)果調(diào)校修正模型后，計算得到輪式喇叭嘴運行載荷分步，并基于系統(tǒng)級振動噪聲方法，在Virtual.LabNVM中進行振動噪聲分析，從而找到問題根源，并得到解決。由于項目實際內(nèi)容工況較多，本文僅作部分描述。2.工作裝置測試項目中對工作裝置進行全面的測試，包括振動響應(yīng)測試、噪聲測試、機構(gòu)傳函測試、聲傳函測試等。部分測試結(jié)果：不同轉(zhuǎn)速下的噪聲測試結(jié)果400rpm噪聲值600rpm噪聲值700rpm噪聲值800rpm噪聲值加速工況噪聲值加速工況噪聲colormap整體振動響應(yīng)測試振動加速度colormap整機傳函測試結(jié)果X向傳函Y向傳函部件模態(tài)測試結(jié)果一階模態(tài)三階模態(tài)由于篇幅原因，僅展示部分測試結(jié)果。不作過多展示。通過測試，發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，3483Hz位置存在一個較大峰值，在800rpm時524Hz位置峰值突現(xiàn)。同時在加速工況時，778rpm時出現(xiàn)明顯峰值。同時，在加速工況中，無論是噪聲值還是振動加速度響應(yīng)，都存在一個貢獻較大的階次40階。3.工作裝置動力學(xué)建模分析通過測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的某個轉(zhuǎn)速及加速過程時均出現(xiàn)了振動噪聲問題，為了尋找問題的根源，需要建立完整的喇叭嘴工作裝置動力學(xué)模型。輪式喇叭嘴工作裝置涉及內(nèi)容較多：帶傳動、齒輪傳動、軸承、接觸等，需要在動力學(xué)模型中進行詳細考慮。齒輪系建模：在LMSVLMotion中有專業(yè)的齒輪系建模模塊，齒輪與齒輪之間通過定義GearContact力：齒輪系及接觸模型帶輪系建模在輪式喇叭嘴工作裝置中，是運用電機通過帶傳動的方式進行轉(zhuǎn)速傳遞的，而帶傳動鏈的工作狀況是振動問題一個根源，因此，需要對帶傳動系統(tǒng)進行建模，從而分析帶輪系統(tǒng)對振動的貢獻。運用LMSVLMotion中專業(yè)的帶齒建模模板，可以對帶齒及帶輪進行詳細的建模分析。帶輪模型裝置動力學(xué)剛?cè)狁詈辖Ｍㄟ^對子系統(tǒng)的建模，運用子機構(gòu)方法將其導(dǎo)入到總裝動力學(xué)模型中。同時總裝模型需要進行詳細建立，包含各約束關(guān)系，軸承，支架，底座等，對整體性能有影響的局部構(gòu)件需要進行柔性化處理。總裝模型建立完整的總裝模型后，可以進行基于試驗工況的性能分析，包含穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，加速工況等。同時，需要針對之前的測試結(jié)果進行模型調(diào)校工作，例如：利用測試傳函進行模型修正，利用振動響應(yīng)數(shù)據(jù)進行模型調(diào)校，同時利用測試盤片模態(tài)結(jié)果修正仿真柔性體中的有限元模型相關(guān)性分析，通過以上修正，就可以得到比較精確的仿真模型。具體的模型調(diào)校方法和調(diào)校過程，內(nèi)容較多，在此不作進一步詳細描述。通過調(diào)校后的動力學(xué)建模，可以進一步進行詳細性能分析，包括加速度響應(yīng)、位移特性、擺角特性等分析結(jié)果：底座法蘭某加速度計Y向振動響應(yīng)瀑布圖刀頭1振動位移刀頭1振動擺角齒系某齒接觸力中間齒輪時變剛度底座法蘭某載荷瀑布圖通過動力學(xué)計算的載荷邊界，可以進一步進行振動噪聲分析。4.系統(tǒng)級振動噪聲分析基于LMSVirtual.Lab集成平臺，可以非常方便進行動力學(xué)和振動噪聲的分析。當建立振動噪聲模型時，也需要作模型的調(diào)校工作，例如傳函的調(diào)校、有限元模型相關(guān)性分析，在此，也不作詳細描述?；赩LMotion計算得到的載荷邊界，可以直接無縫轉(zhuǎn)入到VLNVM中，進行強迫響應(yīng)計算，進一步基于振動響應(yīng)進行聲學(xué)分析。強迫響應(yīng)計算結(jié)果基于強迫響應(yīng)結(jié)果得到聲響應(yīng)分析通過聲響應(yīng)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，很好地復(fù)現(xiàn)了測試結(jié)果。進一步，需要分析產(chǎn)生的原因，及提出修正方案。5.結(jié)果分析及改進方案通過計算結(jié)果，可進行基于振動響應(yīng)或噪聲響應(yīng)進行模態(tài)貢獻量分析。貢獻量分析得到相關(guān)頻率對應(yīng)的模態(tài)對應(yīng)頻率模態(tài)模板貢獻量分析通過分析，可以知道，主要聲輻射在778rpm，對應(yīng)頻率520Hz左右（階次40），對應(yīng)關(guān)鍵貢獻面板為支架面板，對應(yīng)結(jié)構(gòu)模態(tài)貢獻基本集中在第七階模態(tài)。因此，初步的改進意見為：結(jié)構(gòu)方面通過修改支撐方式激勵方面需要修改帶齒傳遞參數(shù)由于帶齒傳遞修正涉及的層面較多，不僅是安裝層面，同時涉及供應(yīng)商問題。因此，本項目從仿真角度以結(jié)構(gòu)修正舉例修正效果。修改方案修改前噪聲分貝修改后噪聲分貝6.總結(jié)與展望總結(jié)：通過本項目，針對產(chǎn)品存在的問題，很好地運用LMS測試系統(tǒng)進行故障測試，及后期需要進行的模型修正用的相關(guān)數(shù)據(jù)測試，同時，運用LMSVLMotion和LMSVLNVM進行輪式喇叭嘴工作裝置的動力學(xué)建模及修正和基于動力學(xué)結(jié)果的振動噪聲分析。通過分析我們找到了問題產(chǎn)生的原因，并作初步改進，取得了我們不錯的效果。展望：模型仍然可以進一步完善，基于LMS工具，可以進一步進行疲勞等分析。同時，仍然有許多工作在進行中，包括模型的進一步細化，方案的進一步確認等。本文僅對目前開展的工具做了應(yīng)用介紹，將在項目后期逐步開展。參考文獻：王福軍.計算流體動力學(xué)分析:CFD軟件原理與應(yīng)用[M]:清華大學(xué)出版社有限公司,2004.孫曉峰,周盛.氣動聲學(xué)[M]:國防工業(yè)出版社,1994.詹福良,徐俊偉.Virtual.LabAcoustics聲學(xué)仿真計算從入門到精通[M]:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2013.FujiwaraA,SakuraiN.Experimentalanalysisofscrewcompressornoiseandvibration[C].InternationalCompressorEngineeringConferenceatPurdue,PurdueUniversity,USA,1986:566-582.AndrewsR,JonesJ.Noisesourceidentificationinsemi-hermetictwin-screwcompressors[C].InternationalCompressorEngineeringConferenceatPurdue,PurdueUniversity,USA,1990:825-834.LAURENTG,MORADK,ENERGYD.Fieldapproachforlowandmediumfrequencyvibrationacousticanalysisofacarbodyusingaprobabilisticcomputationalmodel[R].SAE,2009.ANDRZEJP,TAGEB.Aninvestigationofthecouplingbetweenthepassengercompartmentandthetrunkinasedan[R].SAE,2007.SurkutwarY,PatelK,AmaraS,eta1.The