附著式振動器機座優(yōu)化分析研究

王高升，關(guān)耀奇，胡孝輝，楊 帆

（1.湖南工程學院 機械工程學院，湘潭411101；2.湖南工程學院 機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)0702班，湘潭411101；3.株洲齒輪有限責任公司 鍛造分廠，株洲412000）

0 引 言

附著式振動器是由偏心塊機構(gòu)和三相異步電動機組合而成的能夠產(chǎn)生振動的、用于現(xiàn)代建筑中混凝土搗實和表面振實、澆筑混凝土、墻、主梁、次梁及預(yù)制構(gòu)件等的設(shè)備.是動力源與振動源結(jié)合為一體的激振源，在轉(zhuǎn)子軸兩端各安裝一組可調(diào)偏心塊，利用軸及偏心塊高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力得到激振力.其激振頻率高、激振力大、調(diào)整迅速容易且利用率高、振幅小、操作和安裝方便、相對成本低、壽命長、易損零件少、維修簡單、使用方便.廣泛的應(yīng)用在各種工、民建筑，水電建設(shè)，建材，化工，采礦，煤炭，冶金，輕工等工業(yè)部門.

采用有限元分析方法，可以識別出機體的模態(tài)參數(shù)（如固有頻率、固有振型、模態(tài)質(zhì)量、剛度和阻尼等模態(tài)參數(shù)）進而了解機體的動態(tài)特性，有助于分析零部件的振動和噪聲特性，建立起結(jié)構(gòu)的動態(tài)模型，使人們比較直觀地了解零件各階模態(tài)的頻率及其振動的規(guī)律（振型），并從中找出關(guān)鍵零件結(jié)構(gòu)剛度薄弱環(huán)節(jié)及其結(jié)構(gòu)的不合理之處，從而為其結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性改進提供可靠理論參考，為實驗?zāi)B(tài)提供理論依據(jù)，同時利用分析結(jié)果還可以對有限元模型進行修正，為機體的其它設(shè)計改進提供可靠的參考[1][2].振動器長期在振動環(huán)境下工作，零件結(jié)構(gòu)剛性薄弱處最先受破壞，導(dǎo)致振動器停止工作，影響了振動器的使用壽命.本文就是要對振動電機的關(guān)鍵零件進行有限元分析，找出其結(jié)構(gòu)動靜態(tài)特性較低之處，根據(jù)分析結(jié)果，對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，改善振動電機整體的結(jié)構(gòu)特性，減低使用時產(chǎn)生的噪音，延長其使用壽命.使改進后的振動電機成為環(huán)保型、高工作性、耐久性的高性能設(shè)備.

1 模型的建立及簡化

根據(jù)機座零件圖，使用UG草圖命令繪制機座草圖，然后通過拉伸等命令繪制出三維模型.在進行有限元分析時，分析軟件對三維零件模型的結(jié)構(gòu)要求很高，當三維部件結(jié)構(gòu)不完善不精確時，分割以及四面體／六面體單元的中性軸算法網(wǎng)格劃分可能會失敗[3].此時需要對三維模型結(jié)構(gòu)進行簡化，UG中往往要頻繁使用草圖功能，此時應(yīng)該構(gòu)造盡可能簡單的草圖幾何，例如輪廓線上的倒圓角，能用三維的邊圓角完成的，就不要畫在草圖中，其他如孔、槽、倒角等都應(yīng)放到三維特征中處理，原則是盡可能使草圖集合為若干直線的簡單組合.在進行有限元分析時，只要關(guān)閉那些無關(guān)緊要的倒圓、倒角、孔等特征就可以了，而不必重新修改草圖[4].

但同時必須注意，忽略這些細小特征也不是盲目的.要充分考慮忽略這些特征是否僅僅起修飾作用或是由于工藝上的需要（如定位孔等）而存在的，在某些情況下，一個圓角的半徑可能就正是優(yōu)化參數(shù)，會顯著地影響優(yōu)化分析過程，當然不能夠被忽略.另外，對于不同的有限元分析功能，特征是否忽略也不是一概而論的.為了提高有限元計算的效率，減少計算量和求解時間，簡化模型如圖1所示.

圖1 簡化后機座三維零件導(dǎo)入圖

2 有限元分析

有限元仿真是一種工程分析技術(shù)，它實際上是用來對那些結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不存在精確解的結(jié)構(gòu)進行仿真，這樣的結(jié)構(gòu)很難用傳統(tǒng)的方法求解，而用有限元法則能夠較容易地求解.

2.1 機座模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定零部件的固有頻率，可以使設(shè)計師在設(shè)計時避開這些頻率或者最大限度地減少對這些頻率上的激勵，從而消除過度振動和噪聲.機座材料為ZAlSiR，設(shè)置參數(shù)密度為2700kg／m3，彈性模量為75GPa，泊松比為0.33，機座與底座螺栓連接面采用固定約束，使用單元形狀進行網(wǎng)格劃分.選擇四面體單元對機座型進行自由網(wǎng)格劃分，劃分為38558個四面體單元.模態(tài)分析結(jié)果第五階到第八階模態(tài)云圖如圖2所示.

圖2 第五至第八階模態(tài)振型圖

機座模態(tài)分析的前十階結(jié)果如表1所示.

表1 機座模態(tài)分析主要結(jié)果

從表中數(shù)值可以看出，機座的前十階模態(tài)中，振動頻率最低為968.71Hz，其振動頻率沒有與電機頻率固有頻率50Hz靠近的數(shù)值，所以振動器機座不會產(chǎn)生共振，結(jié)構(gòu)能滿足使用要求.

2.2 機座應(yīng)力應(yīng)變分析

振動器工作時，機座主要受到激振力作用，激振力是通過振動發(fā)生器激勵運動部件和試件使之產(chǎn)生振動的力[5].振動器中，振動部件為偏心塊，裝在主軸上的偏心塊隨著轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動，由此產(chǎn)生激振力.

偏心半徑大邊：R＝60mm

偏心半徑小邊：R＝24mm

偏心質(zhì)量 m＝1.0632kg

偏心重心半徑 Y＝22mm

電機頻率 f＝50Hz

激振力大小：P＝Y(jié)×m（2πf）2＝22×10－3×1.0632×（2π×48）2＝2306N

設(shè)置參數(shù)密度為2700kg／m3，彈性模量為75 GPa，泊松比為0.33，載荷分布于軸承座與機座相接觸部位，選擇四面體單元對機座型進行自由網(wǎng)格劃分，劃分為28051個四面體單元.分析應(yīng)力位移云圖如圖3所示.

圖3 機座應(yīng)力、位移云圖

由分析結(jié)果可以看出，機座在激振力作用下承受的最大應(yīng)力為2.869MPa，最大受力位置為機座與軸承座相接處部位，最大變形為2.707mm，最大變形位置發(fā)生在機座與軸承座相連處.而機座材料是ZAl－SiR，其屈服強度為50MPa，許用應(yīng)力為25MPa，安全系數(shù)S＝50／2.869＝17.43＞[S]＝2.5，機座最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，計算安全系數(shù)大于許用安全系數(shù)，機座不會發(fā)生永久變形，設(shè)計符合要求.

3 機座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于現(xiàn)行設(shè)計的轉(zhuǎn)子己滿足強度要求，并有很大的安全裕量，因此從考慮節(jié)省成本和優(yōu)化工藝的角度出發(fā)，可根據(jù)有限元仿真結(jié)果對機座結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，在保證強度和剛度的前提下將原設(shè)計中機座壁厚為3mm，改為2mm.約束、載荷和材料不變，進行應(yīng)力應(yīng)變分析，仿真結(jié)果如圖4所示.

圖4 優(yōu)化后機座應(yīng)力、應(yīng)變云圖

表2 兩種結(jié)構(gòu)機座最大應(yīng)力、應(yīng)變比較

根據(jù)分析結(jié)果，機座在激振力作用下所受最大應(yīng)力為16.23MPa，最大位移為2.598mm，計算安全系數(shù)S＝50／16.23＝3.08＞[S]＝2.5，所受最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力且計算安全系數(shù)大于許用安全系數(shù)，不會發(fā)生永久變形，然而，優(yōu)化后機座質(zhì)量減少為2.1467kg，而優(yōu)化前其質(zhì)量為2.3392 kg，減少了8.23%的材料.所以，優(yōu)化后，在滿足設(shè)計要求的前提下，同時也降低了成本，優(yōu)化成功.

4 結(jié) 論

本文利用虛擬樣機的有限元分析方法，分別對振動器的機座進行了模態(tài)和靜力學分析，通過分析，得出了以下結(jié)論：

（1）固有頻率和零件的材料及結(jié)構(gòu)有關(guān)，通過對零件的模態(tài)分析，可以找出零件結(jié)構(gòu)的薄弱處，從而對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，為設(shè)計者提供參考依據(jù).機座模態(tài)分析中，前二十階模態(tài)的固有頻率沒有與電機頻率50Hz接近的數(shù)值，所以振動器機座不會產(chǎn)生自振，設(shè)計符合要求.

（2）在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和載荷條件下，機座在激振力作用下最大應(yīng)力和最大位移發(fā)生在機座與軸承座連接處，機座的應(yīng)力和位移均滿足要求，且都有較大的余量，可以進一步做結(jié)構(gòu)優(yōu)化.

（3）該機座壁厚改為2mm時應(yīng)力壁厚為3mm時大，最大應(yīng)力發(fā)生位置不變，但應(yīng)力最大值仍然小于材料的基本許用應(yīng)力強度，符合強度要求，減少了8.23%的材料，可節(jié)省生產(chǎn)成本.

[1]溫熙森，等.機械系統(tǒng)動態(tài)分析理論與應(yīng)用[M].長沙：國防科技大學出版社，1998.

[2]許本文.機械振動與模態(tài)分析基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[3]王玉鐲，等.ABAQUS結(jié)構(gòu)工程分析及實例詳解[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[4]潘新安，蘇學成，李 華，等.有限元前處理技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].煤礦機械，2007，28（4）：68－70.

[5]張合軍，王軍瑋.幾種常見偏心塊偏心距及其激振力的計算分析[J].礦山機械，1999，（6）：22－23.