非晶薄帶高速卷取裝置設計與模態(tài)分析

李 賀，宋言明，楊 洋

（北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191）

0 引言

非晶態(tài)合金材料具有優(yōu)異的電磁特性，其突出特點是高磁導率、低鐵損［1］。帶寬50 mm以上的非晶薄帶生產(chǎn)，需要在制帶機噴出帶材后立即對其進行卷取，高速卷取裝置就是用來實現(xiàn)帶材抓取、卷取的關鍵設備。

本文針對某80 mm帶寬非晶薄帶生產(chǎn)線的要求，對高速卷取裝置的結構進行了設計，通過有限元分析軟件對卷取輥筒裝置進行了模態(tài)分析，并對設備進行了模態(tài)試驗，為卷取裝置的高速旋轉提供理論依據(jù)。

1 高速卷取裝置的設計

1.1 總體設計思路

卷取裝置屬于高速旋轉機械，其結構存在與其他旋轉機械類似的振動問題。為了從結構設計上減小裝置可能存在的振動，對結構設計的整體思路歸納如下：①降低直線運動小車基座高度，增加基座重量；②提高卷取輥筒裝置的剛度，改善裝置的動力學特性；③調整卷取輥筒臨界轉速數(shù)值，使其轉動頻率避開設備的共振區(qū)域；④選用高精度軸承，提高軸承－轉子系統(tǒng)的回轉精度；⑤裝置各部分安裝要有隔振措施，保證各部分之間的振動隔離以及與外界振動源的隔離。

1.2 直線運動小車的設計

直線運動小車是卷取輥筒裝置的支承平臺，是卷取裝置進行工位變化的執(zhí)行部件。小車由基座和直線運動驅動裝置組成，其三維效果圖如圖1所示。

小車基座設計為箱體結構，支承部分由幾塊形狀不同的板件采用焊接工藝拼裝而成，通過螺栓與小車的底盤部分相連，這種結構有利于底盤部分驅動裝置的安裝與維修。

圖1 直線運動小車三維效果圖

小車底盤通過滑塊安裝在兩相互平行的高精度直線運動導軌上。該直線導軌采用羅升公司HGW35cc高精度滾珠線性導軌，具有自動調心能力，并且在各方向上都具有很高的剛度，能夠在重載情況下保證小車的平穩(wěn)運行，從而降低小車運行對輥筒振動的影響。

小車的驅動方式采用鏈輪驅動履帶式傳動裝置。安裝在小車底盤上的電機經(jīng)過減速器將動力傳遞到輸出軸上，位于輸出軸上的鏈輪與安裝在地基上的鏈條相互嚙合從而使鏈輪向前轉動，帶動小車沿著直線運動導軌往復運行。由于直線運動小車慣性較大，在電機輸出軸端加裝電磁制動器，使小車制動時能夠快速準確定位。

1.3 高速卷取輥筒裝置的設計

高速卷取輥筒裝置是卷取裝置的核心部件，主要實現(xiàn)對非晶薄帶的抓取和卷取動作。

輥筒裝置的結構示意圖如圖2所示。卷軸1兩端鉸裝在軸承座上，右端與錐盤4通過螺栓連接在一起；卷筒5通過鎖緊螺母3與錐盤4壓緊，實現(xiàn)卷取輥筒的快速對心和裝卸，形成一個能快速裝卸的卷取輥筒裝置。

圖2 輥筒裝置結構示意圖

為實現(xiàn)抓帶動作，卷取輥筒的外表面設計了負壓吸附孔并鑲嵌永磁體，通過吸負壓力與磁場的交叉增大吸附力，提高非晶薄帶的抓取效率。輥筒的高速旋轉是由電機帶動同步帶輪轉動，通過卷軸將動力傳遞到輥筒上，輥筒的驅動方式示意圖如圖3所示。

圖3 輥筒驅動方式示意圖

為提高軸系的剛度，降低因軸承與軸承座的間隙配合引起的振動，采用通體式軸承座設計。軸的支撐采用一端固定、一端活動的方式，在固定端采用兩精密角接觸球軸承7030C，并采用背對背的安裝方式，可承受軸向和徑向的負載；在活動端使用深溝球軸承6026，在承受徑向載荷的同時，使主軸在軸向具有一定的位移［2］。高速卷取裝置的最終效果圖如圖4所示。

圖4 高速卷取裝置效果圖

2 基于ANSYS的輥筒軸系模態(tài)分析

2.1 輥筒軸系有限元模型的建立［3］

考慮到設備的復雜性及小車基座的剛度很大，對有限元模型進行簡化。簡化后的有限元模型主要包括卷軸、軸承、鎖緊圓螺母、錐盤以及輥筒。

通過Solid Wor ks建立有限元分析模型，并保存為IGS格式導入ANSYS／Wor kbench環(huán)境下進行分析，各部件材料的力學參數(shù)見表1。

2.2 定義邊界條件

在分析中，忽略軸與軸承之間的相對轉動，忽略滾子在軸承內的運動，各零部件間均采用綁定接觸。

表1 各部件材料的力學參數(shù)

2.3 網(wǎng)格劃分

為保證計算的精度，軸承部分網(wǎng)格劃分設置為精密，其余部分設置為粗糙。網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分

2.4 仿真結果分析

由模態(tài)疊加法可知，位移響應中低階振型對結構的振動影響較大，對結構的動態(tài)特性起決定作用［4］。為此，取軸系的前6階固有頻率進行分析，見表2。輥筒軸系前6階模態(tài)振型如圖6所示。

表2 輥筒軸系前6階固有頻率

由模態(tài)分析可知，一階振型表現(xiàn)為輥筒沿重力方向的振動，二階振型表現(xiàn)為輥筒沿水平方向的振動，這與設備實際運行時輥筒表現(xiàn)出的振動形態(tài)一致。

3 模態(tài)試驗

3.1 試驗系統(tǒng)組成

試驗系統(tǒng)包含高速卷取裝置、紅外測速儀、壓電加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、功率放大器和軟件分析系統(tǒng)等。試驗中，加速度傳感器安裝在卷軸動力輸入端的水平和垂直兩個方向。

3.2 模態(tài)試驗分析［5］

模態(tài)中采集到的設備水平和垂直方向上的振動速度頻譜如圖7所示。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，卷取裝置在水平方向的最大振動速度峰值出現(xiàn)在頻率47.5 Hz處，為0.475 3μm／s；垂直方向上的最大速度峰值出現(xiàn)在頻率25.5 Hz處，為1.239 4μm／s。

由于輥筒重力影響，高速卷取裝置垂直方向上出現(xiàn)了較大幅值的振動，需對卷取輥筒部分優(yōu)化設計，來提高設備的整體剛度。

圖6 模態(tài)分析的前6階振型

4 結論

旋轉機械的振動是設備出現(xiàn)故障的常見原因，通過對高速卷取裝置結構的合理設計、利用軟件仿真以及模態(tài)試驗3個方面保證該卷帶設備的正常工作。經(jīng)過大量的現(xiàn)場試驗，驗證了該設備的實用性，并獲得了大量的試驗數(shù)據(jù)和控制經(jīng)驗，為最終非晶薄帶制取和卷取的聯(lián)合試驗奠定了基礎。

圖7 振動速度頻譜

［1］ 周少雄.非晶態(tài)合金材料的發(fā)展現(xiàn)狀及在配電變壓器中的應用［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2010（3）：39－43.

［2］ 成大先.機械設計手冊［M］.第5版.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［3］ 段進，倪棟，王國業(yè).ANSYS11.0結構分析從入門到精通［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2006.

［4］ 沃德·海倫，斯蒂芬·拉門茲，波爾·薩斯，等.模態(tài)分析理論與試驗［M］.白化同，郭繼忠，譯.北京：北京理工大學出版社，1996.

［5］ 傅志方，華宏星.模態(tài)分析理論及應用［M］.上海：上海交通大學出版社，2000.