GM-500型車輛牽引臺高速滾筒模態(tài)分析

黃學(xué)翾, 肖啟瑞,王波群

(1.廣州市地下鐵道總公司運(yùn)營事業(yè)總部 車輛中心，廣東 廣州 510000；2.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510515)

0 引言

重型工程設(shè)備中大轉(zhuǎn)動慣量部件在高速旋轉(zhuǎn)時有發(fā)生變形的可能，當(dāng)轉(zhuǎn)速與工作部件固有頻率對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速接近時容易引起旋轉(zhuǎn)部件的共振損壞，因此，在設(shè)計時應(yīng)對這種危險工況進(jìn)行分析計算。本文以某型車輛牽引臺高速滾筒為例，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)工況和靜力及模態(tài)計算。

1 車輛牽引臺高速滾筒有限元分析的處理

圖1 車輛牽引臺高速滾筒裝配總成

車輛牽引臺高速滾筒結(jié)構(gòu)如圖1所示，在導(dǎo)入ANSYS之前在CAD軟件中進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪Ｐ秃喕捎肧olid Brick 8node45實(shí)體4面體單元來對滾筒進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型單元劃分結(jié)果如圖2所示。網(wǎng)格劃分后總單元數(shù)為14575，總結(jié)點(diǎn)數(shù)為29476。

圖2 滾筒網(wǎng)格劃分

位移邊界條件為內(nèi)部圓板內(nèi)孔邊緣節(jié)點(diǎn)的周向位移約束，載荷為工作轉(zhuǎn)速形成的離心慣性載荷。

滾筒由電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動，滾筒額定工作轉(zhuǎn)速為500r/min，施加轉(zhuǎn)速引起的慣性離心載荷，由額定轉(zhuǎn)速可知旋轉(zhuǎn)角速度：

在ANSYS軟件中對上述角速度的處理為：以角速度(Angular Velocity)形式給滾筒加上旋轉(zhuǎn)荷。

2 高速滾筒離心慣性力分析

對加載后的仿真模型進(jìn)行求解可得到需要的滾筒的變形量及各應(yīng)力云圖如圖3至圖5所示。因?yàn)闈L筒轉(zhuǎn)動慣量大，高速旋轉(zhuǎn)時主要受離心載荷作用，因此，需要重點(diǎn)校核該部件的徑向位移和徑向應(yīng)力。

圖3 滾筒徑向位移云圖

圖3中為該滾筒應(yīng)該校核的徑向位移。有限元分析結(jié)果表明，在ne=500r/min高轉(zhuǎn)速作用下，由于離心慣性作用，最大徑向位移達(dá)到0.0374mm，對于一個直徑達(dá)1000mm的部件來說是可以接受，表明滾筒在工作轉(zhuǎn)速時剛性良好。

圖4 滾筒徑向應(yīng)力云圖

由圖4和圖5可以得到滾筒的最大徑向應(yīng)力和總應(yīng)力分別為17.3MPa和15.8MPa。

圖5 滾筒von Mises應(yīng)力

徑向應(yīng)力與von Mise應(yīng)力接近，表明該滾筒在調(diào)速離心載荷作用時主要應(yīng)力都表現(xiàn)為滾筒的徑向應(yīng)力，符合滾筒工況實(shí)際。因此，工作滾筒旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度、剛度可滿足設(shè)計要求。

3 離心慣性載荷作用下的滾筒模態(tài)分析

工程上對于高速旋轉(zhuǎn)部件，存在一系列的固有頻率，各頻率對應(yīng)一系列臨界轉(zhuǎn)速，如果滾筒常用工作轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速相接近，將引起很大的振幅，產(chǎn)生相應(yīng)振型。會造成滾筒及整機(jī)的結(jié)構(gòu)破壞。應(yīng)借助模態(tài)分析計算該滾筒的固有頻率與臨界轉(zhuǎn)速，分析結(jié)果列于表1中，列出前6階的常用固有頻率。臨界轉(zhuǎn)速由下式得到：

表1 細(xì)長軸前6階固有頻率

依次分析各固有頻率對應(yīng)的振型，如圖6～圖8所示。限于篇幅，僅列出前1、3、5階的振型圖示。

圖6 滾筒1階振型

圖7 滾筒3階振型

圖8 細(xì)長軸5階振型

由表1可知，滾筒最低臨界轉(zhuǎn)速約為966r/min，遠(yuǎn)高于其額定工作轉(zhuǎn)速500r/min。所以，該機(jī)臺滾筒在工作時不會發(fā)生共振，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)是安全可靠的。

4 結(jié)語

基于ANSYS對GM-500型車輛牽引臺高速滾筒進(jìn)行旋轉(zhuǎn)載荷及模態(tài)分析，得到了該傳動軸在500 r/min時的變形量和各種應(yīng)力以及前6階固有頻率，最低固有頻率對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速為966 r/min。分析計算結(jié)果表明，該滾筒具體要求良好的強(qiáng)度和剛度，額定工作轉(zhuǎn)速較最小臨界轉(zhuǎn)速低許多。該計算 分析方法可以應(yīng)用于同類轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的部件設(shè)計過程，在設(shè)計過程中即可校核大慣量旋轉(zhuǎn)部件發(fā)生危險的可能。

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