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动平衡机平衡摆动部件分析与优化*

2013-09-12谢志坤史科科刘伯聪

组合机床与自动化加工技术 2013年9期
关键词:支杆动平衡曲轴

路 平,谢志坤,史科科,刘伯聪

(沈阳机床(集团)设计研究院有限公司,沈阳110142)

0 引言

通常,曲轴在加工前与加工后都要进行动不平衡量的检测,动平衡机是一套可以检测曲轴动不平衡量的一种机床,在检测的同时可以对曲轴进行加工,使曲轴达到动平衡,通过对动平衡机平衡摆动部件进行有限元分析,分析其动态特性,对不符合要求的固有频率振型通过优化改进,以提升动平衡机的检测精度。曲轴是发动机中的重要零件,必须进行动平衡测试,曲轴动平衡能否达到规定的要求,将直接影响曲轴的使用寿命,也对发动机的性能产生重要的影响。曲轴不平衡会使发动机工作时产生周期性的振动,这种振动会使发动机的工作精度和可靠性降低甚至造成事故,或使零件疲劳损坏而产生噪声。根据动平衡原理,轴向尺寸较大的回转件,必须分别在任意两个回转平面内各加或减一个适当的质量,才能使回转件达到平衡,因此,先令曲轴在动平衡机上运转,然后在两个选定的平面内找出所需平衡的质量大小和相位,进行加重或去重,从而使曲轴达到动平衡[1-4]。

1 动平衡机平衡摆动部件

动平衡机是一套专门检测曲轴动不平衡量并进行加工的机床,本厂针对不同尺寸的曲轴,有不同型号的动平衡机,如动平衡机—500、动平衡机—800,以及动平衡机—1000等,分别对相应尺寸曲轴进行动平衡检测与去重。

图1所示为动平衡机—500平衡摆动部件。在主电机驱动下,平衡主轴部件带动曲轴运转(曲轴由四组支撑轴瓦进行支撑),当电机转速接近平衡摆动部件某一阶固有频率时,平衡摆动部件振动急剧增大,从而测出不平衡量的大小和相位。因此调节动平衡机平衡摆动部件的固有频率及振型尤为关键。

图1 动平衡去重机—500平衡摆动部件三维模型

2 模态分析基本理论

模态分析是计算系统固有频率和振型的一种数值方法,对自由模态,运动方程如下所示:

式中M和K分别为系统质量矩阵和刚度矩阵,{}和{x}分别为系统的加速度向量和位移向量。当系统做简谐振动,则有以下公式:

求解方程(3)即可得到结构各阶固有频率及振型。

3 模态分析

采用ANSYS11.0软件,对动平衡机—500平衡摆动部件进行模态分析,模态分析是研究结构动态特性一种近代方法,它为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。首先对模型进行简化,去掉螺纹孔及一些小特征,保留影响模态及其振型的零件。由于动平衡机工作频率大约在5Hz左右,低阶模态对振动系统的动态特性影响较大,本文仅计算前三阶模态,给出了平衡摆动部件的前3阶固频和相应振型。如图2所示为平衡摆动部件经过简化的三维模型。图3、图4、图5为第1阶、第2阶、第3阶模态。由分析结果可以看出,第1阶振型前后振动不一致,尾端红色部分振动幅度大,前端绿色部分振动幅度小,不满足要求,需要进行改进。

图2 平衡摆动部件三维模型图

图3 f1=2.45Hz整体沿轴线垂直方向扭动

图4 f2=2.54Hz整体沿轴线方向摆动

图5 f3=3.28Hz整体沿中心线扭动

4 结构改进

通过针对平衡摆动部件进行有限元模态分析,分析其前3阶固有频率,以及振型情况,发现其第1阶固有频率振型有问题。第1阶固有频率振型,床头与床尾振动时不能达到一致性,尾部振动幅值明显大于头部,不满足要求,因此需要针对第1阶固有频率进行改进。

采用三种方案进行改进,通过有限元模态分析,进行结构优化与对比,使第1阶固有频率振型达到理想情况。

4.1 方案1

通过改变支杆的支撑位置,采用如图6、图7所示支撑方式,图6结构中平衡部件总重量基本由头部两根支杆承担,尾部两根支杆基本不承担重量,受力方式不合理,图8结构明显处于不稳定状态,受力方式也不合理,此种方案不可行。

图6 优化支杆支撑方式1

图7 优化支杆支撑方式2

4.2 方案2

通过添加支杆方式,对平衡摆动部件采用六根支杆进行支撑(图8),并且改变支撑位置,共3种方式,进行模态分析。计算前3阶固有频率及振型,第1阶分析结果如图9、图10、图11所示,其中图11的中间两根杆相对图9向后移动了一点,经分析六根支杆进行支撑第1阶模态振型也不能达到前后振动的一致性,结果此方案不能满足要求。

4.3 方案3

继续采用四杆支撑方式,通过添加辅助质量块,改变其动态特性,调整振动方向。模型如图12所示,在平衡摆动部件四根支杆后面加5kg、10kg、15kg质量块,通过模态分析,计算出当添加10kg质量块时,满足要求,受力也合理。前3阶模态分析结果如图13、图14、图15所示,可以看到,第1阶模态振型振动方向为整体垂直于曲轴轴线方向振动,前后振动幅值相同,第2阶模态振型图为整体平行于曲轴轴线方向振动,第3阶为沿中心线摆动。从分析结果可以看出,振型满足要求,达到了预期的振动效果。

图9 方式1第一阶模态振型

图10 方式2第一阶模态振型

图11 方式3第一阶模态振型

图12 添加质量块去重机三维模型

4.4 小结

通过对动平衡机平衡摆动部件的有限元计算模型进行模态分析,得出了前3阶固有频率和响应振型。从平衡摆动部件的模态云图中,可以直观的分析动态性能,为平衡摆动部件的优化设计提供了依据。通过改变4根支杆的支持方式以及6根支杆的支持方式,计算平衡摆动部件的第1阶固有频率及振型,效果都不理想,最后当采用4根支杆时,通过在动平衡机的尾端加载10kg的质量块,可以看到动平衡试验机平衡摆动部件达到了理想的振动情况。取得了优化设计的预期效果。

图13 f1=2.51Hz整体沿径向方向振动

图14 f2=2.52Hz整体沿轴线方向振动

图15 f3=3.40Hz整体沿中心扭动

5 结束语

在动平衡机进行设计的时候,为了保证其振动情况达到理想的要求,有必要对其进行动态特性分析,检测其振动情况,如果振动情况不理想,就有必要对其进行结构优化。本文针对曲轴动平衡机—500平衡摆动部件进行有限元分析,分析其前3阶固有频率,以及振型情况,发现平衡摆动部件第1阶固有频率振型不满足要求,需要进行结构优化与对比。讨论了四杆支撑与六杆支撑等多种支撑方式,最后得出采用四杆支撑及在尾端施加10kg配重时,方案最优,实践证明,曲轴动平衡机去重效果明显改善,可为同类型动平衡机平衡摆动部件结构设计提供借鉴。

[1]刘健,肖文生.多工位全自动动平衡机开发[J].制造技术与机床,2012(3):63-66.

[2]刘佳,蔡萍,赵鼎鼎.两工位自动钻削动平衡机及其去重策略[J].组合机床与自动化加工技术,2009(5):29-32.

[3]周传运,李汉廷,孟凡文.基于单片机的家用制氧机电控系统优化设计[J].机电工程,2013,30(8):974 -977.

[4]张丕.U型无铁芯永磁直线电机样机设计与有限元分析[J].机电工程,,2013,30(8):978 -980,1009.

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