轨式输送机车轮的模态分析

赵士英 董汉政 李忠祥 刘学彬

(山东科技大学机械电子工程学院 山东 青岛 266590)

轨式输送机车轮的模态分析

赵士英 董汉政 李忠祥 刘学彬

(山东科技大学机械电子工程学院 山东 青岛 266590)

在散料运输过程中，相比较带式输送机而言，高效绿色节能的轨式输送机成为选择重点。但轨式输送机在运行过程中，由于设备转动、装卸料等原因会产生噪声污染。为了研究车轮的振动特性，本节采用有限元软件对车轮模态进行分析，了解其固有频率和振型，为深入分析影响车轮振动和噪声提供理论和参考。

轨式输送机；车轮；固有频率和振型；ANSYS；模态分析

一、固有频率和振型

固有频率是当结构在受到干扰时最容易发生振动的频率，也可以称之为特征频率或共振频率。结构在特定频率下的变形为主振动模态，称为振型。固有频率与振型可以解特征方程得到，当车轮外部激励频率与其结构固有频率相等或近似时，就会发生共振。为了研究车轮的振动特性，本节采用有限元软件对车轮模态进行分析，了解其固有频率和振型。

对于多自由度的线性振动系统，自由振动微分方可以用矩阵的形式来描述，即

二、车轮模态分析

本文选取输送小车为外径60mm的车轮，主要由踏面、轮缘、轮辋、辐板和轮毂组成，在工程数据属性中添加新材料HT200，定义车轮的物理参数杨氏模量E=2×1011Pa，泊松比υ=0.32 kg/m3，密度ρ=7×103kg/m3三维模型由SolidWorks建立，将车轮三维模型导入到Workbench，并划分网格如图1。

图1 车轮网格划分

为了提高计算效率不考虑车轴的影响，设置最大模态阶数为8，添加轮毂内边界为固定约束。模态分析计算完成后，得到车轮前8阶模态的固有频率值，取取部分仿真图如下图所示。

图2 第一阶模型

图3 第四节模型

图4 第八阶模型

表1 车轮模态分析的固有频率值

阶数固有频率(HZ)阶数固有频率(HZ)15963.457606.225965.569036.936172.179065.646380.4812212

由前8阶模态振型可知，固有频率随模态阶数的增加而变大，最小固有频率为5963.4Hz，由于车轮形状呈轴对称，其振型也成对称形式，振型频率较大，轮辋、轮缘和辐板振动较为活跃。在1-6阶车轮主要是轮缘的扭摆、轴向和径向的振动，7-8阶开轮缘的扭摆复杂变形。因此，轮缘和踏面是车轮在高频段内的主要振动部位，而且因为轮缘厚度薄、面积大成了噪声的主要辐射区。

三、结论

本文主要采用有限元软件对车轮模态进行分析，确定了车轮在高频段内的主要振动部位，进一步了解其固有频率和振型，为深入分析影响车轮振动和噪声提供理论和参考。

[1]王孚懋,任勇生,韩宝坤.机械振动与噪声分析基础[M].北京:国防工业出版社,2006.

[2]李晓雷,俞德孚,孙逢春.机械振动基础[M].2版.北京:北京理工大学出版社,2010

[3]D.J.Thompson,C.J.C.Jones.Sound Radiation from a Vibrating Rallway Wheel [J].Jounal of Sound and Vibration,2002,253:401-419.

赵士英(1991-)，男，山东科技大学机械电子工程学院在读硕士研究生。