离心脱水机试验台的动力学特性

刘云山,李勤良,闻邦椿

(1.东北大学 机械工程与自动化学院,沈阳 110819; 2.辽宁轨道交通职业学院 机械工程系,沈阳 110023;3.河南工业大学 机电工程学院,郑州 450007)

双质体卧式离心脱水机的设计难度较大,目前,国内许多企业的卧式振动离心机侧重对国外同类产品的模仿,缺乏完整的理论指导和设计经验[1-5].橡胶弹簧是振动离心机的核心元件,直接影响系统的动力学性能.在橡胶弹簧选择方面,生产企业只是以固定形状和一定的硬度范围作为标准,而对橡胶弹簧特别是主振橡胶弹簧的动刚度特性缺乏了解,因此,难以对振动离心机的各种振动特性进行较为准确的定量分析,这也为卧式振动离心机的性能改进以及新机型开发带来了一定难度.

本文根据振动离心机的工作原理，建立了双质体近共振试验台和振动系统的动力学方程.通过CAE软件针对试验台建立有限元模型,计算出试验台的各阶固有频率和模态振型,并用力锤法测得试验台固有频率.

1 VM1400卧式振动离心机

1.1 工作原理

VM1400卧式振动离心机在设计上采用亚共振原理和双质体振动技术,运用共振效应,将激振力通过橡胶板间接传递到旋转的主轴上,根除了在极具破坏力的振动中,构件相互间的刚性冲击、碰撞和磨擦,整机结构简单可靠,故障率极低,且振幅调整方便,适用于不同的煤种.图1为VM1400卧式振动离心机的内部结构.图2为VM1400卧式振动离心机的实物图片和力学模型.

图1 VM1400卧式振动离心机的内部结构Fig.1 Internal structure of VM1400 horizontalvibrating centrifuge

图2 某企业近共振自同步振动离心脱水机及动力学模型

1.2 技术参数

VM1400卧式振动离心机的主要技术参数如表1所示.

表1 VM1400卧式振动离心机的主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of VM1400

2 双质体试验台

图3为根据VM1400卧式振动离心机建立的双质体近共振试验台,内质体为一体式结构,外质体为组装式结构,在内、外质体侧面安装2块橡胶板.该橡胶板为VM1400振动离心机的原厂配件,安装压缩量为5 mm,机体与底架之间安装12个螺旋弹簧,起隔振作用.外质体两侧安装两台垂直对称布置的振动电动机,电动机采用钟祥新宇生产的VB-1082-W型号,电动机参数:质量39 kg,额定转速2 810 r/min,最大激振力10 000 N,功率0.75 kW.试验台整机质量695 kg,其中内质体质量m1=265 kg,外质体质量m2=430 kg(含电动机).

图3 双机双质体近共振试验台Fig.3 Vibration test stand with two motors and dual-mass in the near-resonant state

3 试验台的模态分析

3.1 模态分析理论基础

研究内容为双质体试验台振动系统的动力学特性,因此，振动系统的重要参数固有频率和振型的求解将是该研究的主要内容.由经典的振动理论可知,多自由度系统振动微分方程为

(1)

式中:[M]，[K]分别为系统的质量和刚度矩阵;[C]为系统的阻尼矩阵;{F(t)}为外力矢量.

如果令外力{F(t)}=0,这时将得到系统的自由振动微分方程.在求解系统自由振动的固有频率和阵型时,阻尼对其影响较小,因此，可以忽略阻尼对系统的影响[6-7],这样便得到系统无阻尼自由振动方程为

(2)

设系统作如下简谐振动:

(3)

将式(3)带入到式(2)中,得

(4)

方程(4)的根即为特征值,ωi(rad/s)为系统的自然圆频率,系统自由振动的固有频率fi=ωi/2π.此时向量{u}i即为系统的阵型向量.

3.2 试验设备与测试方法

图4为试验台进行模态分析的试验设备与测试方法.

图4 振动测试仪器Fig.4 Vibration test equipmen

试验设备选用INV3060S型24位网络分布式同步采集系统,采用以太网接口,数据双存储,采集仪内置16 GB,能够同时进行多通道、实时、FFT等分析,最高采样频率51.2 kHz;AD精度24 bit;频率误差<0.01%;幅值误差<1%;通道间串扰100 dB;具有高通和低通滤波功能;适合分布式、多测点、远距离或无线传输的振动、噪声、冲击、应变、压力、电压等各种物理量信号采集,与达士普(DASP)软件相结合,可实现数据采集、信号处理、故障诊断、模态分析、桩基检测、噪声与声强测量、动力学修改和响应计算等.采集响应信号利用B&K公司的4506B型三向加速度传感器,该型号加速度传感器测量范围±700 m/s2,采集频率范围x:0.3～5.5 kHz,y,z:0.6～3.0 kHz;灵敏度以每单位加速度的电压来表示(mV/ms-2),4506B型传感器灵敏度可以从10 mV/ms-2～100 mV/ms-2,质量为15 g.试验中用力锤对试验台进行激励,用塑料锤头,采集激励信号使用力传感器8206-001,传感器和信号放大器都集成在力锤当中.

3.3 力锤法分析试验台的固有频率

测试点布置以及测试顺序如图4所示,图中①,②,③,④表示敲击点的顺序,按此顺序分别敲击外质体和内质体,拾取点固定于外质体①位置不变.通过该测试方法可以得到试验台的固有频率(<50 Hz),如表2所示.

表2 力锤法测得的试验台固有频率Tab.2 Natural frequencies of vbration test standby hammer law

3.4 有限元分析试验台的固有频率和振型

图5为针对VM1400卧式振动离心机建立的双质体近共振试验台振动系统的有限元模型.采用与离心机有限元分析中类似方法对试验台进行网格划分等操作,壳体与橡胶板的材料参数也与离心机一致.

图5 试验台有限元模型Fig.5 Finite element model of test stand

试验台底部隔振弹簧自由高度H=125 mm,工作圈数i=4,弹簧中径D=115 mm,钢丝直径d=12 mm.通过理论计算[3]可知,每个弹簧单元的垂向刚度约为33 660 N/mm,切向刚度为45 652 N/mm.仿真中每个弹簧沿x,y,z,3个方向的combin14单元进行模拟.对弹簧单元底部进行全约束,电动机利用刚性连接与试验台侧面固定板相连.通过有限元计算可以得出与试验相对应的固有频率,如表3所示.图6为各阶频率下的振型.

表3 有限元计算出的试验台固有频率Tab.3 Natural frequencies of vbration teststand by FEM

第1阶振动模态:内、外质体作为整体,在底部隔振弹簧的支撑下,以试验台底部为轴心,由左向右为轴线前后摆动,该振型为主振方向的低阶主振型.

第2阶振动模态:内、外质体作为整体,在底部隔振弹簧的支撑下,以内质体中心为轴心,竖直方向为轴线左右摆动.

第3阶振动模态:内、外质体作为整体,在底部隔振弹簧的支撑下,以试验台上方为轴心,由左向右为轴线上下摆动.

第4阶振动模态:内、外质体在主振弹簧的作用下,以试验台中心为轴心,由里向外为轴线作反向扭转振动.

第5阶振动模态:内、外质体在主振弹簧的作用下,沿竖直方向作上、下反向振动.

第6阶振动模态:内、外质体在主振弹簧的作用下,沿水平方向作前、后的反向振动,该振型为主振方向的高阶主振型.

图6 试验台振型Fig.6 Vibration modes of test stand

通过对比有限元仿真结果以及力锤法测试结果,发现两种方式获得的振动系统各阶固有频率值相差不大,验证了仿真的可靠性.同时，可将这两种方法推广到如捣固车等大型养路机械的振动设备的研制和开发上来[8].

4 结语

本文介绍了VM1400卧式振动离心机的工作原理及技术参数,分析了针对VM1400卧式离心脱水机的试验台的主要结构;提出对双机双质体试验台的两种模态分析方法,对离心机的设计提供了一定的设计理论依据.