基于SolidWorks的移动式动车组清洗机机架的模态分析

张鸿　周瑜哲

摘要：针对目前动车组在检修库内的外皮清洗普遍采用人工清洗的特点，设计一款移动式动车组清洗机，可有效提升清洗质量，降低人工成本，提高经济效益。并采用SolidWorks软件建立清洗机的三维模型，运用simulation模块通过有限元方法对清洗机机架进行模态分析，得到机架在各阶频率下的模态形式，为机架的优化设计提供参考。

关键词：SolidWorks;清洗机;模态分析

0  引言

目前，动车组在检修库内进行清洗时普遍采用人工清洗，将平板拖把绑上水管在外皮上来回擦洗，传统刷车方式如图1所示，由于规定作业时间短，作业人数多，导致动车组外皮清洗人工成本高，利润低，为此，参考了国外清洗机的产品形式，结合动车组外形特点以及动车组检修库内部环境，设计出一款动车组专用移动式清洗机，通过辊刷的竖向旋转，产生离心力，使辊刷的刷毛与车体摩擦，从而清除表面污垢，清洗机外形如图2所示，机器代替人工清洗，可有效降低人工成本，提高经济效益。

清洗机在工作时，滚刷的旋转有可能导致机架的振动，为提高清洗机的工作可靠性，利用SolidWorks simulation模块对清洗机机架进行模态分析，模拟实际状况进行加载，得到了机架的固有振动频率，分析了各阶频率下机架的变形程度，为机架的优化设计提供参考数据。

1  SolidWorks软件介绍

SolidWorks软件集CAD/CAM/CAE于一体，基本实现了设计、分析、制造的一条龙解决方案，对于降低成本，缩短设计制造周期，实现虚拟装配，事前分析具有非常重要的作用[1]。

2  模态分析

2.1 振动理论分析

我们知道，不同结构的物体都有不同的固有振动频率，当外界激振频率与固有频率一致时物体就会产生振动，其表现出来的振动形态，称为振动模态[2]。由结构动力学分析可知有阻尼的交迫振动方程为

式（1）为一组二阶常系数齐次线性微分方程组，其中[M]、[C]、[K]分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵，{x}为系统各点的位移响应向量，{F}为系统各点的激振力向量。求出{x}即可知道结构的振动模态。若系统节点数为n，每个节点有3个自由度，那么{x}为3n维向量，可得到3n个振动模态。在实际工程应用中，阻尼对结构的振型与频率影响不大，因此，可以忽略阻尼，得到无阻尼的自由振动方程

式（2）为机架系统的无阻尼自由振动方程，其特征方程为

式（3）中？棕2为特征方程的特征值。

根据振动理论可知，特征值的平方根就是一个振动系统的固有频率，所以解出式（3）就可以机架的固有频率和振型[3]。

2.2 有限元模态分析过程

采用SolidWorks对清洗机进行三维建模，为便于计算和施加边界条件，将实体模型简化为机架、上轴承座、下轴承座、底座板、轮座板五个部分，简化后的模型如图3所示，并将其导入simulation模块中。

2.2.1 参数设置

铝合金型材具有密度小，重量轻，耐腐蚀，外观靓丽，便于安装，定位精度高的特点。因此该清洗机机架采用铝合金型材，通过铝合金型材和连接角码的固定组合安装而成。上轴承座、下轴承座、底座板采用耐腐蚀的不锈钢材料，轮座板采用普通碳钢材料，在模态分析界面将各材料的密度、弹性模量、泊松比等参数进行设置。

2.2.2 约束条件与载荷设置

为了模拟实际的工作状态，将轮座板底面添加（固定几何体）约束，各部件进行装配时采用接合的方式，在下轴承座上表面添加300N竖直向下的作用力，并在其内圆面上设置100转每分的离心力，用来模拟辊刷转动时对机架的作用，在机架下部添加竖直向下的2000N的作用力，用来模拟电池对机架的作用。

2.2.3 划分网格

网格划分是将连续的实体模型分成有限个细小单元的过程[4]，为了保证网格的划分质量，提高计算精度，采用基于曲率的网格划分参数，将机架的所有铝合金构件定义为梁单元，其他实体采用四面体网格，可有效提高分析速度。在连接处设置兼容性网格，网格品质为高品质，为机架设置全局接触，使接触区域的相邻单元具有公共节点，进而促使边界条件的连续性。单元大小为16.435mm，公差为0.699mm，节总数为19941个，单元总数10483个，网格生成后的有限元模型如图4所示。

2.3 有限元模态分析结果

一般情况下，前几阶振动频率对系统的影响较大，高阶振动频率对系统影响较小，因此提取前五阶模态进行求解，并分析预应力作用下的变形情况。机架的前五阶的振型云图如图5-图9所示。其中，一阶振型向整个机架向左侧倾斜，自下上振幅越来越大，顶端的变形量最大，二阶振型为机架上部向外张开，顶部中间向下变形。三阶振型为扭转变形，最大变形为上部前端。四阶振型机架变形呈C形，最大变形位于中部轴承座以及横梁上。五阶振型与二阶振型类似，较之幅度更大一些，最大变形也出现在顶部中间。由阵型图可以看出，随着阶数的增加，变形量也增大，较多的时候变形发生在机架顶部。图10列出的是机架的前五阶共振频率，最小的共振频率为10.417赫兹，而清洗机的工作频率为1.667赫兹，远低于最小共振频率，因此，辊子不会对车架产生共振。

3  结论

本文对移动式動车组清洗机的设计进行简要介绍，对生产工艺算是一项技术革新，可有效降低人工成本，提高生产率。并对此设备的机架进行了模态分析，得到了机架的前五阶固有频率和振型，随着固有频率的增加，振动产生的最大位移也提高，清洗机的作业频率远低于机架的最小共振频率，所以清洗机不会产生振动。这可以为清洗机的配件优化设计提供参考。

参考文献：

[1]韩慧斌.基于SolidWorks的复杂壳体造型和模态分析[J].煤炭技术，2015，34（2）：203-205.

[2]邱海飞.带式输送机机架动态分析与优化设计[J].煤矿机械，2012，33（6）：31-33.

[3]陈超祥，胡其登.SolidWorks simulation 高级教程[M].北京：机械工业出版社，2019，7：2-3.

[4]郑祥，等.基于SolidWorks往复泵曲轴参数化建模及模态分析，2014，35（11）：273-275.