卧式砂型铸造机底座的动态特性分析

□ 张大鑫 □ 李 莉

同济大学铁道与城市轨道交通研究院 上海 201804

1 分析背景

卧式砂型铸造机在工作时由于液压压实力和振捣棒工作会产生振动,进而在铸件表面形成振纹,降低铸件的铸造品质。如果卧式砂型铸造机振幅较大,可能会中断压实装置、填砂装置等的正常运行,造成卧式砂型铸造机损坏。底座、填砂装置、压实装置是卧式砂型铸造机的重要部件,这些重要部件同时也是卧式砂型铸造机的振动源。底座、填砂装置、压实装置的动态特性和静态特性决定了卧式砂型铸造机铸造铸件的质量和品质,也影响着卧式砂型铸造机的使用寿命。由此可见,分析卧式砂型铸造机底座的静态特性和动态特性,可以为卧式砂型铸造机的结构设计与性能优化提供参考。笔者对卧式砂型铸造机底座的动态特性进行分析。

近年来,国内技术人员对机械结构的静态特性和动态特性进行了分析,并进行了结构优化设计。汪青崟等[1]以C61450超重型数控车床的主传动系统和主轴系统结构为研究对象,使用有限元方法对车床床身的受力情况和结构性能进行研究,为超重型数控车床主轴系统的结构优化提供理论依据。陈叶林等[2]以磨床床身结构为例,分析计算了床身的前六阶固有频率与振型,得到床身的筋板位置和尺寸对床身刚度的影响。王亮等[3]基于HyperMesh软件对机床床身进行网格划分,建立有限元模型,进而对床身进行拓扑优化和尺寸优化,并对床身轻量化设计方法进行研究。李锁斌[4]以SL-32数控车床为研究对象,分析求得主轴系统前三阶固有频率和振型,得到数控车床性能的分析依据和结构优化方案。董惠敏等[5]通过研究卧式车床支承件的结构与静态特性,得出整体弯曲、倾覆、扭转,以及导轨局部弯曲是卧式车床中梁、板、箱体的主要变形。李小彭等[6]通过计算获得精密车床工作时的齿轮啮合振动频率和主轴回转振动频率,研究在不同床身高度条件下床身固有频率的变化趋势。任伟萌等[7]基于HTC3650卧式数控车床,对车床床身进行静力分析和模态分析,识别出床身的总变形量与前四阶固有频率,并采用目标驱动优化方法对车床床身尺寸参数进行优化。胡振等[8]以SCK230数控螺纹车床为研究对象,对床身内部筋板的结构进行优化方案选择,并对优化方案中筋板厚度和孔径进行尺寸优化,同时通过改变床身倾斜角度来改善系统稳定性。何文斌等[9]以某款纯电动乘用汽车为研究对象,建立车架的有限元模型,利用振动测试系统对车架进行模态试验,分析车架的动态特性。邓涛等[10]以立柱内部结构为研究对象,提取多种筋板布局单元结构,应用有限元分析软件进行分析计算,得到最优筋板布局型式。黄纪刚等[11]对车床关键部件的结构进行有限元静力学分析,经过计算求解,模拟各部件在实际工作时所受的应力与应变分布情况,并对结构进行优化。

2 动态特性分析步骤

因为卧式砂型铸造机底座是一个弹性体,所以底座结构不仅要具有合理的静态性能,而且要具有良好且合理的动态性能。对于动态特性,主要分析有载荷作用时结构的固有振动频率、振型和振型模态相对位移量。

在卧式砂型铸造机正常运行的情况下,分析底座的动态特性,可以验证卧式砂型铸造机振动的固有频率和振幅,从而为优化卧式砂型铸造机结构、避免共振提供理论依据。

基于有限元原理的卧式砂型铸造机底座动态特性分析步骤如图1所示,主要包括模型处理,单元划分,载荷及边界条件加载,ANSYS软件计算,得到计算结果,进行精度分析。

图1 底座动态特性分析步骤

3 动态特性分析过程

3.1 几何建模

由于有限元分析软件自带的建模功能处理复杂结构模型十分困难,加之卧式砂型铸造机底座整体结构相对复杂,因此先使用SolidWorks软件建立底座的装配体几何模型,然后导入有限元分析软件。在底座中,下侧的支座支撑两侧顶端,光滑导杆和丝杠固定在顶端上,中间滑块套在滑轨上,砂箱设置在滑块上,螺杆位于顶端和墩座之间。在建立模型时,尽量使模型接近于真实实体。最终建立的底座几何模型如图2所示。

3.2 模型简化

底座几何模型的内部结构相对复杂,而且附带一些小特征。这些小特征对底座整体性能的影响相对较小,但是在进行网格划分和计算时会增大难度,因此忽略这些小特征,包括小孔、倒角、圆角,以及对整体结构影响较小的特征。其它部件作为底座的主要承载部件,均未做简化处理。

图2 底座几何模型

3.3 单元精度选择

有限元分析软件进行网格划分时,需要确定单元精度,即单元的疏密程度。单元精度取决于网格划分的疏密程度,而且单元精度在一定关系下会决定计算规模与计算精度。在进行网格划分时,一般遵循的准则是均匀应力区域粗划,应力梯度大区域细化。底座有限元模型的单元精度确定为3。

3.4 材料属性设置

底座为铸铁铸造件,通过查阅手册确定弹性模量为1.35×108N/mm2,密度为7.3×103kg/m3,泊松比为0.25。

通过上述过程,得到底座网格划分模型,如图3所示。

图3 底座网格划分模型

3.5 边界条件加载

模态分析分为两种类型,分别为添加约束的约束模态分析和不添加约束的自由模态分析。应用有限元分析软件进行模态分析时,不能随意添加或减少约束。卧式砂型铸造机的实际工况是,底座通过地脚螺栓固定在地面上。因此对底座与地面直接接触的四个接触面进行全固定约束。为了避免模型刚度失真,不可以重复加载边界约束条件。

最终建立的底座有限元模型如图4所示。

图4 底座有限元模型

3.6 分析结果

底座前六阶动态特性分析结果见表1,前六阶模态如图5所示。

从总体上看,底座一阶、二阶、三阶、四阶模态振型为整体振型。一阶模态振型为底座顶端绕X轴前后摆动,且大部分振动变形集中于底座顶端。卧式砂型铸造机工作时的主要受力点位于砂箱和丝杠部位,集中于结构低频区,一阶模态振型容易被激励,造成底座振动。但由于振幅比较小,因此对加工精度影响较小。当然,底座顶端绕X轴前后摆动,容易造成卧式砂型铸造机质心偏移,导致卧式砂型铸造机的压实装置和填砂装置不能正常运行,甚至有可能损坏卧式砂型铸造机。由分析可知,要提高底座的固有振动频率,避免产生共振。

表1 底座前六阶动态特性分析结果

二阶模态振型为底座顶端和丝杠绕X轴前后扭转,振动变形主要集中于丝杠部位。丝杠的作用是保证较高精度的直线运动,为了保证卧式砂型铸造机正常运行,需要使用高强韧度、高表面硬度和强耐磨性的丝杠。三阶模态振型为底座绕Y轴左右摆动,动刚度分布比较均匀,振动变形主要集中于丝杠部位。应对措施同上述二阶模态振型。四阶模态振型为底座绕Z轴前后扭转,振动变形主要集中于顶端和墩座之间的螺杆。

五阶模态振型和六阶模态振型均为底座绕Y轴上下摆动,属于局部振型。

4 结构优化

基于二阶和三阶模态振型分析,为保证卧式砂型铸造机正常运行,需要使用高强韧度、高表面硬度和强耐磨性的丝杠。在结构优化方面,为了提高卧式砂型铸造机底座的固有振动频率,需要缩短丝杠长度,进而提高刚度。对于水平滑轨,可以采用双导轨四滑块的布置形式,导轨安装在丝杠两侧,四块滑块通过螺栓固定在丝杠上。双导轨四滑块布置形式如图6所示。

基于四阶模态振型分析,为保证卧式砂型铸造机正常运行,需要使用耐磨损的螺杆。在底座顶端和墩座的间隙处可以添加横向筋板,提高底座的刚度,从而提高底座的固有振动频率。在墩座上开大小相等的孔时,相对于其它孔形,圆形孔可以提高筋格元结构的低阶固有振动频率,因此将原方形孔改为圆形孔。

图5 底座前六阶模态

图6 双导轨四滑块布置形式

5 结束语

笔者对卧式砂型铸造机底座进行动态特性分析。一阶模态振型为底座顶端绕X轴前后摆动,二阶模态振型为底座顶端和丝杠绕X轴前后扭转,三阶模态振型为底座绕Y轴左右摆动,四阶模态振型为底座绕Z轴前后扭转,五阶和六阶模态振型为底座绕Y轴上下摆动。一阶、二阶、三阶、四阶模态振型属于整体振型,五阶、六阶模态振型属于局部振型。

针对动态特性分析结果,需要使用高强韧度、高表面硬度、强耐磨性的丝杠和耐磨损的螺杆。对于水平滑轨,可以采用双导轨四滑块布置形式。丝杠的长度不能过长。在底座顶端和墩座的间隙处可以添加横向板筋,提高底座的刚度。在墩座上开大小相同的孔时,建议将原有的方形孔改为圆形孔。