基于模态分析的宽厚板抛丸机箱体改造设计

易 超，方 威，刘 超，石文斌

（湖南湘潭钢铁有限公司，湖南 湘潭 411101）

宽厚板抛丸机是热处理工序主要设备之一，利用抛丸器抛出的高速弹丸清除钢板表面的氧化铁皮，是一种表面处理设备[1]。抛丸机的抛丸室一般装有几个抛丸器，见图1，装在上下层不同的位置上，从不同的方位抛射丸料，以提高抛丸机的抛丸效率和抛丸质量[2]。

图1 抛丸器结构

模态分析是一种研究结构动力特性的近代方法，用于工程振动领域。机械结构均有其固有的振动特性，每一个模态均具有特定的固有频率、阻尼比及模态振形[3]。一般运用有限元计算方法进行模态分析。目前模态分析已广泛运用在新产品设计中的结构动态特性的预估及优化设计、现有结构系统的动态特性研究、故障诊断及预报等方面。某宽厚板厂抛丸机在使用过程中抛丸器的使用寿命不够理想，抛丸机箱体振动过大，分析认为箱体刚度不够，本文将利用模态分析方法对抛丸机箱体进行刚度分析改进[4]。

1 现有抛丸机箱体分析

抛丸机箱体用于安装抛丸器及电机等零部件。利用solidworks软件对箱体模型几何清理并对倒角、螺纹等细节部位用更规则的特征进行代替后得到简化模型，参考图2。箱体所用材料的参数见表1。

图2 原抛丸机箱体简化结构图

同样利用solidworks软件里的simulation功能对箱体进行网格划分，共划分单元212482个，节点425433个，单元平均大小为30mm。对箱体两体立板进行固定约束后进行模态分析，在进行模态分析时不需要对研究对像进行外部载荷添加。由于在结构振动中，低阶模态和高阶模态所占的百分比呈指数关系分布，因此高阶模态所决定的振动特性很小，低阶模态更能准确反映系统自然振动时的变形情况，本文提取箱体的前4阶模态，得到箱体的前4阶固有频率，其结果见表2和图3。从结构振型图3分析可发现箱体中安装抛丸器处的振幅处于较高水平，直接影响到抛丸器的使用性能，应予以关注[5]。

向上（即水平横向）的平移振动，由于箱体立板厚度较小，且两侧立板跨度过大，立板无肋板加强，该模态对箱体水平横向刚度影响较大，同时影响抛丸器及电机的轴承在横向的径向振动。第2阶模态为箱体沿Y轴（即竖直方向）上的上下振动，该模态直接影响抛丸器及电机的轴承在竖直方向上的径向振动，对电机和抛丸器的使用寿命有较大影响，同时也影响了抛丸器及电的连接螺栓的刚度。第3阶模态为箱体沿X轴（即抛丸机物料运输方向）上的前后振动，该模态影响抛丸器及电机的轴向窜动。第4阶模态为箱体绕Z轴的前后扭转，导致两侧立板所承受重量不平稳，影响整个箱体的使用性能。因此在改进设计时应增加钢板厚度，同时根据现场情况增加肋板，以此提高整个箱体的刚度。此外本文还将考虑将安装抛丸器及电机的顶板进行改进，改为合成式箱体结构，单独设计一个箱形结构用于安装抛丸器。由于抛丸器中叶片及分丸轮等旋转零件均采用铸造加工方式，其加工精度有限，对抛丸器的动平衡影响极大，而抛丸器中叶片及分丸轮工作时是处于高速旋转状态的，实际使用过程中采用称重的方式可以适当提高其动平衡性能。在采用箱形结构用于安装抛丸器后由于箱形结构具有较高的刚度，也可以有效降低抛丸器的振动幅度。

2 外界激振频率分析

本文所述箱体实际使用过程中除受到抛丸器及其电机的激励外还受到箱体外安装的辊道及丸料输送螺旋的激励，由于使用过程中抛丸器及其电机所产生的影响更大，因此仅以抛丸器及其电机作为研究对像。生产过程中抛丸器及电机大部分时间均在运行，抛丸器电机的额定转速n为1480r/min，经过皮带加速后抛丸器的额定转速为2548.89r/min。则电机的激振频率为:f电=2nπ/60=154.91Hz，抛丸器的激振频率为:f抛=2nπ/60=266.78Hz。而箱体的第五阶固有频率远小于电机及抛丸器的激振频率，因此不会发生共振。在改进设计中仍然需要避开此两处激振频率。

3 改进后抛丸机箱体分析

根据上文中的改进方案对箱体进行优化建模后得到图3的改进箱体模型。该方案中将箱体所用钢板由20mm改为60mm，两侧立板增加肋板，箱体内部局部位置增加肋板，顶部则另外新增一个箱型结构用于安装抛丸器。

图3 改进后抛丸机箱体模型

同样网格划分方式及加载方式对改进后的箱体进行模态分析，得到箱体的前4阶固有频率，其结果见表1。此外得到了前4阶模态的振型图。由于结构的固有频率也反应了其刚度，固有频率越低证明结构越柔，反之则刚度越大。外界激振频率应远离结构的固有频率，一般大于或小于外界激振频率的10%～20%[6]，比较后发现第4阶模式的固有频率相比电机的激振频率较近，但仍有一定差距，因此不会出现共振。从表1中可以发现改进后的箱体固有频率有较大提高，证明改进后的箱体刚度有较大幅度提度。

表1 改进后箱体前4阶模态固有频率参数

4 改进后上箱体模态分析

改进后的箱体中将箱体分为了两部分，上箱体单独划分出来用于安装抛丸器，也应单独进行分析。采用同样方法进行分析可以得到上箱体的前4阶固有频率及振型图，其结果见表2。从表2可以发现前4阶固有频率相比前两次分析有大幅提升，表面其刚度极佳，同时仍和外界激振频率相差两个数量级，亦不会出现共振。因此相比箱体整体进行改进而言单独增加上箱体对刚度的提升更为明显。

表2 上箱体前4阶模态固有频率参数

5 实际改造应用

实际改造应用中按上述研究思路对抛丸机箱体进行了改造。材料选择上选用了高强钢板，进一步提升了刚度。经过一段时间的应用发现抛丸器及电机的震动大幅度下降，有明显改善，且抛丸器叶片断裂、抛头轴承烧损等情况有所改善，抛丸器的使用寿命也得到了明显增加，证明改造思路正确。

6 结语

本文以某宽厚板厂抛丸机箱体为研究对象，利用模态分析对箱体刚度进行评估并根据分析结果进行了针对性的设计改造，改造后的箱体使用情况良好，振动基本消除，大幅度提高了抛丸器的使用寿命。本文得出如下结论：

（1）提高结构的刚度是降低振动的有效办法，根据分析在对抛丸器箱体进行拆分后，由于改进后的箱体惯性矩得到了大幅提升，其前4阶固有频率相比原有箱体也有明显增加，采用箱型结构的上箱体其刚度相比原有箱体的刚度提高了两个数量级，这是改造结果中的振动降低的根本原因。

（2）在对结构进行优化时，在提高刚度的同时应考虑避开外界激振频率，避免共振的情况。