搜索繞線機(jī)主軸箱的振動(dòng)模態(tài)有限元分析
2013-06-07 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
為研究繞線機(jī)主軸箱的振動(dòng)特性,采用基于有限元方法的COSMOS軟件對(duì)繞線機(jī)的主軸箱進(jìn)行了模態(tài)分析,模擬了主軸箱前10階固有頻率和對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模態(tài)。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),第1階固有頻率偏低,為1323 Hz,模型不同部位的變形比例達(dá)1.31 %;此固有頻率極大地限制了繞線機(jī)工作轉(zhuǎn)速的提升。另外,采用基于有限元方法的COSMOS軟件是分析繞線機(jī)振動(dòng)特性的可行方法。
作者: 楊華文*盧炎麟*段福斌 來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 繞線機(jī) 主軸箱 有限元 振動(dòng)模態(tài)
繞線機(jī)是用于繞制各類線圈(如電磁線圈、電機(jī)轉(zhuǎn)子、數(shù)碼產(chǎn)品用線圈等)的電子專用設(shè)備。隨著電子電器工業(yè)的發(fā)展,線圈的需求量越來越大、品種也越來越多,從大型的電力變壓器、牽引電機(jī)繞組到充電用的微型線圈、節(jié)能燈具用線圈,以及各類電子設(shè)備。目前,發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的繞線設(shè)備已基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化,其中以日本、意大利、美國(guó)、德國(guó)生產(chǎn)的繞線設(shè)備最為突出,其繞線機(jī)主軸轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到40000r/min;典型的高速繞線機(jī)如日本日特公司生產(chǎn)的132AR多工位自動(dòng)繞線機(jī),最高轉(zhuǎn)速為20000r/min,其繞制精度和可靠性都處于世界領(lǐng)先水平。
在國(guó)內(nèi),國(guó)產(chǎn)繞線機(jī)目前仍以單機(jī)生產(chǎn)為主,在高速性、繞制精度、可靠性等方面與世界先進(jìn)水平差距較為明顯,現(xiàn)階段國(guó)產(chǎn)繞線機(jī)大多還工作在6000r/min以內(nèi),如此低的工作轉(zhuǎn)速,極大地限制了國(guó)內(nèi)加工的效率,大大增加了單位能耗和時(shí)間成本。要提高繞線機(jī)的工作轉(zhuǎn)速,繞線機(jī)主軸箱體振動(dòng)的測(cè)量和共振模態(tài)分析是非常重要的基礎(chǔ)研究工作;而國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究尚處于起步階段。根據(jù)筆者的檢索,浙江工業(yè)大學(xué)王毅研究了基于虛擬儀器的自動(dòng)繞線機(jī)箱體振動(dòng)特性在線檢測(cè),空軍第一航空學(xué)院李是研究了FDY型繞線機(jī)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性,另外尚無研究繞線機(jī)主軸箱振動(dòng)特性的文獻(xiàn)。相近的研究主要集中在繞線的控制上,包括繞線精度的控制和張力的控制。西北輕工業(yè)學(xué)院的陳撣娟研究了偏轉(zhuǎn)線圈垂直繞線機(jī)的數(shù)控改造方案及技術(shù)關(guān)鍵,給出了簡(jiǎn)單方便的垂直線圈繞線程序的編制方法;西安理工大學(xué)劉小勇等研究了一種基于PC-PLC控制的數(shù)控繞線系統(tǒng)。
本文采用基于有限元方法的COSMOS軟件對(duì)某企業(yè)開發(fā)過程的某一型號(hào)的繞線機(jī)主軸箱進(jìn)行了振動(dòng)特性研究,分析了其共振模態(tài)和變形系數(shù),為主軸箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了重要參考。
1計(jì)算模型和方法
1.1計(jì)算模型
本文計(jì)算的幾何模型如圖1所示,其計(jì)算網(wǎng)格采用非規(guī)則網(wǎng)格,如圖2所示。本繞線機(jī)為4軸繞線機(jī),臥式,水平排列,同步帶傳動(dòng),工件回轉(zhuǎn)式,具有自動(dòng)繞線、自動(dòng)纏頭、自動(dòng)夾線、自動(dòng)剪線的功能;可實(shí)現(xiàn)端子垂直和水平兩個(gè)方向的自動(dòng)纏繞。適繞骨架最大外徑30mm,最大排線行程50mm,適繞線徑范圍0.02-0.33mm,最高主軸轉(zhuǎn)速12000r/min;主軸定位精度0.36;最大位移速度250mm/s;二軸軸向最大行程 30mm;y軸軸向最大行程70 mm;z軸軸向最大行程50mm。主軸箱為便于主軸的安裝和調(diào)試,采用敞口形式,材料選擇HT250。
1.2計(jì)算方法
COSMOS軟件是美國(guó)SRAC公司的產(chǎn)品,它采用成熟的快速有限元算法,具有計(jì)算速度快、分析功能全面、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠等優(yōu)點(diǎn)。COSMOS的主要功能包括:
(1)應(yīng)力分析,主要分析零件的強(qiáng)度。確定零件是否符合安全標(biāo)準(zhǔn)、在應(yīng)力作用下是否會(huì)發(fā)生失效。(2)頻率分析,分析結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。確定零件或裝配體的造型與其固有頻率的關(guān)系,從而判斷工作時(shí)是否發(fā)生共振。(3)熱分析,主要確定零件是否會(huì)過熱。分析熱量在整個(gè)裝配體中發(fā)散規(guī)律。(4)非線性分析,用于分析橡膠類或者塑料類的零件或裝配體的行為,還用于分析金屬結(jié)構(gòu)在達(dá)到屈服極限后的力學(xué)行為。也可以用于考慮大扭轉(zhuǎn)和大變形。(5)設(shè)計(jì)優(yōu)化在保持滿足其他性能判據(jù)(如應(yīng)力失效)的前提下,自動(dòng)定義最小量(質(zhì)量、體積等)設(shè)計(jì)。
2模擬結(jié)果及分析
21振動(dòng)模態(tài)
圖3 -圖6分別給出了第1階、第2階、第5階和第10階的繞線機(jī)主軸箱的振動(dòng)模態(tài)。由圖3一圖6可見,當(dāng)發(fā)生共振時(shí),各階的振動(dòng)模態(tài)是各有特點(diǎn)的。第1階振動(dòng)模態(tài),主要表現(xiàn)在主軸箱的+x方向壁面向外彎曲,方向后壁面向外拉伸;第2階振動(dòng)模態(tài)主要表現(xiàn)在、方向后壁面向內(nèi)拉伸;第5階和第10階振動(dòng)模態(tài)表現(xiàn)為一方向的兩個(gè)壁面產(chǎn)生嚴(yán)重的波浪形變扭動(dòng)。第1階振動(dòng)模態(tài)是繞線機(jī)主軸箱開發(fā)設(shè)計(jì)最為關(guān)心的振動(dòng)模態(tài),從圖3可見,發(fā)生第1階共振時(shí),變形相當(dāng)嚴(yán)重,特別是、方向后壁面向外彎曲。變形輕微時(shí)將導(dǎo)致4個(gè)工位所繞線圈品質(zhì)不穩(wěn)定,或者影響所繞線圈的每匝間距,甚至影響到線圈的排列次序;當(dāng)變形嚴(yán)重時(shí)將產(chǎn)生嚴(yán)重的附加動(dòng)載荷,從而影響轉(zhuǎn)軸的疲勞強(qiáng)度和使用壽命。
2.2定量分析
本文所研究的主軸箱的最高轉(zhuǎn)速為12000r/min,其工作頻率為200Hz。在繞線機(jī)的開發(fā)設(shè)汁過程中,基頻通常需要保證10倍左右的冗余,因?yàn)樵O(shè)備工作時(shí)存在一些不確定的因素,如各主軸間采用同步帶傳動(dòng),由于齒距的誤差引起的振動(dòng),其頻率有可能遠(yuǎn)高于其轉(zhuǎn)動(dòng)頻率?？紤]工作頻率和安全冗余后,主軸箱的第1階固有頻率需要在2000Hz以上,而本文的模擬結(jié)果顯示,第1階到第4階的固有頻率均在2000Hz以內(nèi),所以主軸箱在設(shè)計(jì)的最高工作轉(zhuǎn)速下可能發(fā)生嚴(yán)重的共振,這是本文研究所得到的一個(gè)結(jié)論。
圖7和圖8給出主軸箱各階的固有頻率和變形比例。由圖7可見,第1階到第4階固有頻率介于1323-1860Hz之間,小于2000Hz?？紤]到設(shè)備能穩(wěn)定安全地工作,必須降低設(shè)備的工作轉(zhuǎn)速,維持10倍的安全冗余時(shí),主軸轉(zhuǎn)速需要降低到7938r/min以內(nèi),才能避免第1階共振。如果要提高繞線機(jī)的工作轉(zhuǎn)速,則必須進(jìn)一步提高主軸箱基頻,再重新設(shè)計(jì)主軸箱結(jié)構(gòu)后,采用COSMOS重新進(jìn)行分析,使得第1階共振頻率在2000H:以上。由此可見,基于有限元方法的COSMOS軟件適合于繞線機(jī)主軸箱的振動(dòng)模態(tài)分析,是產(chǎn)品開發(fā)過程中必不可少的工具。由圖8可以看到,并非每個(gè)振動(dòng)模態(tài)的變形比例都是一致的,某些振動(dòng)模態(tài)產(chǎn)生嚴(yán)重的主軸箱變形,某些振動(dòng)模態(tài)產(chǎn)生較為輕微的變形。嚴(yán)重的振動(dòng)模態(tài)為第1階、第5階、第8階、第9階和第10階,其變形比例分別為1.31%,2.23%,1.69%,1.37%和2.23%。最為輕微的振動(dòng)模態(tài)為第3階,變形比例為0.1%。
3結(jié)論
采用基于有限元方法的COSMOS軟件分析了某一繞線機(jī)主軸箱的振動(dòng)模態(tài),得到了以下結(jié)論:
(1)繞線機(jī)主軸箱的前10階振動(dòng)模態(tài)各具特點(diǎn),第1階、第5階,第8階,第9階和第10階相對(duì)變形比例較大,均超過1.3%,其中第1階固有頻率為1323Hz,變形比例達(dá)1.31%。
(2)繞線機(jī)設(shè)計(jì)最高工作轉(zhuǎn)速為12000r/min,而考慮10倍的安全冗余時(shí),其主軸箱基頻需在2000Hz以上,主軸箱前4階固有頻率均小于2000Hz,所以要保證設(shè)備穩(wěn)定安全地工作,需要把工作轉(zhuǎn)速降低到7938r/min以內(nèi)。
(3)基于有限元方法的COSMOS軟件適用于繞線機(jī)主軸箱的振動(dòng)模態(tài)分析,是產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的有力工具。
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