繞線機主軸箱的振動模態有限元分析

2013-06-07 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

為研究繞線機主軸箱的振動特性,采用基于有限元方法的COSMOS軟件對繞線機的主軸箱進行了模態分析,模擬了主軸箱前10階固有頻率和對應的振動模態。模擬結果發現,第1階固有頻率偏低,為1323 Hz,模型不同部位的變形比例達1.31 %;此固有頻率極大地限制了繞線機工作轉速的提升。另外,采用基于有限元方法的COSMOS軟件是分析繞線機振動特性的可行方法。

作者: 楊華文*盧炎麟*段福斌來源: 萬方數據
關鍵字: 繞線機主軸箱有限元振動模態

繞線機是用于繞制各類線圈(如電磁線圈、電機轉子、數碼產品用線圈等)的電子專用設備。隨著電子電器工業的發展,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、牽引電機繞組到充電用的微型線圈、節能燈具用線圈,以及各類電子設備。目前,發達國家生產的繞線設備已基本實現自動化、智能化,其中以日本、意大利、美國、德國生產的繞線設備最為突出,其繞線機主軸轉速已經達到40000r/min;典型的高速繞線機如日本日特公司生產的132AR多工位自動繞線機,最高轉速為20000r/min,其繞制精度和可靠性都處于世界領先水平。

在國內,國產繞線機目前仍以單機生產為主,在高速性、繞制精度、可靠性等方面與世界先進水平差距較為明顯,現階段國產繞線機大多還工作在6000r/min以內,如此低的工作轉速,極大地限制了國內加工的效率,大大增加了單位能耗和時間成本。要提高繞線機的工作轉速,繞線機主軸箱體振動的測量和共振模態分析是非常重要的基礎研究工作;而國內在這一領域的研究尚處于起步階段。根據筆者的檢索,浙江工業大學王毅研究了基于虛擬儀器的自動繞線機箱體振動特性在線檢測,空軍第一航空學院李是研究了FDY型繞線機轉子的振動特性,另外尚無研究繞線機主軸箱振動特性的文獻。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。西北輕工業學院的陳撣娟研究了偏轉線圈垂直繞線機的數控改造方案及技術關鍵,給出了簡單方便的垂直線圈繞線程序的編制方法;西安理工大學劉小勇等研究了一種基于PC-PLC控制的數控繞線系統。

本文采用基于有限元方法的COSMOS軟件對某企業開發過程的某一型號的繞線機主軸箱進行了振動特性研究,分析了其共振模態和變形系數,為主軸箱的結構設計和改進提供了重要參考。

    1計算模型和方法

    1.1計算模型

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本文計算的幾何模型如圖1所示,其計算網格采用非規則網格,如圖2所示。本繞線機為4軸繞線機,臥式,水平排列,同步帶傳動,工件回轉式,具有自動繞線、自動纏頭、自動夾線、自動剪線的功能;可實現端子垂直和水平兩個方向的自動纏繞。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試,采用敞口形式,材料選擇HT250。

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    1.2計算方法

COSMOS軟件是美國SRAC公司的產品,它采用成熟的快速有限元算法,具有計算速度快、分析功能全面、計算結果準確可靠等優點。COSMOS的主要功能包括:

(1)應力分析,主要分析零件的強度。確定零件是否符合安全標準、在應力作用下是否會發生失效。(2)頻率分析,分析結構的振動。確定零件或裝配體的造型與其固有頻率的關系,從而判斷工作時是否發生共振。(3)熱分析,主要確定零件是否會過熱。分析熱量在整個裝配體中發散規律。(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,還用于分析金屬結構在達到屈服極限后的力學行為。也可以用于考慮大扭轉和大變形。(5)設計優化在保持滿足其他性能判據(如應力失效)的前提下,自動定義最小量(質量、體積等)設計。

2模擬結果及分析

    21振動模態

圖3 -圖6分別給出了第1階、第2階、第5階和第10階的繞線機主軸箱的振動模態。由圖3一圖6可見,當發生共振時,各階的振動模態是各有特點的。第1階振動模態,主要表現在主軸箱的+x方向壁面向外彎曲,方向后壁面向外拉伸;第2階振動模態主要表現在、方向后壁面向內拉伸;第5階和第10階振動模態表現為一方向的兩個壁面產生嚴重的波浪形變扭動。第1階振動模態是繞線機主軸箱開發設計最為關心的振動模態,從圖3可見,發生第1階共振時,變形相當嚴重,特別是、方向后壁面向外彎曲。變形輕微時將導致4個工位所繞線圈品質不穩定,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;當變形嚴重時將產生嚴重的附加動載荷,從而影響轉軸的疲勞強度和使用壽命。

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    2.2定量分析

本文所研究的主軸箱的最高轉速為12000r/min,其工作頻率為200Hz。在繞線機的開發設汁過程中,基頻通常需要保證10倍左右的冗余,因為設備工作時存在一些不確定的因素,如各主軸間采用同步帶傳動,由于齒距的誤差引起的振動,其頻率有可能遠高于其轉動頻率。考慮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,而本文的模擬結果顯示,第1階到第4階的固有頻率均在2000Hz以內,所以主軸箱在設計的最高工作轉速下可能發生嚴重的共振,這是本文研究所得到的一個結論。

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。考慮到設備能穩定安全地工作,必須降低設備的工作轉速,維持10倍的安全冗余時,主軸轉速需要降低到7938r/min以內,才能避免第1階共振。如果要提高繞線機的工作轉速,則必須進一步提高主軸箱基頻,再重新設計主軸箱結構后,采用COSMOS重新進行分析,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軟件適合于繞線機主軸箱的振動模態分析,是產品開發過程中必不可少的工具。由圖8可以看到,并非每個振動模態的變形比例都是一致的,某些振動模態產生嚴重的主軸箱變形,某些振動模態產生較為輕微的變形。嚴重的振動模態為第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%。最為輕微的振動模態為第3階,變形比例為0.1%。

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    3結論

采用基于有限元方法的COSMOS軟件分析了某一繞線機主軸箱的振動模態,得到了以下結論:

(1)繞線機主軸箱的前10階振動模態各具特點,第1階、第5階,第8階,第9階和第10階相對變形比例較大,均超過1.3%,其中第1階固有頻率為1323Hz,變形比例達1.31%。
(2)繞線機設計最高工作轉速為12000r/min,而考慮10倍的安全冗余時,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,所以要保證設備穩定安全地工作,需要把工作轉速降低到7938r/min以內。
(3)基于有限元方法的COSMOS軟件適用于繞線機主軸箱的振動模態分析,是產品開發設計的有力工具。

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