□ 張大鑫 □ 李 莉

同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院 上海 201804

1 分析背景

臥式砂型鑄造機在工作時由于液壓壓實力和振搗棒工作會產生振動,進而在鑄件表面形成振紋,降低鑄件的鑄造品質。如果臥式砂型鑄造機振幅較大,可能會中斷壓實裝置、填砂裝置等的正常運行,造成臥式砂型鑄造機損壞。底座、填砂裝置、壓實裝置是臥式砂型鑄造機的重要部件,這些重要部件同時也是臥式砂型鑄造機的振動源。底座、填砂裝置、壓實裝置的動態(tài)特性和靜態(tài)特性決定了臥式砂型鑄造機鑄造鑄件的質量和品質,也影響著臥式砂型鑄造機的使用壽命。由此可見,分析臥式砂型鑄造機底座的靜態(tài)特性和動態(tài)特性,可以為臥式砂型鑄造機的結構設計與性能優(yōu)化提供參考。筆者對臥式砂型鑄造機底座的動態(tài)特性進行分析。

近年來,國內技術人員對機械結構的靜態(tài)特性和動態(tài)特性進行了分析,并進行了結構優(yōu)化設計。汪青崟等[1]以C61450超重型數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)結構為研究對象,使用有限元方法對車床床身的受力情況和結構性能進行研究,為超重型數(shù)控車床主軸系統(tǒng)的結構優(yōu)化提供理論依據(jù)。陳葉林等[2]以磨床床身結構為例,分析計算了床身的前六階固有頻率與振型,得到床身的筋板位置和尺寸對床身剛度的影響。王亮等[3]基于HyperMesh軟件對機床床身進行網(wǎng)格劃分,建立有限元模型,進而對床身進行拓撲優(yōu)化和尺寸優(yōu)化,并對床身輕量化設計方法進行研究。李鎖斌[4]以SL-32數(shù)控車床為研究對象,分析求得主軸系統(tǒng)前三階固有頻率和振型,得到數(shù)控車床性能的分析依據(jù)和結構優(yōu)化方案。董惠敏等[5]通過研究臥式車床支承件的結構與靜態(tài)特性,得出整體彎曲、傾覆、扭轉,以及導軌局部彎曲是臥式車床中梁、板、箱體的主要變形。李小彭等[6]通過計算獲得精密車床工作時的齒輪嚙合振動頻率和主軸回轉振動頻率,研究在不同床身高度條件下床身固有頻率的變化趨勢。任偉萌等[7]基于HTC3650臥式數(shù)控車床,對車床床身進行靜力分析和模態(tài)分析,識別出床身的總變形量與前四階固有頻率,并采用目標驅動優(yōu)化方法對車床床身尺寸參數(shù)進行優(yōu)化。胡振等[8]以SCK230數(shù)控螺紋車床為研究對象,對床身內部筋板的結構進行優(yōu)化方案選擇,并對優(yōu)化方案中筋板厚度和孔徑進行尺寸優(yōu)化,同時通過改變床身傾斜角度來改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。何文斌等[9]以某款純電動乘用汽車為研究對象,建立車架的有限元模型,利用振動測試系統(tǒng)對車架進行模態(tài)試驗,分析車架的動態(tài)特性。鄧濤等[10]以立柱內部結構為研究對象,提取多種筋板布局單元結構,應用有限元分析軟件進行分析計算,得到最優(yōu)筋板布局型式。黃紀剛等[11]對車床關鍵部件的結構進行有限元靜力學分析,經過計算求解,模擬各部件在實際工作時所受的應力與應變分布情況,并對結構進行優(yōu)化。

2 動態(tài)特性分析步驟

因為臥式砂型鑄造機底座是一個彈性體,所以底座結構不僅要具有合理的靜態(tài)性能,而且要具有良好且合理的動態(tài)性能。對于動態(tài)特性,主要分析有載荷作用時結構的固有振動頻率、振型和振型模態(tài)相對位移量。

在臥式砂型鑄造機正常運行的情況下,分析底座的動態(tài)特性,可以驗證臥式砂型鑄造機振動的固有頻率和振幅,從而為優(yōu)化臥式砂型鑄造機結構、避免共振提供理論依據(jù)。

基于有限元原理的臥式砂型鑄造機底座動態(tài)特性分析步驟如圖1所示,主要包括模型處理,單元劃分,載荷及邊界條件加載,ANSYS軟件計算,得到計算結果,進行精度分析。

圖1 底座動態(tài)特性分析步驟

3 動態(tài)特性分析過程

3.1 幾何建模

由于有限元分析軟件自帶的建模功能處理復雜結構模型十分困難,加之臥式砂型鑄造機底座整體結構相對復雜,因此先使用SolidWorks軟件建立底座的裝配體幾何模型,然后導入有限元分析軟件。在底座中,下側的支座支撐兩側頂端,光滑導桿和絲杠固定在頂端上,中間滑塊套在滑軌上,砂箱設置在滑塊上,螺桿位于頂端和墩座之間。在建立模型時,盡量使模型接近于真實實體。最終建立的底座幾何模型如圖2所示。

3.2 模型簡化

底座幾何模型的內部結構相對復雜,而且附帶一些小特征。這些小特征對底座整體性能的影響相對較小,但是在進行網(wǎng)格劃分和計算時會增大難度,因此忽略這些小特征,包括小孔、倒角、圓角,以及對整體結構影響較小的特征。其它部件作為底座的主要承載部件,均未做簡化處理。

圖2 底座幾何模型

3.3 單元精度選擇

有限元分析軟件進行網(wǎng)格劃分時,需要確定單元精度,即單元的疏密程度。單元精度取決于網(wǎng)格劃分的疏密程度,而且單元精度在一定關系下會決定計算規(guī)模與計算精度。在進行網(wǎng)格劃分時,一般遵循的準則是均勻應力區(qū)域粗劃,應力梯度大區(qū)域細化。底座有限元模型的單元精度確定為3。

3.4 材料屬性設置

底座為鑄鐵鑄造件,通過查閱手冊確定彈性模量為1.35×108N/mm2,密度為7.3×103kg/m3,泊松比為0.25。

通過上述過程,得到底座網(wǎng)格劃分模型,如圖3所示。

圖3 底座網(wǎng)格劃分模型

3.5 邊界條件加載

模態(tài)分析分為兩種類型,分別為添加約束的約束模態(tài)分析和不添加約束的自由模態(tài)分析。應用有限元分析軟件進行模態(tài)分析時,不能隨意添加或減少約束。臥式砂型鑄造機的實際工況是,底座通過地腳螺栓固定在地面上。因此對底座與地面直接接觸的四個接觸面進行全固定約束。為了避免模型剛度失真,不可以重復加載邊界約束條件。

最終建立的底座有限元模型如圖4所示。

圖4 底座有限元模型

3.6 分析結果

底座前六階動態(tài)特性分析結果見表1,前六階模態(tài)如圖5所示。

從總體上看,底座一階、二階、三階、四階模態(tài)振型為整體振型。一階模態(tài)振型為底座頂端繞X軸前后擺動,且大部分振動變形集中于底座頂端。臥式砂型鑄造機工作時的主要受力點位于砂箱和絲杠部位,集中于結構低頻區(qū),一階模態(tài)振型容易被激勵,造成底座振動。但由于振幅比較小,因此對加工精度影響較小。當然,底座頂端繞X軸前后擺動,容易造成臥式砂型鑄造機質心偏移,導致臥式砂型鑄造機的壓實裝置和填砂裝置不能正常運行,甚至有可能損壞臥式砂型鑄造機。由分析可知,要提高底座的固有振動頻率,避免產生共振。

表1 底座前六階動態(tài)特性分析結果

二階模態(tài)振型為底座頂端和絲杠繞X軸前后扭轉,振動變形主要集中于絲杠部位。絲杠的作用是保證較高精度的直線運動,為了保證臥式砂型鑄造機正常運行,需要使用高強韌度、高表面硬度和強耐磨性的絲杠。三階模態(tài)振型為底座繞Y軸左右擺動,動剛度分布比較均勻,振動變形主要集中于絲杠部位。應對措施同上述二階模態(tài)振型。四階模態(tài)振型為底座繞Z軸前后扭轉,振動變形主要集中于頂端和墩座之間的螺桿。

五階模態(tài)振型和六階模態(tài)振型均為底座繞Y軸上下擺動,屬于局部振型。

4 結構優(yōu)化

基于二階和三階模態(tài)振型分析,為保證臥式砂型鑄造機正常運行,需要使用高強韌度、高表面硬度和強耐磨性的絲杠。在結構優(yōu)化方面,為了提高臥式砂型鑄造機底座的固有振動頻率,需要縮短絲杠長度,進而提高剛度。對于水平滑軌,可以采用雙導軌四滑塊的布置形式,導軌安裝在絲杠兩側,四塊滑塊通過螺栓固定在絲杠上。雙導軌四滑塊布置形式如圖6所示。

基于四階模態(tài)振型分析,為保證臥式砂型鑄造機正常運行,需要使用耐磨損的螺桿。在底座頂端和墩座的間隙處可以添加橫向筋板,提高底座的剛度,從而提高底座的固有振動頻率。在墩座上開大小相等的孔時,相對于其它孔形,圓形孔可以提高筋格元結構的低階固有振動頻率,因此將原方形孔改為圓形孔。

圖5 底座前六階模態(tài)

圖6 雙導軌四滑塊布置形式

5 結束語

筆者對臥式砂型鑄造機底座進行動態(tài)特性分析。一階模態(tài)振型為底座頂端繞X軸前后擺動,二階模態(tài)振型為底座頂端和絲杠繞X軸前后扭轉,三階模態(tài)振型為底座繞Y軸左右擺動,四階模態(tài)振型為底座繞Z軸前后扭轉,五階和六階模態(tài)振型為底座繞Y軸上下擺動。一階、二階、三階、四階模態(tài)振型屬于整體振型,五階、六階模態(tài)振型屬于局部振型。

針對動態(tài)特性分析結果,需要使用高強韌度、高表面硬度、強耐磨性的絲杠和耐磨損的螺桿。對于水平滑軌,可以采用雙導軌四滑塊布置形式。絲杠的長度不能過長。在底座頂端和墩座的間隙處可以添加橫向板筋,提高底座的剛度。在墩座上開大小相同的孔時,建議將原有的方形孔改為圓形孔。