高速卷绕机卡盘轴模态分析

张君浩 董学武 王东强

摘 要：以高速卷绕机卡盘轴为研究对象，利用SoildWorks建立卡盘轴三维模型，对卡盘轴进行试验模态分析和利用workbench理论模态分析，得到卡盘轴固有频率和模态振型结果，两者对比验证，误差在允许范围内，验证建立三维模型正确。然后对卡盘轴主要构件套筒、传动轴、支撑套筒利用workbench进行模态分析，得出它们固有频率对卡盘轴的影响，为提高卡盘轴工作效率和优化结构提供理论依据。

关键词：模态分析；卡盘轴；模态频率；模态振型

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.004

0 引言

高速卷绕机是生产化纤核心设备，随着科技进步和化纤需求增加，高速卷绕机向高速化方向发展[1]。卡盘轴作为高速卷绕机重要部件直接影响着卷绕质量和效率。据统计，转子故障在旋转机械故障中占总数的70%以上[2]。为降低故障发生可能性，研究卡盘轴及其各个构件的动力学特性，对卡盘轴结构优化和性能提高具有重要意义。董少伟在对卡盘轴模态分析时，得到卡盘轴振动最大在悬臂端[3]；赵军等研究了卡盘轴自由状态和约束状态下的盘轴动态特性[4]。目前还没有对主要构件模态分析研究卡盘轴动力学特性。

本文对高速卷绕机卡盘轴进行实验模态分析和利用ANSYS workbench进行理论模态分析，对两者得到的固有频率和模态振型进行对比验证，证明建立模型的正确性，然后进行套筒、传动轴、支撑套筒模态分析，得出套筒、传动轴、支撑套筒固有频率对卡盘轴的影响，为优化卡盘轴结构参数提供理论依据。

1 模态分析理论

模态分析是以振动理论为基础，以模态参数（固有频率、模态振型、阻尼比）为目标的分析方法。模态分析方法分为理论模态分析法和实验模态分析法[5]。其运动微分方程为：

式中求得和。是特征值代表第i阶所求的的固有频率，它是由质量矩阵和刚度矩阵决定。是特征向量表示构建的模态振型[6]。

2 Workbench模态分析

2.1 模型建立

高速卷绕机卡盘轴主要由传动轴结合件、支撑套筒结合件、套筒组成如a图，利用SolidWorks建立卡盘轴装配体模型。根据卡盘轴的结构和工作特点，在保证其动力学性能不变的条件下，对卡盘轴结构进行简化，忽略模型倒角、圆角等，然后导入到ANSYS Workbench，划分网格得到的有限元模型如图b所示。

2.2 卡盘轴模态分析

卡盘轴模态分析为获得其结构的固有特性，所以不对其施加载荷，在自由无约束状态下进行对模态仿真分析。卡盘轴主要零部件之间的接触在导入workbench之后进行修改。由于卡盘轴实际工作转速为12000r/min，即200HZ，理论的工作转速为18000r/min，即300HZ仿真结果如表1。

11.385HZ对应1阶振型图，此时卡盘轴是刚体特性，不予考虑；20.486HZ和20.518HZ对应2、3阶振型，传动轴振幅最大，套筒前段接近法兰处也存在变形，此时频率在卡盘轴转速范围内，容易激发卡盘轴振动，应针对这频率对卡盘轴结构优化；频率达到107.23HZ时，卡盘轴发生扭摆振动；235.98HZ和236HZ包含套筒一阶振动弯曲和传动轴弯曲振动，251.11HZ和252.79HZ是支撑套筒结合件一阶振动弯曲；通过观察振型图发现卡盘轴振动位置在两端，且当处于低频时靠近法兰处要大于尾端，这与实际卡盘轴工作振动时情况一致。

2.3 主要构件仿真模态分析

卡盘轴主要构件有支撑套筒结合件、套筒结合件、传动轴结合件。将SolidWorks建立模型导入到ANSYS Workbench中，进行无约束自由模态分析，得到各零部件的固有频率和模态振型如图3所示。

套筒、传动轴和支撑套筒的一阶固有频率分别为250.93HZ、19.397HZ、249.07HZ，與卡盘轴模态分析结果在数值上有相近。传动轴、套筒和支撑套筒装配成卡盘轴，存在着相互接触和约束，而在workbench分析中处于自由无约束状态，会存在着误差。

传动轴1阶频率19.397HZ和卡盘轴1阶频率20.286HZ接近，易产生共振，所以应对传动轴结构优化，减少避免共振。套筒的1阶弯曲振型与卡盘轴频率235.98HZ和236HZ，振型是一致的；支撑套筒的1阶弯曲振型与卡盘轴频率251.11HZ和252.79HZ振型图是相似的。由于卡盘轴工作最高频率为200HZ，所以套筒支撑套筒对卡盘轴影响极小。

3 总结

（1）通过仿真分析，得到了卡盘轴1阶固有频率为20.48HZ，在正常工作范围内，所以应对其进行结构优化，避免到达1阶固有频率产生共振。

（2）通过卡盘轴振型模态得到低频发生的变形在靠近法兰处；高频时变形发生在卡盘轴两端。与卡盘轴实际工作情况一致，验证所建立模型的正确性，为研究卡盘轴动平衡提供理论依据。

（3）利用workbench对传动轴、套筒和支撑套筒构件自由约束下模态分析。得到1阶固有固有频率分别为传动轴19.39HZ、套筒250.93HZ、支撑套筒249.07HZ。其中传动轴1阶频率和卡盘轴1阶频率接近，易产生共振，应对其结构优化；套筒和支撑套筒1阶固有频率超出了卡盘轴工作频率，不予考虑。

参考文献：

[1]李素敏.国内外高速卷绕头的发展趋势[J].纺织机械，2008（02）.

[2]刘美生，王蛟茹，姜爱军.动不平衡及车轮动平衡机不平衡量的测量[J].中国测试技术，2003（03）.

[3]董少伟，金守峰，邹兵兵.高速卷绕头卡盘轴的模态分析.[J].纺织器材，2014（06）.

[4]赵军，袁建畅，基于模态分析的高速卷绕头卡盘轴动态特性研究[J].西安工程大学学报，2013（06）.

[5]曹树谦，张文德，萧龙翔.真的结构模态分析-理论、实验与应用[M].

[6]董学武，杨艳艳，张曦等.高速卷绕头套筒的模态分析[J].中原工学院学报，2015（01）.

作者简介：张君浩（1992-），男，河南郑州人，研究生，主要研究方向：机械振动。