一、引言
模態(tài)分析是確定復(fù)雜結(jié)構(gòu)振動形態(tài)和薄弱環(huán)節(jié)的一種有效手段。連桿是往復(fù)式泥漿泵動力端的重要零部件之一，它既是傳力件，又是運動件，在工作過程中經(jīng)受拉伸、壓縮和彎曲等交變載荷的作用，其使用可靠性對整個泥漿泵的正常運轉(zhuǎn)有重大意義。因此，對連桿進行動態(tài)特性研究已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。本文用ANSYS軟件對往復(fù)式泥漿泵動力端連桿進行模態(tài)特性分析，主要目的是識別出連桿結(jié)構(gòu)的頻率、振型等模態(tài)參數(shù)，為泥漿泵動力端的結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析和后續(xù)尺寸優(yōu)化提供依據(jù)。
往復(fù)式泥漿泵
二、連桿的模態(tài)分析
模態(tài)分析的主要目的在于將機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由經(jīng)驗類比和靜態(tài)設(shè)計方法改為動態(tài)、優(yōu)化設(shè)計方法。利用模態(tài)分析可以識別結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)，從中找到結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性的薄弱環(huán)節(jié)，然后采取有效措施對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行改進和優(yōu)化。
2.1連桿三維模型的建立
對于復(fù)雜的機械系統(tǒng)，為提高建模速度,一般采用CAD建模，然后通過適當(dāng)?shù)慕涌谖募䦟⑵鋵?dǎo)入CAE軟件中進行分析。CAD程序的模型可能包含許多設(shè)計細節(jié)，這些細節(jié)往往不是基于結(jié)構(gòu)剛強度的考慮。在建模時如果保留這些細節(jié)，會造成模型復(fù)雜化，同時單元數(shù)量勢必增加，甚至?xí)谏w問題的主要矛盾，對分析結(jié)果造成負面影響。因此，需對結(jié)果影響較小的局部結(jié)構(gòu)進行簡化。
往復(fù)泵多采用曲拐軸，為了便于拆裝和對大頭軸瓦間隙進行調(diào)整，連桿大頭需制成剖分結(jié)構(gòu)，為了簡化分析，將連桿體和連桿蓋作為一個整體進行建模。利用Pro/E建模軟件平臺,對往復(fù)泵的連桿進行三維實體建模,并以IGES格式保存并導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件中。
2.2結(jié)構(gòu)離散
連桿的材料為ZG35CrMo，其材料屬性為彈性模量210000 Mpa，泊松比0.3，密度為7800kg/m3,。對幾何模型進行網(wǎng)格劃分選用8節(jié)點Solid45單元，劃分精度為3級，由ANSYS軟件自動劃分，劃分后連桿的有限元模型如圖1所示。
2.3邊界約束
在模態(tài)分析中，邊界條件的假設(shè)非常重要，它不僅影響計算的準(zhǔn)確性，甚至能決定計算能否完成。連桿的運動是一平面運動，可以看成平動和轉(zhuǎn)動的合成運動，兩端受到十字頭銷和曲柄銷的限制。根據(jù)往復(fù)泵連桿的實際工作情況，在兩端孔軸線上定義圓柱坐標(biāo)系，孔端上的點有繞軸轉(zhuǎn)動的自由度。模態(tài)是由系統(tǒng)的固有特性決定的，與外載荷無關(guān)，故不需要設(shè)置載荷邊界條件。
2.4連桿的有限元求解與結(jié)果分析
結(jié)構(gòu)的振動可以表達為各階振型的線性組合,其中低階固有振型較高階對結(jié)構(gòu)的振動影響大,低階振型對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性起決定作用。利用上面建立的三維有限元模型對泥漿泵連桿進行了模態(tài)特性分析，計算出了前20階振動模態(tài)的固有頻率，如表1所示。提取前6階振動模態(tài)進行分析。
由計算結(jié)果可知，在工作過程中，由于連桿的模態(tài)密集，很容易發(fā)生共振，引起連桿的動應(yīng)力過大，以至于出現(xiàn)疲勞裂紋。尤其是第1、2階模態(tài)頻率相對較低，而往復(fù)泵在低頻段內(nèi)的激勵也較大，極易引起較大的動態(tài)響應(yīng)。相鄰模態(tài)頻率相差小，易引起耦合振動。
由結(jié)果可知，連桿的振動形式多樣，集中表現(xiàn)為彎曲振動。第1、2階振型分別為沿Z、Y軸的彎曲振動，連桿中間振動位移較大，呈U型;第3階為連桿的彎扭復(fù)合振動;第4、5階分別為繞Z、Y軸的彎曲振動，連桿振動過程中呈現(xiàn)S型;第6階振型振動不明顯，主要為沿X、Y軸方向的彎曲。在所有的振型下，連桿的大、小頭失圓現(xiàn)象不明顯，可以避免很多因孔的失圓引起大頭與曲軸銷、小頭與活塞銷配合不正常，從而導(dǎo)致常見的抱瓦、燒瓦、減磨材料和疲勞脫落等一系列故障。連桿的彎曲振動會使液力端的活塞相對于缸套、曲軸軸頸相對于軸承發(fā)生歪斜，產(chǎn)生附加應(yīng)力，引起裂紋和損壞，設(shè)計時應(yīng)該著重考慮這方面的情況，盡量避免破壞的發(fā)生。
三、結(jié)論
通過有限元軟件ANSYS分析和研究了往復(fù)泵連桿的固有振動特性，包括固有頻率和振型，并得出了精確、直觀的結(jié)論。而這些分析結(jié)果對于結(jié)構(gòu)設(shè)計和后續(xù)的分析校核都非常有用。得到連桿的頻率，我們可以避免由于其他同頻干擾或激振造成連桿的共振，這對于整個動力端以至整個往復(fù)泵系統(tǒng)的設(shè)計都有指導(dǎo)意義。 |