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隨著 轉速的不斷提高，為了安全可靠地工作，螺旋輸送機不僅要滿足靜力學性能要求，還要有良好的動力學性能。螺旋軸作為螺旋輸送機的關鍵部件，其動態性能的優劣對整機的動態性能起著非常重要的影響。利用有限元方法在螺旋輸送機設計階段進行動力學仿真可有效縮短產品研發周期，降低研發成本。為研究螺旋輸送機的動態特性，運用Abaqus軟件對螺旋軸進行穩態動力學分析，分析結果可為螺旋軸的結構設計與優化提供理論參考。
１穩態動力學分析簡介
穩態動力學分析是指在用戶指定頻率內的諧波激勵下，計算結構響應的振幅和相位，得到的結果是在頻域上的。Abaqus軟件中共有直接穩態、模態穩態以及子空間穩態三種分析方法，運用模態穩態方法對螺旋軸進行穩態動力學分析。系統在簡諧激振力作用下振動時，結構動力學分析基本方程。
２螺旋輸送機結構特點
的結構，它由軸承、端蓋、出料口、中間軸、殼體、進料口、螺旋葉片等構成，中間軸軸頭通過兩端軸承支承，傳動端軸頭通過聯軸器與減速機聯接。螺旋軸由中間軸和沿螺旋方向盤繞在中間軸上的葉片通過焊接方式固定在一起，工作時依靠中間軸的轉動促使螺旋葉片推動物料流動。
３螺旋軸有限元模型的建立
３.１結構模型簡化
設計的螺旋軸具有圓角、孔等細微特征，這些特征的存在不利于有限元模型的網格劃分，且對于分析精度的影響較小。為了提高分析效率，降低計算量，在保證有限元分析精度的前提下對螺旋軸模型進行了以下簡化：
①去除圓角、孔、退刀槽等細微特征。
②采用彈簧單元模擬軸承，每個軸承由沿軸承30周圓周方向上的４個彈簧單元代替，彈簧一端為螺旋軸上節點，另一端為軸承外圈節點，彈簧單元的長度等于軸承內外圈的距離。
③整個模型采用兩組彈簧單元來模擬左、右兩端軸承，如圖所示。
④忽略軸承軸向剛度，只考慮徑向剛度對軸承的影響。
建立的 螺旋軸有限元模型所示，采用六面體單元C3D8R劃分網格，共含6346個節點和2946個單元。
３.２邊界約束與載荷施加
３.２.１邊界約束
根據軸承的實際工作特點，約束螺旋軸左端軸承外圈節點的全部自由度；約束螺旋軸右端軸承外圈節點的全部自由度，內圈節點只約束軸向移動。
３.２.２載荷施加
螺旋軸工作時會受到周期性的激振力作用，當激振力頻率與系統固有頻率相同時，就會發生共振，使螺旋軸產生嚴重破壞。采用穩態動力學分析可以得到螺旋軸在簡諧激振力作用下的位移和應力響應，并得到幅頻曲線。根據螺旋軸的實際工作情況，將激振力施加在葉片上，方向與物料傳輸方向相反。
４螺旋軸動態特性分析
４.１模態分析
Ａｂａｑｕｓ軟件可利用lanczos、subspace以及AMS3種方法進行模態分析，由于lanczos法具有求解精度高的優點，因此在模態分析中采用lanczos法，提取了螺旋軸前八階模態。為螺旋軸前四階振型圖，表１為螺旋軸前八階固有頻率、對應轉速以及振型。
４.２穩態動力學分析利用
Abaqus軟件對螺旋軸進行穩態動力學分析時，要省時省力得到較為準確的幅頻曲線，就必須合理確定頻域范圍，由模態分析可知螺旋軸一階固有頻率為１５.９１６Ｈｚ，所以選取的頻域分析范圍為０～１８０Ｈｚ。圖８為從螺旋軸左端、右端、中點以及左、右兩個軸承所在的５個危險節點處提取的幅頻曲線。從圖中可以看出，幅頻曲線呈波浪形起伏狀，當激振力頻率從０Ｈｚ增至５１.２７７Ｈｚ時，位移明顯增大，在５１.２７７Ｈｚ處產生了第１個位移峰值１１.１ｍｍ；５１.２７７Ｈｚ增至６９.６Ｈｚ時，位移隨著頻率的增加而減小；６９.６Ｈｚ增至１０２Ｈｚ時，位移明顯增大并在１０２Ｈｚ處達到第２個峰值５.７ｍｍ；１０２Ｈｚ增至１３５.８Ｈｚ時，位移逐漸減小；１３５.８Ｈｚ增至１７４Ｈｚ時，位移明顯增大并在１７４Ｈｚ處達到第３個峰值３.５ｍｍ；１７４Ｈｚ增至１８０Ｈｚ時，位移逐漸減小。３個位移峰值對應的激振力頻率分別為５０.４Ｈｚ、１０２Ｈｚ以及１７４Ｈｚ，上述頻率與模態分析獲得的螺旋軸固有頻率(５１.２７７Ｈｚ、１０６Ｈｚ、１７８.９１Ｈｚ)接近，意味著在這３個峰值頻率處有共振現象產生。
分別是共振時螺旋軸的Ｍｉｓｅｓ應力云圖，從圖中可以看出，螺旋軸在激振力頻率為５０.４Ｈｚ時最大應力為８９６.１ＭＰａ，１０２Ｈｚ時最大應力為４３２.６ＭＰａ，１７４Ｈｚ最大應力為４９３.２ＭＰａ，最大應力均大于螺旋軸材料的許用應力２９５ＭＰａ，最大應力點均位于螺旋軸右端軸承支承處。如果螺旋軸長期在共振頻率下工作，容易導致螺旋軸斷裂。
5.結束語
提取 螺旋軸前八階模態的固有頻率和振型，分析結果表明，螺旋軸最高工作轉速遠小于臨界轉速，正常工作時能避免產生共振破壞。分析螺旋軸的動態特性，提取５個危險節點的幅頻曲線，整個幅頻曲線呈波浪形起伏狀，當激振頻率達到５０.４Ｈｚ、１０２Ｈｚ以及１７４Ｈｚ時螺旋軸將發生共振現象，位移分別達到１１.１ｍｍ、５.７ｍｍ、３.５ｍｍ。螺旋軸在３個共振頻率處的最大應力分別為８９６.１ＭＰａ、４３２.６ＭＰａ、４９３.２ＭＰａ，最大應力均大于螺旋軸材料的許用應力，最大應力點均位于螺旋軸右端軸承支承處。若螺旋軸長期在共振頻率下工作，易導致螺旋軸斷裂。
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