基于ANSYS的动平衡机摆架动力学分析

　　1　引　言

　　旋转机械产生振动的主要原因之一是转子不平衡质量产生的惯性力或惯性力矩。由不平衡原因所引起的机械振动约占所有振动的24%,对于高速旋转机械,其不平衡原因引起的振动就更为显著[1],因此,动平衡是旋转部件生产、制造过程中必须解决的基本问题,其优劣程度直接决定了产品的工作性能,并对产品的质量产生巨大的影响。

　　要对转子进行动平衡,就需要使用专门的动平衡机,而摆架的设计又是动平衡机结构设计的关键环节。作为动平衡机的支承系统,设计摆架时既要保证摆架有一定的尺寸和刚度,能够承受工件的重量,又要使摆架结构合理,具有较高的灵敏度。通常针对不同类型的平衡机,设计摆架时要进行相应的理论计算,计算过程随着摆架系统的复杂而变得繁复,而且计算效率低,不利于设计的改进。为了提高设计效率,使设计过程更加科学合理,引入有限元分析软件ANSYS,来代替原本的工程计算方法。这样不但能提高设计效率,更能增加设计的准确度。

　　2　摆架结构原理简介

　　卧式动平衡机的支承系统又称“摆架”,图1为卧式硬支承动平衡机摆架的结构图,其中托架可以进行垂直方向上的调节。一般卧式硬支承动平衡机的支承架、弹性元件是和摆架座合为一体,由铸钢铸成,或由整块钢板切割而成[2]。整个支承系统除了上述的几个主要部分外,还有摆架的锁紧机构、托架的高度调节机构、摆架的移动机构等。

　　当摆架支承一个带有不平衡量的旋转转子时,因为转子本身的质量相对于其轴线分布不均匀,所以在旋转时会产生离心力,而这个离心力通过支承滚轮传递到摆架,进而引起摆架有规律的振动,通过检测摆架的振幅,来确定转子离心力的大小。

　　3　摆架动刚度的计算

　　刚度是指受外力作用的材料、构件或结构抵抗变形的能力。静载荷下结构抵抗变形的能力称为静刚度Q,其计算公式为

　　其中,F为施加于结构上的力,L为结构在外力F下的位移。

　　动载荷下结构抵抗变形的能力称为动刚度,如果动作用力变化很慢,即动作用力变化的频率远小于结构的固有频率时,可以认为动刚度和静刚度基本相同。否则,动作用力的频率远大于结构的固有频率时,结构则不容易变形,即变形较小,此时结构的动刚度相对激扰较大。但动作用力的频率与结构的固有频率相近时,有可能出现共振现象,此时动刚度最小,变形最大。因此,动刚度是衡量结构抵抗预定动态激扰能力的特性。

　　对于刚性转子硬支承动平衡机,其振动系统可以简化为单自由度平动系统,其在外界简谐激振力作用下的系统响应为[3]