基於Abaqus的螺旋輸送機動態特性（xìng）

隨著螺旋輸送（sòng）機轉速的不斷提高，為了地工作，螺旋輸送（sòng）機不（bú）僅要滿足靜力學性能要求，還要有良好的動力學（xué）性（xìng）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（jī）的動態性能起著非常重要的影響。利用有限元（yuán）方法（fǎ）在（zài）螺旋輸送機設計階段進行動力學仿（fǎng）真（zhēn）可縮短產品（pǐn）周期，降低成本。為研究螺（luó）旋（xuán）輸送（sòng）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（gòng）理論參考（kǎo）。

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（pín）率內的諧波激勵（lì）下，計算結構響應（yīng）的（de）振幅和相位，的結果是在頻域上（shàng）的。Abaqus軟件中共有直接穩態、模態（tài）穩態以（yǐ）及（jí）子空（kōng）間穩態三種分析方法，運用模態穩態方法對（duì）螺旋軸進（jìn）行穩態（tài）動力學（xué）分析。係統（tǒng）在簡諧激振（zhèn）力作用下振動時，結構動力（lì）學分析基本方（fāng）程。

２螺旋輸送機結構特點

螺旋輸送機的結構，它由軸（zhóu）承、端蓋、出料口、中間軸、殼體、進料口（kǒu）、螺旋葉片等構（gòu）成，中間軸軸頭通過（guò）兩端軸承支承，傳動端軸（zhóu）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（xiàng）盤繞在（zài）中間（jiān）軸（zhóu）上的葉片通過焊接方式固定在（zài）一起，工作時依靠中間軸的轉動促使螺旋葉片（piàn）推動物料流（liú）動。

３螺旋軸有限元模型的建立

３.１結構模（mó）型簡化

設計的螺旋軸具有圓角、孔等細（xì）微特征，這些特征的存在（zài）不利於有限元模型的（de）網格劃分，且對於（yú）分析精度的影響較小（xiǎo）。為了提高分析效率，降低計（jì）算（suàn）量，在（zài）有限元分析精度的前提下對（duì）螺旋軸模型進行了以下簡化（huà）：

①去（qù）除（chú）圓角、孔、退刀槽等細微特征（zhēng）。

②采用彈簧單元模擬軸（zhóu）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（wéi）螺旋軸上節點，另一端為軸承外圈（quān）節點，彈（dàn）簧單元的長度等於軸承內外圈的距離。

③整個模型采用兩組（zǔ）彈簧單元來模（mó）擬左、右兩端軸承，如圖所（suǒ）示。

④忽略軸承軸向剛度，隻考慮徑向剛（gāng）度對軸承的影響。

建立的螺旋軸有限元模型所示（shì），采用（yòng）六麵體單元C3D8R劃分網格，共含6346個節點（diǎn）和2946個單（dān）元。

３.２邊界約束（shù）與載荷施（shī）加

３.２.１邊界約束

根（gēn）據軸承的實際工作特點，約束螺旋軸左端軸承外圈節點的（de）全部自由度；約束螺（luó）旋軸右端軸（zhóu）承外（wài）圈節點的全部自（zì）由度，內圈節點隻約束軸向移動。

３.２.２載荷施加

螺旋軸工作時會受到（dào）周（zhōu）期（qī）性的激振力作用，當激振力頻率與係統固有頻率（lǜ）相同時（shí），就會（huì）發生共振，使（shǐ）螺旋軸（zhóu）產生嚴重破壞。采（cǎi）用穩態動力學分（fèn）析（xī）可以螺（luó）旋軸在簡諧激振力（lì）作用下（xià）的位移和應力（lì）響應，並幅頻曲線。根據螺旋軸的實際工作情況，將激（jī）振力施加在葉片上，方向與物料傳輸方（fāng）向相反。

４螺旋軸動態特性分析

４.１模態分析

Ａｂａｑｕｓ軟（ruǎn）件可利用lanczos、subspace以及AMS3種方法進行模態分析，由於lanczos法具有（yǒu）求解的優點，因此在模態分析中采（cǎi）用（yòng）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（luó）旋軸前八階固（gù）有頻率、對應轉速以及振型（xíng）。

４.２穩（wěn）態動力學分析（xī）利用

Abaqus軟件對（duì）螺旋軸進行穩態動力學分析時，要省時省力較為準（zhǔn）確（què）的幅頻曲線（xiàn），就合理確定頻域範圍，由模（mó）態分析可知螺旋軸（zhóu）一階固有頻率為１５.９１６Ｈｚ，所以選取的頻域分析範圍為０～１８０Ｈｚ。圖８為從螺旋軸左端、右端、中點以及左、右兩個（gè）軸承所在的（de）５個危險節點處提（tí）取的幅頻曲線。從（cóng）圖中可（kě）以看出（chū），幅頻曲線（xiàn）呈波浪形起伏（fú）狀，當激振力頻率從（cóng）０Ｈｚ增至５１.２７７Ｈｚ時，位移明顯增大，在５１.２７７Ｈｚ處產生了第１個（gè）位移峰值１１.１ｍｍ；５１.２７７Ｈｚ增至６９.６Ｈｚ時（shí），位移隨著頻（pín）率的增加而減小；６９.６Ｈｚ增至１０２Ｈｚ時，位移明顯增大並在１０２Ｈｚ處達（dá）到第２個峰（fēng）值５.７ｍｍ；１０２Ｈｚ增至１３５.８Ｈｚ時，位移逐漸減小；１３５.８Ｈｚ增至１７４Ｈｚ時，位移明顯增大並在１７４Ｈｚ處達到（dào）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（yīng）的（de）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（xuán）軸固有頻（pín）率（５１.２７７Ｈｚ、１０６Ｈｚ、１７８.９１Ｈｚ）接近（jìn），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（zhóu）的Ｍｉｓｅｓ應力雲圖，從圖中可以看出，螺旋軸在激振力頻率為５０.４Ｈｚ時應力為８９６.１ＭＰａ，１０２Ｈｚ時應力（lì）為４３２.６ＭＰａ，１７４Ｈｚ應力為（wéi）４９３.２ＭＰａ，應（yīng）力均大於螺（luó）旋軸材料的許用應力２９５ＭＰａ，應力點均位於螺（luó）旋軸右端軸承支承處。如果螺旋軸長期在共振頻率下工作（zuò），容易導致螺旋軸斷裂。

5.結束（shù）語

提取螺旋軸前八階模態的固有頻率和振（zhèn）型，分析結果表明，螺旋（xuán）軸工作轉速遠小於臨界轉速，正常工作時能（néng）避（bì）免產生共振（zhèn）破（pò）壞。分析螺旋軸的動態特性，提（tí）取５個危險節點的幅頻曲線，整個幅頻曲（qǔ）線呈波浪形起（qǐ）伏狀，當激（jī）振頻率達（dá）到５０.４Ｈｚ、１０２Ｈｚ以及１７４Ｈｚ時螺旋（xuán）軸（zhóu）將發生共振現象，位（wèi）移分別達到１１.１ｍｍ、５.７ｍｍ、３.５ｍｍ。螺旋（xuán）軸在３個共振頻率處的應力分別為８９６.１ＭＰａ、４３２.６ＭＰａ、４９３.２ＭＰａ，應力均大於螺旋軸（zhóu）材料的許用應力，應力點均位於（yú）螺旋軸（zhóu）右端軸承（chéng）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。