1500-三面切書機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1500-三面切書機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì),三面切書機(jī),畢業(yè)設(shè)計(jì) ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net現(xiàn) 代 制 造 工 程 2006年 第 8期 設(shè) 備 設(shè) 計(jì) /診 斷 維 修 /再 制 造切 書 機(jī) 基 礎(chǔ) 件 的 有 限 元 分 析 3易 立 新 ,王 民 ,李 俊 勤 ,李 小 富 ,費(fèi) 仁 元(北 京 工 業(yè) 大 學(xué) 北 京 市 先 進(jìn) 制 造 技 術(shù) 重 點(diǎn) 實(shí) 驗(yàn) 室 ,北 京 100022)摘 要 　 國 產(chǎn) 切 書 機(jī) 在 設(shè) 計(jì) 過 程 中 ,很 少 考 慮 切 書 機(jī) 基 礎(chǔ) 件 的 動(dòng) 態(tài) 性 能 。 當(dāng) 國 產(chǎn) 切 書 機(jī) 在 高 速 運(yùn) 轉(zhuǎn) 時(shí) ,振 動(dòng) 急 劇 加 大 ,嚴(yán)重 影 響 加 工 質(zhì) 量 和 工 作 效 率 。 利 用 ANSYS有 限 元 分 析 軟 件 ,對(duì) 切 書 機(jī) 基 礎(chǔ) 件 進(jìn) 行 模 態(tài) 分 析 ,根 據(jù) 基 礎(chǔ) 件 的 振 型 ,對(duì) 基 礎(chǔ)件 結(jié) 構(gòu) 進(jìn) 行 改 進(jìn) ,并 對(duì) 改 進(jìn) 前 后 的 結(jié) 構(gòu) 進(jìn) 行 諧 響 應(yīng) 分 析 ,證 明 改 進(jìn) 效 果 比 較 明 顯 。關(guān) 鍵 詞 :切 書 機(jī) 　 基 礎(chǔ) 件 　 ANSYS　 模 態(tài) 分 析 　 諧 響 應(yīng) 分 析中 圖 分 類 號(hào) : O242; TH16　 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識(shí) 碼 : A　 文 章 編 號(hào) : 1671— 3133 (2006) 08— 0092— 03F in ite elem en t ana lysis of ba sic structure of cutting2book mach ineYi L ixin,W ang M in, L i Junqin, L i Xiaofu, Fei Renyuan(Beijing University of Technology, Beijing 100022, CHN)Abstract　 During the p rocess of designing, dynam ic feature of basic structure of cutting2book machine designed in China is lesstaken consider. W hen itworks in high2speed, its vibration grows greatly, which results in p roducts of bad quality. Based on ANSYSsoftware, the model analysis of cutting2book machine is done. The natural frequencies and the modes of basic structure of cutting2book machine are analyzed. According to figure of structure in vibration, its structure is mended. And harmonic response analysisof structure of both original basic structure and basic structure mended is respectively done and the result is satisfactory.Key words:Cutting2book machine　 Basic structure　 ANSYS　 Model analysis　 Harmonic response analysis國 產(chǎn) 切 書 機(jī) 在 低 速 運(yùn) 轉(zhuǎn) 時(shí) 穩(wěn) 定 性 好 ,切 書 質(zhì) 量 良好 ,但 若 要 提 高 主 機(jī) 運(yùn) 轉(zhuǎn) 速 度 ,機(jī) 器 將 因 高 速 而 引 起系 統(tǒng) 振 動(dòng) ,直 接 影 響 切 書 質(zhì) 量 。 因 此 ,提 高 機(jī) 械 的 抗振 特 性 ,將 是 提 高 生 產(chǎn) 效 率 和 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 的 一 項(xiàng) 重 要 的研 究 課 題 。本 文 應(yīng) 用 ANSYS對(duì) 切 書 機(jī) 進(jìn) 行 模 態(tài) 分 析 ,計(jì) 算 出其 固 有 頻 率 和 振 型 ,找 出 基 礎(chǔ) 件 原 始 設(shè) 計(jì) 方 案 中 的 薄弱 環(huán) 節(jié) ,提 出 相 應(yīng) 的 結(jié) 構(gòu) 改 進(jìn) 建 議 和 局 部 強(qiáng) 化 措 施 ,并 對(duì) 改 進(jìn) 前 后 的 結(jié) 構(gòu) 進(jìn) 行 諧 響 應(yīng) 分 析 。1　 模 態(tài) 分 析 的 動(dòng) 力 學(xué) 理 論模 態(tài) 分 析 的 基 本 思 想 是 把 一 個(gè) 復(fù) 雜 的 結(jié) 構(gòu) 按 其結(jié) 構(gòu) 的 特 點(diǎn) 分 成 若 干 個(gè) 子 結(jié) 構(gòu) ,然 后 用 離 散 法 和 有 限元 法 對(duì) 子 結(jié) 構(gòu) 作 各 種 力 學(xué) 分 析 。 對(duì) 一 個(gè) 具 有 連 續(xù) 質(zhì)量 的 結(jié) 構(gòu) 用 有 限 元 法 進(jìn) 行 模 態(tài) 分 析 時(shí) ,先 將 該 結(jié) 構(gòu) 離散 為 有 限 個(gè) 單 元 組 成 的 模 型 ,求 出 單 元 剛 度 矩 陣 [ K ]和 單 元 質(zhì) 量 矩 陣 ,按 照 節(jié) 點(diǎn) 自 由 度 序 號(hào) 對(duì) 號(hào) ,對(duì) 各 單元 的 剛 度 矩 陣 和 質(zhì) 量 矩 陣 進(jìn) 行 組 集 ,得 到 總 剛 度 矩 陣和 總 質(zhì) 量 矩 陣 [M ],對(duì) 于 線 性 動(dòng) 力 系 統(tǒng) 的 小 阻 尼 結(jié)構(gòu) ,可 以 采 用 復(fù) 合 阻 尼 [C ],得 出 結(jié) 構(gòu) 的 振 動(dòng) 微 分 方 程(動(dòng) 力 方 程 ) :[M ] { q· ·} + [C ]{ q} + [ K ]{ q} = { F ( t) }式 中 : { q· ·}為 加 速 度 向 量 ; { q}為 速 度 向 量 ; { q}為 節(jié) 點(diǎn)位 移 向 量 ; { F ( t) }為 整 體 載 荷 向 量 。因 為 要 對(duì) 結(jié) 構(gòu) 進(jìn) 行 模 態(tài) 分 析 ,要 求 解 的 是 固 有 頻率 和 振 型 參 數(shù) 固 有 模 態(tài) 與 外 載 荷 無 關(guān) ,結(jié) 構(gòu) 阻 尼 對(duì) 固有 頻 率 的 影 響 很 小 ,在 求 結(jié) 構(gòu) 固 有 頻 率 和 振 型 時(shí) ,可以 不 考 慮 阻 尼 ,上 式 則 簡(jiǎn) 化 為 無 阻 尼 自 由 振 動(dòng) 方 程 :( -ω 2i [M ] + [ K ]) { q} = 0式 中 :ω i 為 自 由 振 動(dòng) 固 有 頻 率 ;展 開 此 行 列 式 ,得 到 一個(gè) 關(guān) 于 ω 2i 的 n次 多 項(xiàng) 式 ,多 項(xiàng) 式 的 根 (特 征 值 )即 為模 型 的 固 有 頻 率 ,將 特 征 值 代 入 公 式 ,就 可 求 出 特 征向 量 ,從 而 獲 得 給 定 頻 率 下 的 振 型 。固 有 頻 率 和 振 型 是 承 受 動(dòng) 態(tài) 載 荷 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 中 的重 要 參 數(shù) 。293 北 京 市 先 進(jìn) 制 造 技 術(shù) 重 點(diǎn) 實(shí) 驗(yàn) 室 開 放 項(xiàng) 目? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net設(shè) 備 設(shè) 計(jì) /診 斷 維 修 /再 制 造 現(xiàn) 代 制 造 工 程 2006年 第 8期2　 切 書 機(jī) 基 礎(chǔ) 件 的 模 態(tài) 分 析211　 三 面 切 書 機(jī) 基 礎(chǔ) 件 的 建 模在 用 ANSYS做 動(dòng) 力 學(xué) 有 限 元 分 析 時(shí) ,由 于 要 求 的是 整 個(gè) 結(jié) 構(gòu) 的 各 階 固 有 頻 率 和 振 型 。 這 是 從 整 體 的角 度 來 研 究 問 題 ,而 結(jié) 構(gòu) 上 的 一 些 細(xì) 節(jié) 問 題 是 可 以 適當(dāng) 忽 略 的 。 并 且 ,由 于 切 書 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 比 較 復(fù) 雜 ,除 了 忽略 一 些 結(jié) 構(gòu) 上 的 細(xì) 節(jié) 外 ,在 建 模 時(shí) ,把 模 型 分 為 五 個(gè)部 分 分 別 繪 制 ,包 括 左 、 右 、 前 、 后 、 底 部 ,最 后 再 組 合起 來 。212　 邊 界 條 件基 礎(chǔ) 件 底 部 的 四 個(gè) 角 用 高 強(qiáng) 度 螺 栓 固 定 在 底 座上 ,故 基 礎(chǔ) 件 底 部 的 四 個(gè) 角 看 成 全 方 位 約 束 (包 括 X、圖 1　 基 礎(chǔ) 件 第 一 階 振 型圖 2　 基 礎(chǔ) 件 第 四 階 振 型圖 3　 基 礎(chǔ) 件 第 六 階 振 型圖 4　 基 礎(chǔ) 件 第 八 階 振 型Y、 Z 及 三 個(gè) 旋 轉(zhuǎn) 方向 )。213　 模 態(tài) 分 析 的 計(jì)算 結(jié) 果通 過 ANSYS的 模態(tài) 分 析 ,基 礎(chǔ) 件 的 固有 頻 率 如 表 1 所 示 ,部 分 振 型 如 圖 1至 圖4所 示 。刀 架 的 支 撐 桿 是由 偏 心 凸 輪 驅(qū) 動(dòng) 的 ,支 撐 桿 沿 著 固 定 的 基礎(chǔ) 件 上 的 支 撐 架 的 滑動(dòng) 軌 道 做 沿 Y軸 往 復(fù)運(yùn) 動(dòng) 。 由 于 傳 動(dòng) 部 分和 支 撐 架 都 安 裝 在 基礎(chǔ) 件 上 ,當(dāng) 切 書 機(jī) 高速 運(yùn) 轉(zhuǎn) ,偏 心 凸 輪 引起 的 激 勵(lì) 力 的 頻 率 及其 諧 波 頻 率 與 基 礎(chǔ) 件某 階 固 有 頻 率 接 近 或相 等 時(shí) ,基 礎(chǔ) 件 產(chǎn) 生劇 烈 振 動(dòng) ,從 而 帶 動(dòng)整 個(gè) 機(jī) 器 振 動(dòng) 。要 提 高 加 工 質(zhì)量 、 增 加 效 率 ,必 須 提高 基 礎(chǔ) 件 的 抗 振 性能 。 當(dāng) 基 礎(chǔ) 件 以 第 一階 固 有 頻 率 振 動(dòng) 時(shí) ,基 礎(chǔ) 件 帶 動(dòng) 支 撐 桿 和刀 架 沿 X 軸 左 右 擺動(dòng) ,這 將 會(huì) 導(dǎo) 致 刀 架 定 位 不 準(zhǔn) 確 。 同 時(shí) 也 會(huì) 加 劇 支 撐桿 與 支 撐 架 滑 動(dòng) 軌 道 的 摩 擦 ,增 加 振 動(dòng) 和 噪 聲 。中 間 梁 上 安 裝 紙 的 傳 輸 機(jī) 構(gòu) ,紙 傳 輸 機(jī) 構(gòu) 的 振 動(dòng)太 大 ,導(dǎo) 致 紙 張 卡 位 不 準(zhǔn) 確 ,因 此 減 小 中 間 梁 的 振 動(dòng)對(duì) 提 高 加 工 質(zhì) 量 也 具 有 重 要 意 義 ,同 時(shí) 提 高 中 間 梁 的剛 度 對(duì) 基 礎(chǔ) 件 整 體 剛 度 有 重 要 意 義 。為 了 減 少 基 礎(chǔ) 件 沿 X 軸 方 向 的 振 動(dòng) 和 機(jī) 架 整 體的 扭 動(dòng) ,對(duì) 基 礎(chǔ) 件 進(jìn) 行 了 兩 處 修 改 。 第 一 ,在 機(jī) 器 左側(cè) 內(nèi) 部 距 離 前 端 200mm處 ,加 一 個(gè) 豎 直 向 上 、 長(zhǎng) 度 為500mm的 加 強(qiáng) 筋 。 在 機(jī) 器 右 側(cè) 內(nèi) 板 內(nèi) 側(cè) 相 對(duì) 于 左 側(cè)的 位 置 ,增 加 一 加 強(qiáng) 筋 。 第 二 ,在 機(jī) 器 左 右 兩 側(cè) 后 部中 間 梁 加 一 個(gè) 寬 為 38mm,高 為 30mm ,長(zhǎng) 度 為 68mm的 矩 形 筋 。 第 三 ,為 了 提 高 中 間 梁 的 抗 振 性 能 ,在 機(jī)器 前 部 中 間 梁 下 部 左 、 右 兩 端 ,各 加 一 個(gè) 沿 著 Z 軸 方向 、 邊 長(zhǎng) 為 30mm的 等 腰 三 角 形 。表 1　 基 礎(chǔ) 件 固 有 頻 率 及 振 型 描 述階 次 固 有 頻 率 振 型 描 述1 9419 一 階 振 型 為 機(jī) 器 沿 X方 向 左 右 擺 動(dòng)2 17816 二 階 振 型 為 后 梁 沿 Z方 向 前 后 擺 動(dòng)3 20619 三 階 振 型 為 機(jī) 器 前 后 梁 繞 Y軸 中 間 處 扭 轉(zhuǎn)4 22313 四 階 振 型 為 機(jī) 器 中 間 梁 前 部 繞 中 間 梁 底 部 X 方向 扭 轉(zhuǎn)5 28516 五 階 振 型 為 前 后 梁 沿 X方 向 左 右 擺 動(dòng)6 29912 六 階 振 型 為 中 間 梁 后 部 繞 中 間 梁 底 部 X軸 扭 轉(zhuǎn)7 34212 七 階 振 型 為 中 間 梁 后 部 繞 X方 向 扭 轉(zhuǎn)8 35716 八 階 振 型 為 前 后 左 右 四 面 向 中 間 靠 攏9 38516 九 階 振 型 主 要 為 切 書 機(jī) 前 部 梁 前 后 擺 動(dòng)10 43018 十 階 振 型 主 要 為 整 體 彎 扭 復(fù) 合 模 態(tài)214　 基 礎(chǔ) 件 改 進(jìn) 后 模 態(tài) 分 析 的 結(jié) 果切 書 機(jī) 基 礎(chǔ) 件 結(jié) 構(gòu) 改 進(jìn) 后 ,利 用 ANSYS進(jìn) 行 模 態(tài)分 析 。 改 進(jìn) 前 后 基 礎(chǔ) 件 的 固 有 頻 率 如 表 2所 示 。表 2　 改 進(jìn) 前 后 的 固 有 頻 率階 次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10改 前 的固 有 頻 率 9419 17816 20619 22313 28516 29912 34212 35716 38516 43018改 后 的固 有 頻 率 9514 17911 20513 22813 28014 30118 34510 35810 38419 423133　 切 書 機(jī) 基 礎(chǔ) 件 的 諧 響 應(yīng) 分 析諧 響 應(yīng) 分 析 是 用 于 確 定 線 性 結(jié) 構(gòu) 隨 時(shí) 間 按 正 弦(簡(jiǎn) 諧 )規(guī) 律 變 化 的 載 荷 在 穩(wěn) 態(tài) 響 應(yīng) 時(shí) 的 一 種 技 術(shù) 。分 析 的 目 的 是 計(jì) 算 出 結(jié) 構(gòu) 在 規(guī) 定 的 頻 率 內(nèi) 的 響 應(yīng) 并得 到 一 些 響 應(yīng) 值 (通 常 是 位 移 )對(duì) 頻 率 的 曲 線 。 為 了解 修 改 前 后 基 礎(chǔ) 件 振 動(dòng) 的 變 化 情 況 ,對(duì) 切 書 機(jī) 基 礎(chǔ) 件39? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net現(xiàn) 代 制 造 工 程 2006年 第 8期 設(shè) 備 設(shè) 計(jì) /診 斷 維 修 /再 制 造進(jìn) 行 諧 響 應(yīng) 分 析 ,選 取 對(duì) 切 書 影 響 較 大 的 四 個(gè) 點(diǎn) 。 其中 有 兩 個(gè) 點(diǎn) 是 支 撐 刀 架 的 地 方 ,另 外 兩 個(gè) 點(diǎn) 選 在 左 右兩 側(cè) 切 書 機(jī) 上 部 中 間 處 (如 圖 5、 圖 6所 示 )。 在 AN2SYS中 諧 響 應(yīng) 分 析 有 三 種 方 法 , Full法 、 Reduced法 、Mode superposition法 。 由 于 切 書 機(jī) 基 礎(chǔ) 件 結(jié) 構(gòu) 比 較 復(fù)雜 ,采 用 Mode superposition法 比 較 適 宜 ,因 此 ,使 用Mode superposition法 對(duì) 切 書 機(jī) 基 礎(chǔ) 件 進(jìn) 行 諧 響 應(yīng) 分析 。 切 書 機(jī) 最 主 要 載 荷 是 在 切 書 的 過 程 中 ,由 凸 輪 帶圖 5　 諧 響 應(yīng) 分 析 測(cè) 點(diǎn) 圖圖 6　 諧 響 應(yīng) 分 析 施 加 的 載 荷動(dòng) 刀 架 引 起 的 。 因此 ,把 載 荷 加 在 安 裝凸 輪 軸 的 孔 心 位 置 ,加 載 荷 方 向 如 圖 6所示 。 選 擇 四 個(gè) 點(diǎn) 做 諧響 應(yīng) 分 析 ,以 驗(yàn) 證 改進(jìn) 后 結(jié) 構(gòu) 的 動(dòng) 態(tài) 特性 。 第 一 點(diǎn) 是 基 礎(chǔ) 件與 刀 架 連 桿 連 接 處 ,第 二 點(diǎn) 是 基 礎(chǔ) 件 橫 梁的 中 間 點(diǎn) ,第 三 點(diǎn) 是橫 梁 的 右 側(cè) 點(diǎn) ,第 四點(diǎn) 是 基 礎(chǔ) 件 與 刀 架 連桿 連 接 處 另 一 側(cè) 與 第一 點(diǎn) 相 對(duì) 應(yīng) 的 點(diǎn) 。圖 7是 第 一 點(diǎn) X 方 向 修 改 前 后 的 諧 響 應(yīng) 圖 。 從圖 中 可 以 看 出 ,在 接 近 360Hz處 (第 八 階 固 有 頻 率 ) ,出 現(xiàn) 振 動(dòng) 峰 值 點(diǎn) ,經(jīng) 過 改 進(jìn) 后 ,最 大 振 幅 明 顯 下 降 (下降 近 30% )。 在 95Hz處 (第 一 階 固 有 頻 率 )的 振 幅 也有 小 幅 下 降 。圖 7　 第 一 點(diǎn) X向 改 進(jìn) 前 后 諧 響 應(yīng)圖 8是 第 四 點(diǎn) X方 向 的 諧 響 應(yīng) 圖 ,第 四 點(diǎn) 與 第 一點(diǎn) 的 位 置 是 相 對(duì) 的 ,都 是 在 機(jī) 器 的 上 部 中 間 處 ,只 是一 左 一 右 。 但 是 因 為 機(jī) 器 結(jié) 構(gòu) 左 右 兩 側(cè) 不 平 衡 ,所 以兩 側(cè) 都 進(jìn) 行 測(cè) 量 。 同 第 一 點(diǎn) 一 樣 ,峰 值 振 幅 出 現(xiàn) 在 接近 360Hz處 (第 八 階 固 有 頻 率 ) ,改 進(jìn) 后 的 振 幅 下 降 近20%。切 書 機(jī) 基 礎(chǔ) 件 第 二 點(diǎn) Z 方 向 的 位 移 最 大 峰 值 出現(xiàn) 在 220Hz處 (第 四 階 固 有 頻 率 )。 第 四 點(diǎn) Z 方 向300Hz(第 六 階 固 有 頻 率 )和 360Hz (第 八 階 固 有 頻 率 )的 振 幅 較 大 ,經(jīng) 過 改 進(jìn) 后 ,基 礎(chǔ) 件 在 這 兩 點(diǎn) Z 方 向 的振 幅 均 有 較 大 的 下 降 。 第 二 點(diǎn) 的 幅 值 下 降 16% (見 圖9)。 第 三 點(diǎn) Z方 向 在 300Hz (第 六 階 固 有 頻 率 )的 幅值 下 降 24%。 在 360Hz (第 八 階 固 有 頻 率 )處 的 幅 值下 降 約 50% (見 圖 10)。圖 8　 第 四 點(diǎn) X向 改 進(jìn) 前 后 諧 響 應(yīng)圖 9　 第 二 點(diǎn) Z向 改 進(jìn) 前 后 諧 響 應(yīng)圖 10　 第 三 點(diǎn) Z向 改 進(jìn) 前 后 諧 響 應(yīng)4　 結(jié) 語本 文 利 用 ANSYS對(duì) 切 書 機(jī) 基 礎(chǔ) 件 進(jìn) 行 模 態(tài) 分 析 ,計(jì) 算 出 基 礎(chǔ) 件 的 固 有 頻 率 和 振 型 。 根 據(jù) 基 礎(chǔ) 件 的 薄弱 環(huán) 節(jié) 和 實(shí) 際 工 作 情 況 ,對(duì) 基 礎(chǔ) 件 的 設(shè) 計(jì) 提 出 了 幾 點(diǎn)改 進(jìn) 意 見 ,并 對(duì) 改 進(jìn) 前 后 的 結(jié) 構(gòu) 進(jìn) 行 諧 響 應(yīng) 分 析 。 與改 進(jìn) 前 的 結(jié) 構(gòu) 比 較 ,改 進(jìn) 后 的 結(jié) 構(gòu) 動(dòng) 態(tài) 性 能 得 到 了 有效 的 提 高 ,振 幅 有 了 明 顯 的 下 降 ,切 書 機(jī) 的 工 作 效 率也 會(huì) 進(jìn) 一 步 提 高 。參 考 文 獻(xiàn) :[ 1 ]　 王 勖 成 ,邵 敏 . 有 限 元 法 基 本 原 理 的 數(shù) 值 方 法 [M ].北 京 :清 華 大 學(xué) 出 版 社 , 2000.[ 2 ]　 大 久 保 信 行 (日 ). 機(jī) 械 模 態(tài) 分 析 [M ]. 上 海 :上 海 交通 大 學(xué) 出 版 社 , 1985.作 者 簡(jiǎn) 介 :易 立 新 ,研 究 生 。電 話 : (010) 67391624收 稿 日 期 : 200521222849