锤片式粉碎机转子系统的模态分析
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摘要：为例研究锤片式粉碎机在启动过程中转子的动态响应规律，利用ANSYS软件对粉碎机转子系统进行模态分析，得到了转子部分的前六阶模态振型，并根据模态振型的固有频率得出了转子系统的前六阶临界转速。结果表明转子部分的第二阶临界转速在额定转速范围内，因此粉碎机在工作时应尽量避开这个转速；测得转子部分在不同支承刚度条件下前三阶振型的固有频率和最大相对位移，分析了前三阶振型的固有频率和最大相对位移随支承刚度的变化规律，认为转子系统应使用支承刚度较小的滚动轴承。研究为锤片式粉碎机转子组的动态特性分析和减振降噪设计提供了理论依据。
关键词：锤片式粉碎机；转子；模态分析
引言
锤片式粉碎机是饲料工业中应用最为广泛的粉碎机械之一，其良好的通用性、可靠的工作性能和便宜的价格优势备受饲料加工业青睐。目前国内外对锤片式粉碎机工作效率的影响上，其研究目的多在于提高粉碎机效率，节能降耗。但对转子系统的模态分析相对较少。转子是粉碎机中高速运转的部分，如果转子所受的激振频率与自身的固有频率接近，就会激发共振，增大噪声。因此获取掌握转子系统的固有频率和振型参数，对于改善粉碎机的振动和噪声，提高整机的综合性能指标具有重要意义。本文利用ANSYA Woekbench模态分析模块，对课题组研制的新型锤片式粉碎机转子系统的自振频率特性进行研究。
1锤片式粉碎机的概述
随着我国经济的不断发展和市場需求的不断扩大，每年都需要加工大量的动物饲料，饲料加工行业已经成为我国总体经济中不可或缺的一部分。而饲料工业的高速进步，也促使了粉碎设备需求量的增加。锤片式粉碎机是我国国内使用量最大的粉碎机类型，该设备主要利用转子系统带动锤片做高速运动，通过其与物料之间的撞击与摩擦达到粉碎的效果。目前，锤片式粉碎机仍旧有着包括高能耗、低粉碎率等在内的许多不能被忽视的不足之处，所以研究锤片式粉碎机结构和性能方面对提高粉碎产量，扩大经济效益有重要意义。粉碎是制造饲料的核心环节，常常采用撞击，摩擦，碾压或切割的方式。锤片式粉碎机的重要组成部分有动力系统、筛片、转子、进料与出料口等，其中转子系统包含主轴、锤片、锤架板等，粉碎机进行粉碎作业时，粉碎原料经进料口投入粉碎室中，在粉碎室内经由锤片的冲击，被粉碎为小颗粒物料，小颗粒物料与筛网发生摩擦时，满足筛孔条件的物料排出机体成为合格物料，不满足条件的物料在粉碎室内继续受到锤片冲击，如此反复多次达到粉碎效果。因此，从粉碎粒度和效率出发进行锤片式粉碎机的研究正符合目前市场的需求。根据机械专业知识可知，对机械产品主要零部件进行适当的改进创新使其满足国家标准和经验公式，具有合理性的同时提高产品性能，效率和使用寿命[1]。
2模态分析
将利用SolidWoeks软件建立的转子系统模型保存为“.x-t”格式，然后导入ANSYA Woekbench。将转子系统的材料属性设置为“structuralsteel”，其特性采用默认值。对转子系统进行网格划分，设置“Relevance”为100，“Elementl Size”为0.005，其余采用默认设置。得到转子系统划分完成的网格效果图。施加载荷与约束，在主轴上的两个轴承安装处施加弹性支承，支承刚度值设置为107N/m。得到转子系统的前六阶模态振型图[2]。
3转子系统临界转速
在转子转速达到某一定值时，会造成转子的共振现象，这时的转速称为转子的临界转速。为了避免共振引起的剧烈振动和噪声产生，转子部分的转速应避开临界转速。临界转速可由转子部分只作横向振动时的固有频率计算得到。
由表1可知转子系统的第二阶临界转速在锤片式粉碎机的工作转速范围内，所以锤片式粉碎机在工作时应尽量避开这个转速。其余各临界转速均不在该锤片式粉碎机的工作转速内，所以正常工作情况下转子系统不会发生共振现象。
4轴承支承刚度对转子动力学性能的影响
轴承的支承刚度对转子部分的动力学分析有较大的影响，因为滚动轴承的径向刚度值一般在此之间，所以假设转子部分的两个轴承的支承刚度相同，在此范围内均为取20个点，在ANSYA Woekbench中得到不同刚度时转子系统前三阶模态振型的固有频率与最大相对位移。降前三阶振型的固有频率和最大相对位移分别绘制为折线图。在转子系统前三阶振型的固有频率中，一阶振型的固有频率随轴承支承刚度的增大有小幅增加，二阶振型的固有频率随轴承支承刚度的增大而保持不变，三阶振型的固有频率随着轴承支承刚度的增大而逐渐变大，但是增幅逐渐减小；对于该转子系统前三阶振型的最大相对位移，随着轴承支承刚度的增加，一阶和二阶振型的最大相对位移保持不变，三阶振型的最大相对位移逐渐增加，增幅先是增大，在0.45×109N/m附近达到最大值，随后增幅又逐渐变小[3]。以上现象说明：若使用支承刚度较小的滚动轴承，可以降低第三阶模态振型造成的振动，而不会造成第一、二阶振幅的变化。因此该转子系统应使用支承刚度较小的滚动轴承。测得轴承支承刚度分别为0.5×109N/m及1×109N/m时的转子系统前六阶模态振型图。其转子系统的三阶和四阶振型、五阶和六阶振型的固有频率分别比较接近。通过分析三阶至六阶振型的固有频率，认为课题组在对锤片式粉碎机的噪声测量中测得的两个较小的峰值信号893Hz和1263Hz，可能与改转子部分的三阶至六阶模态振型相关[4]。
结束语
本文利用ANSYA Woekbench对转子部分模态分析，获得了转子部分的前六阶模态振型，并根据模态振型的固有频率得出了转子系统的前六阶临界转速，根据结果发现转子部分的第二阶临界转速在锤片式粉碎机的工作转速范围内，因此粉碎机在工作中应避开临近转速；测得转子部分在不同支承刚度条件下前三阶振型的固有频率和最大相对位移，分析了前三阶振型的固有频率和最大相对位移随支承刚度的变化规律，得出结论：若使用支承刚度较小的滚动轴承，可以降低第三阶模态振型造成的振动，而不会造成第一、二阶振幅的变化。所以该转子系统应使用支承刚度较小的滚动轴承；通过比较分析支承刚度分别为1×107N/m、5×108N/m、1×109N/m情况下的转子系统前六阶模态振型，认为课题组对锤片式粉碎机的噪声测量试验中测得的两个较小的峰值信号893Hz和1263Hz，可能与该转子部分的三阶至六阶模态振型相关，由转子部分产生。
参考文献
[1]黄阳，张钢，周靛，etal.卧式ORC余热发电机转子轴承系统的模态分析[J].工业控制计算机，2017（9）：8-10.
[2]孔腾华，巩桂芬.气压喷吹的锤片式粉碎机设计[J].饲料工业，2017，38（23）：14-20.
[3]阮竞兰，张雷，曾国良.锤片粉碎机封闭式转子结构的动力学分析[J].粮食与饲料工业，2014，12（10）：43-45.
[4]王正浩，孙成岩，刘大任，等.基础柔性的转子系统振动模态分析[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2013，29（2）：367-371.
（作者单位：中粮生化能源（肇东）有限公司）
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