气动旋扣钳滚轮轴的模态分析.pdf

第 1 1 期 2 0 1 4年 1 1月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi ne r y De s i g nMa n u f a c t u r e 1 9 9 气动旋扣钳滚轮轴的模 态分析 周井玲 ， 陆鹏鹏 ， 程志明 ， 金晓明 。 1 ． 南通大学 机械工程学院， 江苏 南通2 2 6 0 1 9 ； 2 ． 南通大学 工程训练中心， 江苏 南通2 2 6 0 1 9 摘要 随着气动旋扣钳转速的提 高， 产生振动问题也越来越严重， 为优化旋扣钳的动力学性能， 对其滚轮轴进行模 态 分析。首先对滚轮轴进行简化， 得 出其振动力学模型， 通过理论法计算出滚轮轴的第一阶固有频率， 然后使用A n s y s 软 件对滚轮轴进行模态分析， 获取了滚轮轴结构的固有频率及振型。结果表明 理论计算和软件计算误差为2 ． 8 ％， 证明 有限元软件对滚轮轴模态计算的准确性， 其结果可以为旋扣钳动力学性能的优化提供了依据。 关键词 旋扣钳 ； 滚轮轴 ； 固有频率； 模态分析 中图分 类号 T H1 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 1 1 - 0 1 9 9 0 3 Mo d a l a n d Ha r mo n i c An a l y s i s o f Sp i n n i n g W r e n c h e s Ro l l e r Sh a f t Z HOU J i n g - l i n g ，L U P e n g - p e n g ，C HE NG Z h i - mi n g ， J I N Xi a o - mi n g 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， N a n t o n g U n i v e r s i t y ， J i a n g s u N a n t o n g 2 2 6 0 1 9 ， C h i n a ； 2 ． E n g i n e e r i n g T r a i n i n g C e n t e r ，Na n t o n g Un i v e r s i t y ， J i a n g s u Na n t o n g 2 2 6 0 1 9 ，Ch i n a Ab s t r a c t Wi t h t h e i m p r o v e m e n t o f t h e s p e e d o f t h e s p i n n i n g w r e n c h e s ， t h e v i b r a t i o n p r o b l e m i s b e c o m i n g mo r e a n d m o r e s e r i o u s ． I n o r d e r t o o p t i miz e t h e d y n a mi c p e r ma nce ofs p i n n i n g w r e n c h e s ， mo d a l a n al y s i s w a s c a r r i e d o u t o n t h e r o l l e r s h ． F i r s t ， t h e r o l l e r s h a f t w a s s i m p l ifi e d t o g e t t h e m e c h a n i c a l v i b r a t i o n ， a n d fir s t - o r d e r n a t u r a l f r e q u e n c y oft h e r o l l e r s h w a s s o l v e d b y t h e t h e o r e t i c al c alc u l at i o n m e t h o d ， a n d t h e mo d a l a n al y s i s o f r o l l e r s h w e r e p e r m e d b y u s i n g A n s y s s o f t w a r e ， t o g e t t h e n a t u r alf r e q u e n c i e s a n d m o d e s h a p e s ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e t h e o r e t i c a l c alc u l a t i o n a n d s o ftw a r e c al c u l ati o n e n 田 r i s 2 ． 8 ％．and p r o v e s t h e m o d a l c alc u l at i o n a c c u r a c y offin i t e e l e m e n t S O fi w a r e O n t h e r o l l e r s h a f t ． T h e y c o u l d p r o v i d e a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e f u r t h e r d z o p t i m i z a t i o n oft h e s p i n n i n g w r e n c h e s ． Ke y W o r d s S p i nn i n g W r e n c h e s ； Ro l l e r S h a R； Na t u r a l F r e q u e n c y； Mo d a l An a l y s i s 1引言 随着工程机械 、 航空航天、 交通运输的发展 ， 装备制造业对 零件的表面加工质量和几何精度也提出了更高的要求 ， 这也促进 了旋扣钳向高效率、 高精度方向的发展。 美国 公司开发出的常规 闭口动力大钳， 主钳和背钳通过 1 根或 2根立柱固定在钻井平台 上， 并通过液压缸浮动连接， 能实现上下管柱快速对中， 并精确显 示输出扭矩等优点。挪威口 公司在海上钻井平台上配备了闭口型 一 体化动力大钳， 配合其他井口作业装置来实现远距离自动化井 口作业。国内p 公司研制出新型钻杆动力钳的主钳升降采用的是 液缸驱动， 保证了作业的稳定性。 旋扣钳一般由多个机械零部件组合而成 ，因此整机的静动 态特性及工作特性往往取决于关键零部件的设计的可靠性和静 动态特性。 同时， 旋扣钳在实际工作时， 旋扣钳本身不平衡旋转部 件所产生的惯性激振力会使得旋扣钳产生剧烈的振动， 影响了旋 扣钳的疲劳寿命。滚轮轴是气动旋扣钳的一个重要零部件， 连接 着滚轮等零件 ， 滚轮轴的动态特性直接影响着整机的性能， 对动 力旋扣钳来说确定具有较好动态特 的滚轮轴非常重要。 2气动旋扣钳 1 ．钻杆 2 ， 3 ． 滚轮 4 调 节丝杆 5 ．气动马达 6 _ 右壳体 7 ．空气弹簧 图 1气动旋扣钳工作原理图 Fi g ． 1 S c h e ma t i c Di a g r a m o f S p i n n i n g W r e n c h e s 我国大部分油田大都已进入开发中、 后期 ， 采油的难度越来 越大， 工艺和井况越来越复杂， 油田修井作业任务也越来越繁重 ， 开采技术也在不断面临新的课题。目前国外旋扣钳的种类很多， 来稿 日期 2 0 1 4 0 4 2 0 基 金项 目 江苏省“ 六大人才高峰” 项 目 2 0 1 1 - Z B Z Z O 0 9 作者简介 周井玲， 1 9 6 7 一 ， 女， 江苏南通人， 博士， 教授， 主要研究方向 机械设计、 摩擦学和机械动力学 2 0 0 周井玲等 气动旋扣钳滚轮轴的模态分析 第 1 1 期 而且产品性能及质量都相对稳定 ， 但价格昂贵， 针对国内来说， 产 品还处于发展阶段， 需要投入技术力量来进一步研究与开发。近 年来国内外设计出不同类型的旋扣钳， 如气动大钳、 液压大钳、 液 气混合大钳等目 。 气动旋扣钳作为一种新型的上卸扣产品， 主用于 钻杆的上卸扣， 旋扣钳的原理是 通过气马达驱动齿轮传动， 带动 滚轮旋转 ， 操控空气弹簧夹紧气阀和调节丝杆， 使滚轮压紧钻杆 ， 操控气动马达气阀手柄， 开动左右马达， 带动各 自驱动滚轮旋转。 旋扣钳的原理图， 如图 1 所示。 3旋扣钳滚轮轴固有频率的理论计算 一 根轴上理论上有无穷多固有频率，但是当计算固有频率 时 ， 一般将轴离散成有限阶数来进行求解， 通过理论计算公式求 出的最低频率也就是结构的一阶固有频率， 即轴的基频。基频的 大小关系到滚轮轴是否容易遭受某种频率外载荷的破坏。 在实际 问题中， 为了求解出滚轮轴的基频， 从图2中滚轮轴的实际尺寸， 结合材料力学和机械振动的相关知识对滚轮轴进行简化， 简化后 振动力学模型， 如图 3 所示。如图3所示简化后的滚轮轴分为两 个部分 ， 滚轮轴轴承之间的长度为 2 2 0 ra m， 简化集中质量为 ， 轴外伸出的长度为 5 4 ra m， 简化集中质量为 。 4 0 1 4 0 5 2 4 2 1一 8f l 一科一 r ● 甘 l I． 图 2滚轮轴的尺寸图 F i g ．2 Di me n s i o n a l Dr a wi n g o f Ro l l e r S h a f t 2 2 0 5 4 图 3滚轮轴的振动力学模型 Fi g ． 3 Vi b r a t i o n M e c h a n i c a l Mo d e l o f Ro l l e r S h a f t 通过运用邓克菜法M进行计算滚轮轴的基频。多自由度线 性振动系统微分方程的一般表达式为 t 1 式中 [ ] 一系统的质量矩阵； [ c] 一系统的阻尼矩阵； [ K] 一系统 的刚度矩阵 ； F ￡ 一系统所受的动载荷； 、 x、 离散质量 的 n 维加速度向量速度向量和位移向量。 将滚轮轴简化为等截面轴 ， 滚轮轴的当量直径通过式 2 计 算出。式中 滚轮轴长度； z ， d 一 阶梯轴每段长度和直径的大 小； 十 算简化后的当量直径， 计算后为4 0 ．8 ra m。 2 通过式 1 列出振动力学模型的二阶动力学微分方程式 3 2 l 2 2 X2 。 式中 m ， m 厂 简化后两段集中质量； 3 ．， 两个横向自由度处的响应； K 一刚度系数； 厂璃 散质量的2维加速度向量速度向量和位移向量。 通过解微分方程， 得出了简化系统的特征频率方程式 4 。 ㈩ 式中 ＆ 广 _ 固有频率； 。 一柔度系数。 通过对式 4 的展开化简， 将化简中关于 ⋯的系数相 等， 得式 5 ∑ 十 5 ‘ l 1 2∞ 3 0 9 n 根据邓克莱法， 滚轮轴基频 远低于高阶频率， 所以式 5 可简化为关于计算基频的方程式 6 ∑ 6 l ‘ l 根据式 6 计算出滚轮轴的横向基频大小为 2 0 5 6 ． 5 2 6 6 H z ， 气动 旋扣 钳使用 的 电机额定 转速 为 9 8 0 r p m ／ m i n ，频率 为 1 6 ． 3 3 H z ， 滚轮轴不会发生共振。 4旋扣钳滚轮轴的有限元模态分析 模态分析是结构动力学分析的基础，用于确定滚轮轴的固 有振动特性网 。计算出的固有频率和振型是在工作环境中动态载 荷结构设计的重要参数19 1 ， 为研究旋扣钳在工作过程中滚轮轴产 生的振动现象以及滚轮轴动态特f生的优化设计提供了理论依据。 4 ． 1模型的建立与网格划分 以气动旋扣钳为例，在模态分析前应建立模型，所以通过 An s y s 软件建立滚轮轴的实体模型 ， 为了有便于有限元软件的计 算， 对滚轮轴做适当简化 ， 去除不必要的倒角、 螺纹孑 L 、 圆角等特 征， 材料属性设置为 弹性模量为 2 e l 1 ， 泊松比为 0 ． 3 ， 密度取 7 8 0 0 k g ／ m。 。 通过采用梁单元 b e a m1 8 8对滚轮轴模型划分网格 ，因为 b e a m1 8 8 梁单元是三维线形有限应变梁单元 ， 该单元是基于铁木 辛哥理论 横向剪切应力在截面是不变的， 变形后的横截面保持 平面不发生扭曲 ， 梁的截面形状可以由实体的形状来定义大小 ， h e a m1 8 8的每个单元上有两个节点，每一个节点有 6 个 自由度 ， 能够满足不同振动计算的要求 ， 通过设置不同的横截面， 模拟不 同截面的轴结构。 图 4滚轮轴 网格划分示意图 F i g A Me s h i n g D i a g r a m o f R o l l e r S h a f t 如图 4 所示，使用 C o m mo n S e c t i o n对滚轮轴的各个截面进 行定义， 并且对定义的截面进行分号， 截面与单元用截面号 s e c t 关联，划分网格长度为 l m m。滚轮轴模型一共划分为 2 7 5个节 点 ， 2 7 4个梁单元 。 2 0 4 机 械 设 计 与 制 造 NO ． 11 NO V ． 2 0l 4 从测试结果知 3 1 9 MP a ， 2 3 -- 0 ， 得 o - 4 3 1 9 2 2 0 MP a ， 超 出了材料的屈服极限， 该部位的结构强度不足， 应对其进行改进 。 4改进方案 由于受力最大的地方主要集中在起吊架部位 ，起吊架是管 状结构 ， 其尺寸为 5 0 x 4 。 在所受拉力不变的情况下， 增加受力面 积可以使应力变小， 故增加管的壁厚， 可提高强度和刚度_蚓 。 因此， 在加载方式不变的前提下， 在有限元分析中改变起吊架的壁厚重 新求解 ， 应力如表 3 所示。 表 3不同尺寸的车架应力分析数据对比 T a b ． 3 Th e Da t a Co n t r a s t o f t h e Di ff e r e n t Siz e s o f t h e F r a me St r e s s An a l y s i s 起吊架直径不变，壁厚从原来的4 m m改为9 ram后， 4倍自 重起吊时的有限元分析结果 ， 最大应力值为 1 4 5 ．7 0 M P a 小于屈服 极限， 符合结构设计要求 ， 如图6所示。 图6改进后车架在4 倍自 重起吊下的应力云图 F i g ． 6 Th e S t r e s s Ne p h o g r a m o f I mp r o v e d F r a me W h e n W i t h s t a nd i n g F o u r T i me s I t s Own W e i g ht 5结论 首先在移动式空压机车架进行设计时应用有限元分析手 段， 结合电测试验 ， 对其应力较大部位进行测试分析， 结合企业标 准 ， 找到一个有效节约样机开发成本 的设计 、 分析与改进的方法 和手段。通过有限元分析与电测试验验证， 对该车架应力较大部 位进行改进， 即在其直径不变的前提下， 通过增加其厚度来提高 薄弱环节的的强度， 对比改进前后的有限元分析结果， 表明改进 后的车架薄弱环节应力分布趋于合理， 符合设计要求。 参考文献 [ 1 ] 尹辉俊． 黄贵东， 黄昶春．重型自卸车车架早期断裂原因分析的研究 [ J J ． 汽车工程 ， 2 0 0 6 ， 2 8 1 2 1 1 3 3 1 1 3 5 ． Y i n Hu i - j n n ， H u a n g G u i - d o n g ， H u a n g C h a n g c h u n ． A s t u d y o n t h e c a u s e o f p r e ma t u r e r u p t u r e o f h e a v y d u m p t r u c k f r a me l J J ． A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 6 ， 2 8 1 2 1 1 3 3 1 1 3 5 [ 2 ] 张胜兰 ， 严飞． 基于 H y p e r Wo r k s 的车架模态分析 [ J ] ．机械设计与制造 ， 2 0 0 5 4 1 0 1 1 ． Z h a n gS h e n g l a n ， Y a nF e i ．T h e a n a l y s i s f o r t h e mo d a l s o f f r a me b a s e d o n h y p e r w o r k s [ J ] ． Ma c h i n e r y De s i g n＆Ma n u f a c t u r e ， 2 0 0 5 4 1 0 一 l 1 ． [ 3 ] 董学勤 ， 辛勇 ， 杨凡． 基于 H y p e r w o r k s的汽车 车架有 限元 建模及 刚度 分析l_ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 8 ， 2 7 7 9 0 5 9 0 8 ． D o n g X u e - 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x i n ， S h i J i a o q i ， J i n Ye ．I n fl u e n c e o f ma k e U p t o r q u e o n t h e C o n n e c t i n g S t r e n gth o f r o u n d t h r e a d c a s i n g [ J J ．N a t u r a l G a s I n d u s t ry， 2 0 0 5 ， 2 5 2 8 7 8 9 ． l 6 ]W．T ．T h o ms o n ， v i b r a t i o n t h e o ry a n d a p p l i c a t i o n ， 2 n d p ri n t i n g ， P r e t i e e Ha l l ， I n c ， En g l wo o d Cl i ffs ， NJ ， 1 9 6 5 ． 【 7 ]S ．T i m s h e n k o a n d D ． H y o u n g ， V i b r a t i o n P r o b l e m s i n E n g i n e e ri n g ，3 r d Ed i t i o n， D， wa nNo s t r a n dCo ． ， I n c ． ， Ne wYo r k， NY， 1 9 5 5． [ 8 ] 陈国荣， 唐绍华．汽车驱动桥桥壳强度与模态的有限元分析C J ] ． 机械设 计与制造 ， 2 O L O 2 4 2 4 4 ． C h e n G u o - r o n g ， T a n g S h a o - h u a ． F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s o f s t r e n g t h a n d mo d a l o n a u t o mo t i v e d r i v e a x l e h o u s i n g [ J ] ．Ma c h i n e r y D e s i g n＆Ma n u f a c t u r e ． 2 0 1 0 2 4 2 4 4 ． [ 9 ] 刘正浩， 尚利． 卧式加工中心模态分析与测试I J 3 ． 机械设计与制造， 2 0 1 4 3 3 0 - 3 3 ． L i u Z h e n g- h a o ， S h a n g L i ．Mo d al a n aly s i s a n d t e s t o f t h e h o ri z o n t a l ma c h i n i n g c e n t e r [ J．Ma c h i n e ry D e s i g n Ma n u f a e t u r e ， 2 0 1 4 3 3 0 - 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