基于有限元的绕线机主轴箱的振动模态分析

    2模拟结果及分析
   
    21振动模态
   
    图3 -图6分别给出了第1阶、第2阶、第5阶和第10阶的绕线机主轴箱的振动模态。由图3一图6可见，当发生共振时，各阶的振动模态是各有特点的。第1阶振动模态，主要表现在主轴箱的+x方向壁面向外弯曲，方向后壁面向外拉伸;第2阶振动模态主要表现在、方向后壁面向内拉伸;第5阶和第10阶振动模态表现为一方向的两个壁面产生严重的波浪形变扭动。第1阶振动模态是绕线机主轴箱开发设计最为关心的振动模态，从图3可见，发生第1阶共振时，变形相当严重，特别是、方向后壁面向外弯曲。变形轻微时将导致4个工位所绕线圈品质不稳定，或者影响所绕线圈的每匝间距，甚至影响到线圈的排列次序;当变形严重时将产生严重的附加动载荷，从而影响转轴的疲劳强度和使用寿命。
   

    2.2定量分析
   
    本文所研究的主轴箱的最高转速为12000r/min，其工作频率为200Hz。在绕线机的开发设汁过程中，基频通常需要保证10倍左右的冗余，因为设备工作时存在一些不确定的因素，如各主轴间采用同步带传动，由于齿距的误差引起的振动，其频率有可能远高于其转动频率。考虑工作频率和安全冗余后，主轴箱的第1阶固有频率需要在2000Hz以上，而本文的模拟结果显示，第1阶到第4阶的固有频率均在2000Hz以内，所以主轴箱在设计的最高工作转速下可能发生严重的共振，这是本文研究所得到的一个结论。
   
    图7和图8给出主轴箱各阶的固有频率和变形比例。由图7可见，第1阶到第4阶固有频率介于1323-1860Hz之间，小于2000Hz。考虑到设备能稳定安全地工作，必须降低设备的工作转速，维持10倍的安全冗余时，主轴转速需要降低到7938r/min以内，才能避免第1阶共振。如果要提高绕线机的工作转速，则必须进一步提高主轴箱基频，再重新设计主轴箱结构后，采用COSMOS重新进行分析，使得第1阶共振频率在2000H:以上。由此可见，基于有限元方法的COSMOS软件适合于绕线机主轴箱的振动模态分析，是产品开发过程中必不可少的工具。由图8可以看到，并非每个振动模态的变形比例都是一致的，某些振动模态产生严重的主轴箱变形，某些振动模态产生较为轻微的变形。严重的振动模态为第1阶、第5阶、第8阶、第9阶和第10阶，其变形比例分别为1.31%，2.23%，1.69%，1.37%和2.23%。最为轻微的振动模态为第3阶，变形比例为0.1%。
   

    3结论
   
    采用基于有限元方法的COSMOS软件分析了某一绕线机主轴箱的振动模态，得到了以下结论:
   
    (1)绕线机主轴箱的前10阶振动模态各具特点，第1阶、第5阶，第8阶，第9阶和第10阶相对变形比例较大，均超过1.3%，其中第1阶固有频率为1323Hz，变形比例达1.31%。
    (2)绕线机设计最高工作转速为12000r/min，而考虑10倍的安全冗余时，其主轴箱基频需在2000Hz以上，主轴箱前4阶固有频率均小于2000Hz，所以要保证设备稳定安全地工作，需要把工作转速降低到7938r/min以内。
    (3)基于有限元方法的COSMOS软件适用于绕线机主轴箱的振动模态分析，是产品开发设计的有力工具。