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基于SOLIDWORKS的动平衡设计仿真与优化

发表时间: 2017/11/29 作者: 汤海武 来源: 互联网
关键字: 动平衡 设计 仿真 优化 
机械传动中的动不平衡常常诱发机械系统故障。在阐述动平衡的基本原理,分析动不平衡产生原因的基础上,基于SOLIDWORKS和Simulation并结合实例,从设计的角度进行仿真与优化,进而探究改进措施。
 

    旋转机械是机械传动系统的重要组成部分,在国防和国民经济等众多领域中发挥着重要的作用。现代机械传动系统中,任何转子围绕其转动轴进行旋转时因受多种因素的影响,都会产生动不平衡,转子动不平衡是最常见的问题。这些动不平衡量常常诱发机械系统故障,导致机械设备产生振动、噪音及机械零部件的加速磨损和破坏。尤其对于高速旋转的转子,产生的机械故障更加明显,由于转子的不平衡而引起的故障占到机械设备全部故障的60%以上。随着工业生产的飞速发展,旋转机械逐步向大型化、高速化、精密化的方向发展,动不平衡使机械产生振动的问题也越来越突出,因此,有必要对旋转机械进行动平衡的研究。

1 不平衡的概念及危害

    不平衡按其机理一般分为静不平衡、偶不平衡和动不平衡。静不平衡也称静力不平衡(单平面不平衡),主要表现在转子中央平面内存在不平衡质量,使其质量轴线和它的旋转轴线不重合,但与旋转轴线平行,因此不平衡是发生在单个平面上,不平衡所产生的作用在两端支承轴承上的离心力是相等的,同向的。偶不平衡主要是转子的两端平面内存在质量相等、相位相差180度的不平衡量,导致其转子的质量中心线和旋转中心线相交于重心。动不平衡也称动力不平衡(双平面不平衡),是静不平衡和偶不平衡的随机组合。主要表现在转子的质量轴线与其旋转轴线不重合,既不平行也不相交,不平衡是发生在两个平面上,不平衡所产生的作用于两端支撑轴承上的离心力既不相等,向量的角度也不相同。

    动不平衡是各种旋转机械传动系统中最常见的故障。不平衡带来的危害使传动机械增加附加载荷,使设备和零部件产生振动故障,而且振动会随着运行时间的延长不断加剧。不平衡还会使旋转机械产生噪音,加速轴承的磨损,降低精度和可靠性,缩短机械使用寿命,严重时还可能会造成破坏性的重大事故。

2 动不平衡产生的原因分析

    在理想情况下,回转体在旋转和不旋转时,对其支承轴承产生的离心压力是一样的,这样的回转体是平衡的。但在实际应用中的各种旋转体,由于生产、加工等多方面的原因造成旋转体动不平衡。有设计方面的原因,如转子的结构设计不合理,键槽结构等转子本身形状不对称等容易产生的离心惯性力不能互相抵消而产生不平衡;有生产加工方面的原因,如机械加工精度的偏差,机械装配的误差,安装方法不当等产生不平衡;有转子材料方面的原因,如转子部件的材料成分不均匀、有内部气孔等产生不平衡;有使 动不平衡量。用方面的原因,如转动部件运行中由于腐蚀、磨损、转动件附着异物和结垢、热变形、脱落或产生碎块飞出等产生不平衡。这些原因产生的不平衡,主要是由于旋转机械转子的质量和旋转中心线不重合,质心不在旋转轴上所导致的。

    从上述分析可以看出,造成旋转机械不平衡的原因中有些是无法在生产制造时避免或减小的,但有些却是可以通过改进设计的某些结构参数来避免或减少的。

3 动平衡的基本原理和方法

    近年来,随着电子技术,计算机技术和传感技术的迅速发展,动平衡技术也得到了很大的发展。动平衡主要是对动不平衡回转体进行校正,通过在动平衡机上测试不平衡量的角度、位置和大小,然后根据所测得的数据在相应的位置上增加或减少重量来减小不平衡力,使旋转机械的转动接近或达到动平衡。通常,转子的平衡包括不平衡量的测量和校正两个步骤,平衡机主要用于不平衡量的测量,而不平衡量的校正则往往借助于钻床、铣床和点焊机等其他辅助设备,或用手工方法完成。

    转动机械在安装完成后都要进行动平衡实验,使旋转机械的动不平衡量控制在国标要求的范围内,这些方法都是在旋转机械生产安装后进行的。为了减少动不平衡,我们可以在旋转零件的设计之初就进行分析研究,合理优化,尽量减少转子的原始动不平衡量。

4 基于SOLIDWORKS的动平衡设计仿真研究

    以发电机转子为例,从设计的角度,运用SOLIDWORKS软件对产生动不平衡的转子进行动平衡仿真分析,并给出优化改进的建议。

4.1 转子产生动不平衡的原因分析

    由于转子部件由多个零件组成,转子的材料为铝合金,点火导条材料为延性铁,三个导条铆钉的材料为锻制红铜,组成整个转子部件的三种材料密度不一样,整个结构也不属于轴对称部件如图1所示,因此转子在旋转时必然会产生动不平衡。这就要求设计者在转子的设计阶段要考虑其在旋转过程中动不平衡的影响,尽量减少原始的动不平衡量。

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    图1 转子装配模型

4.2 减少转子在SOLIDWORKS中虚拟装配的冗余约束

    为了仿真分析,在SOLIDWORKS中建立如图1所示的转子装配模型,轴和轴承的虚拟装配,装配的关键是要尽量减少冗余约束,以及冗余约束对动不平衡的影响。先在SOLIDWORKS中新建一个Motion分析的运动算例,使用算例本地的配合添加约束,将转子,点火导条和导条铆钉运用刚性组约束视为一个整体,用点一线或点一面约束来代替转子与轴,轴与轴承的圆柱面与面的重合约束,尽量使运动算例中配合的冗余约束减少到零。

4.3 在SOLIDWORKS Simulation中设置转子的仿真参数

    在SOLIDWORKS Simulation中的转子上添加一个转动马达来模拟电机的驱动载荷,将马达的类型设为等速,转速设置为5000RPM;Motion中仿真分析的时间设为1秒;为保证该机构在运动仿真中有足够的采样精度进行结果曲线的输出,将运动算例属性中Motion分析的每秒帧数设置为150。设置合理的参数将会使Motion分析得到的结果图解曲线如图2所示,易于分析和观察。

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    图2 结果图解曲线

4.4 在SOLIDWORKS Simulation中进行仿真分析

    在Motion分析中进行计算,根据计算机的置不同,计算的时间可能长短不一,计算结束后,我们选取转子在转动过程中轴对起支撑作用的轴承进行受力分析。提取两端轴承基准点与基准轴重合装配关系的Y向(或z向即与转动轴线方向垂直的其它两个方向中的一个)反作用力作为输出项进行分析,由于转子材料密度不一致,构不对称,在旋转时因不平衡量所产生的离心力将传递到支承的轴承上,作用在轴承上的反作用力也会随时间发生周期性变化,如图2中的上图解4所示为优化前作用在转动轴垂直方向上的反作用力为一54N到54N之间周期变化。

4.5 在SOLIDWORKS Simulation中进行设计优化

    由于组成转子材料的密度是不可改变和控制的,我们就从转子的结构人手进行改进,如图1转子的大部分结构是轴对称的,只有底部的结构不对称。从转子部件的俯视图如图3所示,由于受转子旋转空间的限制,半径R不能改变,能够进行改变的参数只有图3中的角度,通过改变角度的大小来增加或减小图3中右边扇形阴影部分的质量,利用SOLIDWORKS的重建模型命令,使转子的模型质量随着角度参数的变化而改变,再在Motion分析中进行重新计算,就可得到一组因角度改变而生成的结果图解4(如图2中的上图解4是优化前角度改为50度时,作用在转动轴垂直方向上的反作用力在-54N和54N之间)和如表1的仿真分析数据组。通过对比这组数据,可以找到因动不平衡而作用在轴承上的反作用力最小时的角度值,如45度作为我们最终的优化设计参数。从图2的计算结果图解4中看到,当角度改变为45度时,仿真计算得到的作用在轴承上的反作用力只有2N,已经很小,符合国标的相关规定。

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    表1 仿真分析数据组

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5 结论

    通过上述仿真分析的结果表明,我们可以从机械设计的角度出发,在旋转机械转动部分的设计之初,利用SOLIDWORKS Simulation中的Motion分析功能,通过仿真计算,找到最优的设计参数,尽量减少因设计产生的原始动不平衡量,以达到减小和消除动原始动不平衡的目的。



责任编辑:郝秋红