绕线机主轴箱的振动模态有限元分析研究

　　本文探讨研究了绕线机主轴箱的振动模态有限元分析相关内容。

　　为研究绕线机主轴箱的振动特性，采用基于有限元方法的COSMOS软件对绕线机的主轴箱进行了模态分析，模拟了主轴箱前10阶固有频率和对应的振动模态。模拟结果发现，第1阶固有频率偏低，为1323 Hz，模型不同部位的变形比例达1.31 %;此固有频率极大地限制了绕线机工作转速的提升。另外，采用基于有限元方法的COSMOS软件是分析绕线机振动特性的可行方法。 绕线机是用于绕制各类线圈(如电磁线圈、电机转子、数码产品用线圈等)的电子专用设备。随着电子电器工业的发展，线圈的需求量越来越大、品种也越来越多，从大型的电力变压器、牵引电机绕组到充电用的微型线圈、节能灯具用线圈，以及各类电子设备。目前，发达国家生产的绕线设备已基本实现自动化、智能化，其中以日本、意大利、美国、德国生产的绕线设备最为突出，其绕线机主轴转速已经达到40000r/min;典型的高速绕线机如日本日特公司生产的132AR多工位自动绕线机，最高转速为20000r/min，其绕制精度和可靠性都处于世界领先水平。

　　在国内，国产绕线机目前仍以单机生产为主，在高速性、绕制精度、可靠性等方面与世界先进水平差距较为明显，现阶段国产绕线机大多还工作在6000r/min以内，如此低的工作转速，极大地限制了国内加工的效率，大大增加了单位能耗和时间成本。要提高绕线机的工作转速，绕线机主轴箱体振动的测量和共振模态分析是非常重要的基础研究工作;而国内在这一领域的研究尚处于起步阶段。根据笔者的检索，浙江工业大学王毅研究了基于虚拟仪器的自动绕线机箱体振动特性在线检测，空军第一航空学院李是研究了FDY型绕线机转子的振动特性，另外尚无研究绕线机主轴箱振动特性的文献。相近的研究主要集中在绕线的控制上，包括绕线精度的控制和张力的控制。西北轻工业学院的陈掸娟研究了偏转线圈垂直绕线机的数控改造方案及技术关键，给出了简单方便的垂直线圈绕线程序的编制方法;西安理工大学刘小勇等研究了一种基于PC-PLC控制的数控绕线系统。

　　本文采用基于有限元方法的COSMOS软件对某企业开发过程的某一型号的绕线机主轴箱进行了振动特性研究，分析了其共振模态和变形系数，为主轴箱的结构设计和改进提供了重要参考。

　　1计算模型和方法

　　1.1计算模型

　　本文计算的几何模型如图1所示，其计算网格采用非规则网格，如图2所示。本绕线机为4轴绕线机，卧式，水平排列，同步带传动，工件回转式，具有自动绕线、自动缠头、自动夹线、自动剪线的功能;可实现端子垂直和水平两个方向的自动缠绕。适绕骨架最大外径30mm，最大排线行程50mm,适绕线径范围0.02-0.33mm,最高主轴转速12000r/min;主轴定位精度0.36;最大位移速度250mm/s;二轴轴向最大行程 30mm;y轴轴向最大行程70 mm;z轴轴向最大行程50mm。主轴箱为便于主轴的安装和调试，采用敞口形式，材料选择HT250。

　　1.2计算方法

　　COSMOS软件是美国SRAC公司的产品，它采用成熟的快速有限元算法，具有计算速度快、分析功能全面、计算结果准确可靠等优点。COSMOS的主要功能包括:

　　(1)应力分析，主要分析零件的强度。确定零件是否符合安全标准、在应力作用下是否会发生失效。(2)频率分析，分析结构的振动。确定零件或装配体的造型与其固有频率的关系，从而判断工作时是否发生共振。(3)热分析，主要确定零件是否会过热。分析热量在整个装配体中发散规律。(4)非线性分析，用于分析橡胶类或者塑料类的零件或装配体的行为，还用于分析金属结构在达到屈服极限后的力学行为。也可以用于考虑大扭转和大变形。(5)设计优化在保持满足其他性能判据(如应力失效)的前提下，自动定义最小量(质量、体积等)设计。

　　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。