黄学翾, 肖启瑞,王波群

(1.广州市地下铁道总公司运营事业总部 车辆中心，广东 广州 510000；2.广东机电职业技术学院，广东 广州 510515)

0 引言

重型工程设备中大转动惯量部件在高速旋转时有发生变形的可能，当转速与工作部件固有频率对应的临界转速接近时容易引起旋转部件的共振损坏，因此，在设计时应对这种危险工况进行分析计算。本文以某型车辆牵引台高速滚筒为例，进行旋转工况和静力及模态计算。

1 车辆牵引台高速滚筒有限元分析的处理

图1 车辆牵引台高速滚筒装配总成

车辆牵引台高速滚筒结构如图1所示，在导入ANSYS之前在CAD软件中进行适当的模型简化，采用Solid Brick 8node45实体4面体单元来对滚筒进行网格划分。模型单元划分结果如图2所示。网格划分后总单元数为14575，总结点数为29476。

图2 滚筒网格划分

位移边界条件为内部圆板内孔边缘节点的周向位移约束，载荷为工作转速形成的离心惯性载荷。

滚筒由电机经减速后驱动，滚筒额定工作转速为500r/min，施加转速引起的惯性离心载荷，由额定转速可知旋转角速度：

在ANSYS软件中对上述角速度的处理为：以角速度(Angular Velocity)形式给滚筒加上旋转荷。

2 高速滚筒离心惯性力分析

对加载后的仿真模型进行求解可得到需要的滚筒的变形量及各应力云图如图3至图5所示。因为滚筒转动惯量大，高速旋转时主要受离心载荷作用，因此，需要重点校核该部件的径向位移和径向应力。

图3 滚筒径向位移云图

图3中为该滚筒应该校核的径向位移。有限元分析结果表明，在ne=500r/min高转速作用下，由于离心惯性作用，最大径向位移达到0.0374mm，对于一个直径达1000mm的部件来说是可以接受，表明滚筒在工作转速时刚性良好。

图4 滚筒径向应力云图

由图4和图5可以得到滚筒的最大径向应力和总应力分别为17.3MPa和15.8MPa。

图5 滚筒von Mises应力

径向应力与von Mise应力接近，表明该滚筒在调速离心载荷作用时主要应力都表现为滚筒的径向应力，符合滚筒工况实际。因此，工作滚筒旋转强度、刚度可满足设计要求。

3 离心惯性载荷作用下的滚筒模态分析

工程上对于高速旋转部件，存在一系列的固有频率，各频率对应一系列临界转速，如果滚筒常用工作转速与临界转速相接近，将引起很大的振幅，产生相应振型。会造成滚筒及整机的结构破坏。应借助模态分析计算该滚筒的固有频率与临界转速，分析结果列于表1中，列出前6阶的常用固有频率。临界转速由下式得到：

表1 细长轴前6阶固有频率

依次分析各固有频率对应的振型，如图6～图8所示。限于篇幅，仅列出前1、3、5阶的振型图示。

图6 滚筒1阶振型

图7 滚筒3阶振型

图8 细长轴5阶振型

由表1可知，滚筒最低临界转速约为966r/min，远高于其额定工作转速500r/min。所以，该机台滚筒在工作时不会发生共振，在工作转速范围内是安全可靠的。

4 结语

基于ANSYS对GM-500型车辆牵引台高速滚筒进行旋转载荷及模态分析，得到了该传动轴在500 r/min时的变形量和各种应力以及前6阶固有频率，最低固有频率对应的临界转速为966 r/min。分析计算结果表明，该滚筒具体要求良好的强度和刚度，额定工作转速较最小临界转速低许多。该计算 分析方法可以应用于同类转子结构的部件设计过程，在设计过程中即可校核大惯量旋转部件发生危险的可能。

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