138-基于动力学方法的轮式喇叭嘴工作装置振动噪声分析

基于动力学方法的轮式喇叭嘴工作装置振动噪声分析陈哲吾1，陈文1，郭海保2中烟机械技术中心上海；2.西门子工业软件（北京）有限公司北京）摘要：轮式喇叭嘴是烟草机械中重要的一环，其性能的好坏直接决定了最终和出烟效率和成烟品质。为了提高出烟效率，需要提高整体速度，但较高速度容易引起系统的较强的振动和噪声。本文中介绍了一种创新的轮式喇叭嘴式烟机工作装置，运用LMSTest.Lab对现有装置进行振动噪声的测试，同时运用LMSVirtual.LabMotion进行工作装置建模分析，并基于LMS动力学系统级振动噪声方法进一步运用LMSVirtual.LabNVM进行振动噪声分析。关键词：烟草机械；轮式喇叭嘴；Test.Lab；Virtual.LabMotion；Virtual.LabNVM引言效率和性能是烟草机械非常关注的内容。如何在提高题效率的同时，不降低烟机性能，这是非常重要的。在现有产品中，为了保证效率，通常是运用降低运行速度的方法来保证烟机不产生较大的振动和噪声，相当于为了保证性能而牺牲效率。本文中介绍了一种适用于高速运转的轮式喇叭嘴工作装置，其能有效提高烟机的工作效率。但在实际使用过程中，仍然会出现振动和噪声的问题。本文运用了LMSTest.Lab对工作装置进行振动、噪声、机构传函、声传函等全面测试，发现了问题。并运用LMSVirtual.LabMotion建立轮式喇叭嘴动力学模型，并运用试验结果调校修正模型后，计算得到轮式喇叭嘴运行载荷分步，并基于系统级振动噪声方法，在Virtual.LabNVM中进行振动噪声分析，从而找到问题根源，并得到解决。由于项目实际内容工况较多，本文仅作部分描述。2.工作装置测试项目中对工作装置进行全面的测试，包括振动响应测试、噪声测试、机构传函测试、声传函测试等。部分测试结果：不同转速下的噪声测试结果400rpm噪声值600rpm噪声值700rpm噪声值800rpm噪声值加速工况噪声值加速工况噪声colormap整体振动响应测试振动加速度colormap整机传函测试结果X向传函Y向传函部件模态测试结果一阶模态三阶模态由于篇幅原因，仅展示部分测试结果。不作过多展示。通过测试，发现，在稳定转速时，3483Hz位置存在一个较大峰值，在800rpm时524Hz位置峰值突现。同时在加速工况时，778rpm时出现明显峰值。同时，在加速工况中，无论是噪声值还是振动加速度响应，都存在一个贡献较大的阶次40阶。3.工作装置动力学建模分析通过测试结果发现，系统在稳定转速的某个转速及加速过程时均出现了振动噪声问题，为了寻找问题的根源，需要建立完整的喇叭嘴工作装置动力学模型。轮式喇叭嘴工作装置涉及内容较多：带传动、齿轮传动、轴承、接触等，需要在动力学模型中进行详细考虑。齿轮系建模：在LMSVLMotion中有专业的齿轮系建模模块，齿轮与齿轮之间通过定义GearContact力：齿轮系及接触模型带轮系建模在轮式喇叭嘴工作装置中，是运用电机通过带传动的方式进行转速传递的，而带传动链的工作状况是振动问题一个根源，因此，需要对带传动系统进行建模，从而分析带轮系统对振动的贡献。运用LMSVLMotion中专业的带齿建模模板，可以对带齿及带轮进行详细的建模分析。带轮模型装置动力学刚柔耦合建模通过对子系统的建模，运用子机构方法将其导入到总装动力学模型中。同时总装模型需要进行详细建立，包含各约束关系，轴承，支架，底座等，对整体性能有影响的局部构件需要进行柔性化处理。总装模型建立完整的总装模型后，可以进行基于试验工况的性能分析，包含稳定转速，加速工况等。同时，需要针对之前的测试结果进行模型调校工作，例如：利用测试传函进行模型修正，利用振动响应数据进行模型调校，同时利用测试盘片模态结果修正仿真柔性体中的有限元模型相关性分析，通过以上修正，就可以得到比较精确的仿真模型。具体的模型调校方法和调校过程，内容较多，在此不作进一步详细描述。通过调校后的动力学建模，可以进一步进行详细性能分析，包括加速度响应、位移特性、摆角特性等分析结果：底座法兰某加速度计Y向振动响应瀑布图刀头1振动位移刀头1振动摆角齿系某齿接触力中间齿轮时变刚度底座法兰某载荷瀑布图通过动力学计算的载荷边界，可以进一步进行振动噪声分析。4.系统级振动噪声分析基于LMSVirtual.Lab集成平台，可以非常方便进行动力学和振动噪声的分析。当建立振动噪声模型时，也需要作模型的调校工作，例如传函的调校、有限元模型相关性分析，在此，也不作详细描述。基于VLMotion计算得到的载荷边界，可以直接无缝转入到VLNVM中，进行强迫响应计算，进一步基于振动响应进行声学分析。强迫响应计算结果基于强迫响应结果得到声响应分析通过声响应结果，可以发现，很好地复现了测试结果。进一步，需要分析产生的原因，及提出修正方案。5.结果分析及改进方案通过计算结果，可进行基于振动响应或噪声响应进行模态贡献量分析。贡献量分析得到相关频率对应的模态对应频率模态模板贡献量分析通过分析，可以知道，主要声辐射在778rpm，对应频率520Hz左右（阶次40），对应关键贡献面板为支架面板，对应结构模态贡献基本集中在第七阶模态。因此，初步的改进意见为：结构方面通过修改支撑方式激励方面需要修改带齿传递参数由于带齿传递修正涉及的层面较多，不仅是安装层面，同时涉及供应商问题。因此，本项目从仿真角度以结构修正举例修正效果。修改方案修改前噪声分贝修改后噪声分贝6.总结与展望总结：通过本项目，针对产品存在的问题，很好地运用LMS测试系统进行故障测试，及后期需要进行的模型修正用的相关数据测试，同时，运用LMSVLMotion和LMSVLNVM进行轮式喇叭嘴工作装置的动力学建模及修正和基于动力学结果的振动噪声分析。通过分析我们找到了问题产生的原因，并作初步改进，取得了我们不错的效果。展望：模型仍然可以进一步完善，基于LMS工具，可以进一步进行疲劳等分析。同时，仍然有许多工作在进行中，包括模型的进一步细化，方案的进一步确认等。本文仅对目前开展的工具做了应用介绍，将在项目后期逐步开展。参考文献：王福军.计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用[M]:清华大学出版社有限公司,2004.孙晓峰,周盛.气动声学[M]:国防工业出版社,1994.詹福良,徐俊伟.Virtual.LabAcoustics声学仿真计算从入门到精通[M]:西北工业大学出版社,2013.FujiwaraA,SakuraiN.Experimentalanalysisofscrewcompressornoiseandvibration[C].InternationalCompressorEngineeringConferenceatPurdue,PurdueUniversity,USA,1986:566-582.AndrewsR,JonesJ.Noisesourceidentificationinsemi-hermetictwin-screwcompressors[C].InternationalCompressorEngineeringConferenceatPurdue,PurdueUniversity,USA,1990:825-834.LAURENTG,MORADK,ENERGYD.Fieldapproachforlowandmediumfrequencyvibrationacousticanalysisofacarbodyusingaprobabilisticcomputationalmodel[R].SAE,2009.ANDRZEJP,TAGEB.Aninvestigationofthecouplingbetweenthepassengercompartmentandthetrunkinasedan[R].SAE,2007.SurkutwarY,PatelK,AmaraS,eta1.The