李 兵，張宏哲，李志勇，王秀珍

（鄭州市污水凈化有限公司，河南鄭州 450046）

0 引言

螺旋輸送機(jī)在運(yùn)行過程中的徑向力及摩擦力，對螺旋正常運(yùn)行具有一定的影響，是構(gòu)成螺旋刮蹭槽底或槽壁故障的主要原因。有軸螺旋在實(shí)際運(yùn)用中，運(yùn)行一段時(shí)間后會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致刮蹭槽底或槽壁，最終造成有軸螺旋輸送機(jī)出現(xiàn)故障。研究提出利用有限元仿真預(yù)判設(shè)備故障點(diǎn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，利用有限元軟件Solidworks 對有螺旋軸進(jìn)行靜載及負(fù)載狀態(tài)分析，得出有軸螺旋在不同激振頻率下的振型，通過振型變化判斷有軸螺旋在不同負(fù)載狀況下的狀態(tài)，推斷出有軸螺旋的故障點(diǎn)。

1 有軸螺旋有限元仿真理論分析

利用有限元軟件Solidworks 對有軸螺旋進(jìn)行模態(tài)仿真分析，通過對有軸螺旋自由模態(tài)仿真與約束狀態(tài)分析，然后驗(yàn)證有軸螺旋有限元仿真理論分析法的可行性。以下為有軸螺旋有限元仿真理論分析理論依據(jù)：

設(shè)系統(tǒng)各坐標(biāo)做同步諧振動，X=sin（pt+φ）式（2）：

式中 A=（A1A2A3..An）T

將式（2）代入式MK¨+kx=0，并消除sin（pt+φ），得到式（3）：

根據(jù)主振型的正交性：

由式（3）和式（4）可知：

其中，K 為剛度系數(shù)矩陣；M 為質(zhì)量矩陣；P2為系統(tǒng)固有頻率矩陣。

2 有軸螺旋光軸的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

圖1 測點(diǎn)分布

以FFT（Fast Fourier Transform，快速傅立葉變換）為基礎(chǔ)，采用結(jié)構(gòu)特性脈沖激勵(lì)法，又稱為錘擊法，設(shè)備使用流程簡單，易于操作，實(shí)驗(yàn)的核心在力錘撞擊螺旋產(chǎn)生激勵(lì)響應(yīng)，最終采集信號頻譜分析，因此錘頭的選擇尤為重要，錘頭材料主要包括鋼質(zhì)頭、塑料尼龍頭、橡膠頭等，根據(jù)有軸螺旋鋼性要求，采用鋼質(zhì)錘頭進(jìn)行激勵(lì)。

根據(jù)互逆性相關(guān)理論，先利用軟件根據(jù)現(xiàn)場螺旋的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并對螺旋主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元軟件模擬分析，根據(jù)各個(gè)葉片焊接位置以及振型分析，決定對螺旋劃分18 個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域共劃分6 個(gè)點(diǎn)，根據(jù)各點(diǎn)應(yīng)變量，了解有軸螺旋使用撓性變形情況，對設(shè)備維護(hù)人員提供理論指導(dǎo)，因此利用錘擊法對螺旋軸進(jìn)行激勵(lì)得到函數(shù)矩陣，共有144 個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)分布如圖1 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

圖3 相干曲線等信號和加窗后的時(shí)域信號

圖4 無軸螺旋光軸的模態(tài)振型

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用美國DP 公司信號分析系統(tǒng)及法國N-Modal模態(tài)分析系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖2 所示。

對各測點(diǎn)的頻響函數(shù)進(jìn)行總體平均，然后通過參數(shù)識別求出系統(tǒng)的固有頻率和振型。相干曲線、力譜、頻響函數(shù)、激勵(lì)信號和加窗后的時(shí)域信號如圖3 所示，無軸螺旋光軸的模態(tài)振型如圖4 所示。

3 有軸螺旋的模態(tài)分析

3.1 有軸螺旋的自由模態(tài)分析

根據(jù)有軸螺旋構(gòu)件的幾何尺寸條件，依據(jù)一定的簡化條件，對污泥氣化項(xiàng)目料倉螺旋軸建立了有軸螺旋構(gòu)件的有限元網(wǎng)格模型，并利用有限元理論計(jì)算了有軸螺旋的軸前四階自由模態(tài)固有頻率如圖5 所示。

通過觀察螺旋軸振型變形狀況及位移變化分布云圖得到：深色區(qū)域代表易變形區(qū)，表示此處易出現(xiàn)螺旋刮蹭槽底或槽壁，因此在設(shè)計(jì)及運(yùn)行過程中要對螺旋相配合構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少螺旋故障率。

圖5 前四階自由模態(tài)固有頻率

圖6 螺旋在工作狀態(tài)下主要振型

3.2 受約束螺旋模態(tài)分析

螺旋在工作狀態(tài)下主要產(chǎn)生以下振型（圖6）。

在工作狀態(tài)下，螺旋受到兩支撐軸承約束，由振型位移分布圖可知受約束部位容易產(chǎn)生變形，因此在實(shí)際工作狀態(tài)下，需要對螺旋兩端進(jìn)行固定，保證螺旋變形量小，減少螺旋故障。通過螺旋片振型分析，焊接區(qū)域?yàn)橐鬃冃螀^(qū)域，此處存在焊接殘余應(yīng)力，因此在設(shè)備維護(hù)過程中，需要定期檢查焊接區(qū)域狀況，提前預(yù)測螺旋故障。

4 結(jié)束語

（1）通過有限元仿真軟件對螺旋進(jìn)行模態(tài)分析，通過螺旋振型變化，能夠提前預(yù)判螺旋易出現(xiàn)故障的部位。

（2）通過對螺旋故障部位優(yōu)化為非標(biāo)螺旋設(shè)計(jì)提供了理論參考。