振动摩擦焊机机架三维建模与模态分析 李鳌.pdf

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&VEHICLEENGINEERINGJuly2022
doi:.1673-
振动摩擦焊机机架三维建模与模态分析
李鳌,刘剑雄,曾家兴,万祥明,贾有东,刘建新
(650504云南省昆明市昆明理工大学机电工程学院)
[摘要]通过ANSYS仿真分析软件研究了振动摩擦焊接机机架在无阻尼状态下的固有频率和振型,讨论了共振可能
带来的机构变形、失效等问题。研究结果表明:外部激振频率在~Hz之间,高于振动摩擦焊机架阶的最高
2202606
固有频率Hz,因此不会发生共振,机架安全性不受影响,振动摩擦焊接机可以稳定安全地工作,机架设计合理。
65
[关键词]振动摩擦焊;机架;模态分析;共振
[中图分类号]TG.[文献标志码]A[文章编号]1673-3142(2022)07-0147-04
4398
引用格式:李鳌,刘剑雄,曾家兴,[J].农业装备与车辆工程,
,():-,.
2022607147149160
FrameDesignandModalAnalysisofVibrationFrictionWeldingEquipment
LiAo,LiuJianxiong,ZengJiaxing,WanXiangming,JiaYoudong,LiuJianxin
(FacultyofMechanicalandElectricalEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,
KunmingCity,YunnanProvince650504,China)
[Abstract]ThenaturalfrequencyandmodeshapeoftheframeunderundampedconditionwerestudiedbyANSYSsimulationsoftware,

220~260Hz,higherthanthehighestnaturalfrequencyofthevibrationfrictionweldingmachineframeofthe6thorder,65Hz,therefore,
resonancephenomenonwillnotoccur,
vibrationfrictionweldingmachinecanworkstablyandsafely,andtheframedesignisreasonable.
[Keywords]vibrationfrictionwelding;frame;modalanalysis;resonance
0引言利用ANSYS软件模态分析功能研究了机架的固有
模态和振型,为振动摩擦焊机的改进与优化提供借
振动摩擦焊技术是一种较为先进的焊接工艺,
鉴与参考[4-6]。
是在压力作用下,将2个待焊物体紧密地靠在一起,
交流电通过线圈产生电磁振动,驱动待焊工件往复1振动摩擦焊机结构和工作原理
运动,整个焊接过程伴随着摩擦和产热现象,当达
振动摩擦焊机总体结构如图1所示,主要由振
到设定的焊接深度时,相对运动停止并且在压力保
动板、弹簧、电磁铁、上下夹具以及机架和台面组
持下冷却凝固,完成焊接。这种焊接方式的优点是
成,并通过螺栓、螺钉等一系列紧固件相连接,构
频率高,振幅可以控制和调节,缺点是易产生环境
成一台完整的振动摩擦焊接机器。
污染,能焊接的工件面积小,产生的作用力不大,
23
适用于一些导热性差、热输入小的材料,如塑料等,4
5
不适用于金属材料的焊接[1-3]。
本文通过研究振动摩擦焊机机架模态研究了6
机架在无阻尼状态下的固有频率和振型,当机架受7
8
到的外部激励频率和自身固有频率接近时会引起共1
振,振动摩擦焊机受到的外部激励频率为电磁振动
频率,共振会引起机械结构遭受破坏进而失效。因
此要避免共振,

固有频率接近。本文以振动摩擦焊机为研究对象,
图1整机结构示意图
收稿日期:2021-05-
148农业装备与车辆工程2022年
工作时,交流电产生电磁力,进行往复振动,
带动一侧工件进行往复运动,而另一侧工件静止不
动,两个待焊件产生相对运动,发生振动摩擦焊过
程。通过对焊接时间、变形量等的控制,使得振动
摩擦焊接过程变得可控,得到实际需要的焊接面时
焊接完成。
2机架模态分析图2振动摩擦焊机导入ANSYS

模态分析是研究结构动力学特性的方法,研
究内容包括结构的模态振型、阻尼和固有频率,是
成熟地应用于动力学领域的技术。研究对象主要是
线性系统或者近似于线性的系统,将系统的振动微
分方程进行坐标变换,变为模态坐标下的分析问
题,可以求出所需要的模态参数。在ANSYS软件
中,模态分析主要是为了研究系统自由振动的表现图3振动摩擦焊机机架网格化
形式,
过模态分析得到。共振是系统受到的外部激励频率

和固有频率相近引起的,会造成机械结构变形和失
根据振动摩擦焊接机机架的实际工作情况与
效,因此产品机架的结构设计要尽量避免发生共振。
装配方式,起固定支撑作用部分在机架与地面的接
有限元领域模态分析的控制方程如式(1)。
触处,模态分析时需要在机架4个方管底部施加固
Mx
++CxKx=Ft()(1)
定约束。本次模态分析主要是为了求得振动摩擦焊
式中:M,C,K——质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;机机架自身的固有频率,振动视为无阻尼的自由振
x,x,x——加速度、速度及位移相应向量;F(t)——动,因此不需要添加其他的外载荷。约束设置如图
N维激振力。4所示。

在SolidWorks中建立振动摩擦焊机的三维模
型,机架主要由方管和角铁焊接而成。为了提高模
态分析的运算速度,对模型进行了一系列简化:机
架材料被认为是各向同性,密度分布均匀,且焊
接对机架整体性能影响都忽略不计;将焊缝和各
部件看成一个整体,各种装配所用的孔忽略不计;
删除一些螺栓、螺母和螺钉等对模态影响很小的图4约束设置
零部件。
ANSYS软件,材料参数的设定:
钢作为机架材料,其弹性模量为210GPa,密度为根据振动摩擦焊机的实际工作情况,低阶振
,,屈服极限为235MPa。动对结构的动态特性影响较大,本文提取非0的前
6阶模态振型和频率进行分析,研究自身固有频率
对Mesh选项进行设定,用于进行合适的网格划
和外部激励频率是否会产生交集。前6阶机架的振
分。在“Sizing”下将“RelevanceCenter”项设置
型云图如图5所示,机架的固有频率及振型见表1。
为“Fine”,“Smoothing”项设置为“High”,“Span
从振动摩擦焊机架模态分析前6阶固有频率的
AngleCenter”项设置为“Fine”,其余取默认值。
模态振型结果可见,在实际摩擦振动的过程中,波
将振动摩擦焊机三维模型导入ANSYS并划分网格
动和扭转是机架主要的变形形式,机架的刚度和强
结构分别如图2、图3所示。
度对振动摩擦焊接机的性能有重要影响。
第60卷第7期李鳌等:振动摩擦焊机机架三维建模与模态分析149

(mm)
(a)(b)(c)
(d)(e)(f)
图5机架的振型云图

(a)1阶(b)2阶(c)3阶(d)4阶(e)5阶(f)6阶
表1振动摩擦焊机架固有频率及振型幅,
。
vibrationfrictionwelderframe
模态分析结果可对振动摩擦焊机的设计提供
阶数固有频率/Hz振型参考,避免焊机摩擦振动频率与机架固有频率接近,
。实际设计的机架设备的固有频

率与电磁振动频率不会发生靠近,可有效避免共振。


机架左端沿Y轴向外扭转,
,
机架右端沿Y轴向内扭转
机架左端沿Y轴向外轻微扭转,确定机架前6阶频率与电磁振动频率不一致,从而

机架右端沿Y轴向内轻微扭转有效避免共振的发生,确保振动摩擦焊机能够稳定
安全地工作。根据振动摩擦焊接机实际工作情况,
机架前6阶固有频率在4~65Hz,且呈现依次
机架主要受电磁激振影响,激振频率在220~260
递增趋势。
Hz。将振动摩擦焊机机架受到的外部激振频率和
,表现为机架左端沿Y轴向
分析计算出的自身固有频率对比分析可以得出:机
外扭转,机架右端沿Y轴向内扭转;机架在第1阶
架前6阶的最高频率为65Hz,低于机架受到的电
,
磁激振频率,因此不会发生共振现象,对机架安全
主要表现为机架上端沿X轴扭转;第5阶振型和
性没有影响,可以稳定地完成振动摩擦焊接过程。
第6阶振型基本相同,都表现在机架左端沿着Y轴
向外扭转,机架右端沿Y轴向内扭转。这些都将4结论
导致机架发生变形,只是振幅不同,影响焊机实际
本文主要通过对振动摩擦焊机架进行模态分
焊接效果。第1阶振型和第2阶振型基本相同,振
析,研究了振动摩擦焊机机架的自身固有频率,并
,差别
通过是否发生共振判断机架设计是否合理。主要结
不大,振型云图表现在变形沿轴方向发生改变。
X论如下:

(下转第页)
160
160农业装备与车辆工程2022年
表3试验结果

方案OCV阀卡滞位置方案说明试验结果
1迟角腔关闭,进角腔最大开启进角腔充油,迟角腔泄油VVT偏差超理论值>10°CA;
该卡滞状态直接触发自学****故障码,能够早期识别;
2迟角腔关闭,进角腔部分开启进角腔充油,迟角腔泄油该卡滞状态与故障现象不符。
进角腔、迟角腔均充油,
3迟角腔极小开启,进角腔较小开启故障复现,异物消失,OCV阀可正常动作。
进角腔充油量>迟角腔
进角腔、迟角腔均充油,该卡滞状态下VVT角度能保持在初始位置,进气
4迟角腔较小开启,进角腔较小开启
进角腔充油量≤迟角腔相位自学****正常,精细自学****值正常。
正常状态:迟角腔完全打开,进角腔完全关闭
通过故障模拟验证,方案3当OCV阀迟角腔3制定措施、验证
极小开启,进角腔较小开启时进角腔、迟角腔均充经对标及措施验证,在发动机出厂热试、冷
油,进角腔充油量>迟角腔,此时VVT动作,自试磨合完成时增加OCV阀自清洗功能,可有效清
学****相位出现偏差,且<10°CA未达到报码条件[5],除异物[6],规避发动机装车前因OCV阀卡滞导致
失火故障复现。由此锁定问题是因为OCV阀偶发的相位学****偏差问题。
卡滞导致。4结语
,给问题排查带
结合故障现象,对OCV阀卡滞环节进行分析,来较大难度。在问题真正原因不能有效复现的情况
锁定在发动机热试、冷试磨合完成时。当整车下线下,通过失效模式分析,采用故障模拟的方法找到
首次启动发动机完成初始相位自学****记录的相位了问题原因,制定了规避措施。
值基于理论出现了5~6°CA的偏差,在后续车辆使参考文献
用过程中OCV阀中卡滞物清除,每个驾驶循环下[1]冯永超;王博;[J].汽
记录的自学****相位恢复到了正常值,此时与初始相车实用技术,2021,46(13):141-143.
[2]:Q/JLP
位出现偏差导致故障发生,如图3所示。031301-01-2020B[S].
[3]李一民,郝志勇,张志明,
发动机整车首次OCV精细研究[J].内燃机工程,2013,34(1):82-84.
装配及热试/动总自学
冷试装车下线相位阀动[4](OBDⅡ)的中国适应性研
下线点火学****作****究[D].长春:吉林大学,2019.
水温40℃水温65℃
罗秋萍温龙轩刘胜强等关于超调影响因素的研究
该阶段OCV阀学****一次每个驾驶[5],,,.VVT[J].
已处于卡滞状态循环学****小型内燃机与车辆技术,2019,48(6):21-27.
卡滞物清除[6]李文辉,杨春燕,陈礼明,
分析[J].汽车实用技术,2020,45(22):95-96,115.
图3OCV阀卡滞导致失火机理
(1986-),男,内蒙古人,主要从事发
动机开发工作。E-mail:******@
(上接第页)
149
模态分析结果显示:电磁激振频率在220~[2]吴辉,孙敏,[J].焊接技
术
260Hz之间,机架自身固有频率在6阶为65Hz,,2014,43(7):1-4.
[3]王颖,金辉,[J].
频率不会发生重叠,因此不会发生共振,证明振动机床与液压,2012,40(15):97-101.
摩擦焊机架设计相对合理。[4]毛雪杰,吴劲锋,徐延瑞,
经过分析,机架有些部位过于笨重,在满足机架抗振性能研究[J].农业装备与车辆工程,2020,58(9):37-41.
[5]凌旭,[J].农
不会发生共振的基础上,应适当减材,减轻机器的业装备与车辆工程,2021,59(1):50-53.
质量,节约材料,使设计更符合经济性与实用性。[6]刘磊,[J].农业装备
参考文献与车辆工程,2021,59(4):135-138.
作者简介李鳌(1996-),男,山东烟台人,硕士研究
[1]宋昌宝,矫震,林铁松,[J].焊
生,主要研究方向:现代新型装备研究开发。E-mail:
接,2011(10):7-10,69.
******@