DOI:10.13436/j.mkjx.2011.07.131 第 32 卷第 07 期 2011 年 07 月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol.32No.07 Jul. 2011 基于 ANSYS 的直线滚动导轨模态分析 徐 鹏， 王 年， 张 帅 （中国矿业大学 机电工程学院， 江苏 徐州 221116） 摘 要： 利用 Pro/E 和 ANSYS 对直线滚动导轨进行了三维建模与模态分析，得到了此结构的 模态频率和各阶振型。 分析了模态频率和振型对直线滚动导轨动态特性的影响。 为了提高结构的 动态刚度，可通过修改直线滚动导轨的结构，使低阶模态频率相应提高。 关键词： 直线滚动导轨； ANSYS； 模态分析 中图分类号： O242.21； TG502.3 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794（2011）07 － 0084 － 03 Modal Analysis of Linear Rolling Guide Based on ANSYS XU Peng， WANG Nian， ZHANG Shuai （College of Mechanical and Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China ） Abstract: 3D model of linear rolling guide was established by using Pro/E and modal frequency and modal shape was analyzed by using ANSYS． The dynamic characteristic of linear rolling guide affected by modal frequency and modal shape was studied. In order to improve dynamic stiffness of linear rolling guide, the lower frequencies can be increased through modifying the structure. Key words: linear rolling guide; ANSYS; modal analysis 0 引言 直线滚动导轨是现代机床中的重要部件，其动 态特性直接影响到机床的加工精度。 直线滚动导轨 是一种新型的作相对往复直线运动的滚动单元 ，能 △△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△ （10）在罐笼距离井底 168 m 内，制动器产生的 制动力矩应满足 Mz≥ERm/h=8 802×9.8 Nm 事故后， 游动卷筒侧罐笼在二级制动延时 2.53 s 内，制动器处于贴闸状态，由于其重力惯性作用，速度 由 0 增加到 22.37 m/s，滑至井底所需制动力矩最小为 8 802×9.8 Nm； 而二级制动后游动卷筒侧的制动器所 有制动力矩为 6 952×9.8 Nm，其差△M=1 850×9.8 Nm。 故游动卷筒侧罐笼下滑速度快，造成罐笼严重损坏。 4 结语 通过计算分析可知，在调绳齿轮离合器未发生 脱 离 的 正 常 状 态 时 ， 提 升 机 能 够 满 足 安 全 使 用 要 求。 按《煤矿安全规程》要求，实际静力矩产生所需 液压站松闸油压满足正常制动要求。 但在调绳齿轮 离合器发生脱离的事故状态下，固定卷筒负力矩突 增，负力矩大于制动力矩，导致罐笼向下加速运行； 游动卷筒在二级制动延时时间内，制动器处于贴闸 皮状态，在载荷的重力作用下，罐笼速度突增，产生 巨大的冲击能量，正常制动力矩小于消耗该能量所 需要的制动力矩，导致罐笼向下加速运行。 由此产 生了两侧罐笼加速下坠至井底的蹾罐事故。 参考文献： ［1］中国矿业学院. 矿井提升设备［M］. 北京：煤炭工业出版社，1980. ［2］戴瑞生. 矿山固定机械手册［K］. 北京：煤炭工业出版社，1986. ［3］顾永辉. 煤矿电工手册［K］. 北京：煤炭工业出版社，1995. 作 者 简 介 ： 李 小 明 （1965- ），湖 南 湘 乡 人 ，机 电 工 程 师 ，注 册 安 全工程师，毕业于湖南科技大学，现在从事机电安全管理工作. 责任编辑：于秀文 收稿日期：2011－01－04 已知游动卷筒变位质量 GjB=0.3Gj=3 450 kg，钢 丝绳变位质量 GkB=ρkL=3.55×640=2 272 kg， 人的变 位质量 QrB=4×70=280 kg。 变位重量 ∑GB=GjB+Gt+GkB+Qz+QrB=8 777 kg 变位质量 mB=∑GB/gn=896 kg·s2/m （2）产生的静力（取 HsB=305 m） -FB=Qz+QrB+ρkHsB=-3 588×9.8 N （3）假设游动卷筒在主轴上摩擦阻力为 500 kg， 实际负拖动力 Fh=-FB+500×9.8=-3 088×9.8 N （4）游 动 卷 筒 从 离 合 器 脱 离 后 ，由 于 惯 性 向 上 运行一小段距离后，速度为零。 计算紧急制动时忽 略此因素。 （5）罐笼带动游动卷筒由速度为 0 至二级制动 延时 t2=2.53 s 内的加速度 a=Fhgn/（-FB）=8.43 m/s2 （6）延时 2.53 s 后，罐笼的速度 罐笼下落距离 v=at=22.37 m/s SB= 1 2 at2=27 m （7）延时 2.53 s 后，制动器全部制动力矩施加。 μ=0.3 时，MzhB=Mzh=6 952×9.8 Nm （8）延时 2.53 s 后，罐笼具有的动能 （卷筒的变 位质量为 352 kgs2/m，即 0.3Gj=3 450 /9.8 kgs2/m） mBv2= 1 2 E= 1 ×（3 588+352）×22.372=985 821.3 J 2 （9）延时 2.53 s 后，罐笼距井底 h=195－27＝168 m。 84 

第 32 卷第 07 期 以 滑 块 和 导 轨 间 的 钢 球 滚 动 来 代 替 直 接 的 滑 动 接 触，并且滚动体可借助反向器在滚道和滑块内实现 无限循环。 比起传统的滑动导轨，直线滚动导轨具 有诸多优势，因此在现代数控机床领域得到了广泛 应用。 直线滚动导轨的滑块单元如图 1 所示。 2 1 3 5 4 图 1 直线滚动导轨滑块单元 1. 滚珠丝杠轴 2. 内滑块 3. 外侧轨道 4. 钢球 5. 球保持器 模 态 分 析 用 于 求 解 结 构 在 无 阻 尼 自 由 振 动 情 况 下的振 动 特 性 ，即 固 有 频 率 和 振 型 ，它 是 结 构 动 力学分析的基础。 由于固有频率和振型是系统的固 有属性，若直线滚动导轨作强迫振动时所受外界激 励的频率接近于固有频率， 则会引起共振和噪音， 严重影响机床的性能。 所以进行模态分析对全面了 解直线滚动导轨的动态特性，使其处于高效的工作 状态，具有重要的意义。 1 直线滚动导轨模型的建立 （1）直线滚动导轨 Pro/E 建模 Pro/E 是一个以特征造型为基础的实体建模工 具。 在 Pro/E 中的所有模型都可看作是多个特征叠 加而组成的。 首先在 Pro/E 中对直线滚动导轨建模， 模型如图 2（a）所示。 （2）直线滚动导轨模型简化 为了缩短分析计算时间，在将模型导入 ANSYS 之前，对模型进行了必要的简化。 ①删除次要零部件 丝 杠 两 端 轴 承 的 密 封 端 盖 以 及 滑 块 两 端 的 密 封端盖虽然承受一定大小的力，但并不是主要的研 究对象，为了减少计算量，将其删除。 由于导轨和丝 杠的变 形 是 影 响 精 度 的 主 要 因 素 ，因 此 ，可 以 将 两 端 轴 承 座 做 适 当 的 简 化 ， 并 删 除 其 两 端 的 联 接 螺 钉，用布尔运算直接将其相连。 ②删除微小的特征 倒 角 、螺 栓 、螺 栓 孔 等 这 些 微 小 的 结 构 对 分 析 结果 准 确 性 影 响 不 大 ，但 在 网 格 划 分 的 时 候 ，这 些 微 小 的 结 构 特 征 将 导 致 网 格 的 密 度 和 计 算 量 成 倍 增加，而计算的准确性却并没有得到太大提高。 由 于以上原因，也将其删除。 简 化 过 程 既 要 对 分 析 对 象 进 行 适 当 简 化 以 便 于计算，又要确保原始分析对象的主要结构力学性 能不发生变化。 最终，在 Pro/E 中简化后的模型如图 2（b）所示。 基于 ANSYS 的直线滚动导轨模态分析———徐 鹏，等 Vol.32No.07 （a）完整模型 （b）简化模型 图 2 Pro/E 中直线滚动导轨模型 将简化后的模型输出为 Parasolid 格式，再导入 ANSYS 中，定义各零件的材料基 本参数值 ，其中导 轨和滑块的材料均为 GCr15，各向同 性 ，介质均匀 ， 材料的密度为 7 800 kg/m3，弹性模量为 206 GPa，泊 松比为 0.3。 （3）直线滚动导轨网格划分 由于导轨是整个模型中的主要零件 ，其网格划 分的数量将直接决定整个模型的大小，因此采用扫 掠网格划分方法， 可以得到较规整的网格类型，同 时计算结果也将比较精确。 导轨的有限元模型和整 体的有限元模型如图 3 所示。 （a）导轨的有限元模型 （b）整体的有限元模型 图 3 直线滚动导轨的有限元模型 2 滚动导轨的模态计算及分析 在 模 态 分 析 中 ， 唯 一 有 效 的 载 荷 是 零 位 移 约 束。 根据直线滚动导轨的实际约束情况对导轨底面 的螺钉孔进行面约束。 同时考虑到模型复杂程度以 及效率问题选用 Block Lanczos 方法进行求解。 结构振动可由每阶固有振型的线性组合表示， 其中低阶振型较高阶振型对结构的振动影响较大， 低阶振型对结构的动态特性起决定作用。 因此，在 保证一定计算精度的前提下， 忽略某些高阶振型， 主要研究低阶振型。 前 6 阶模态参数见表 1。 表 1 前 6 阶模态参数 阶数 振型描述 频率/Hz 215.64 215.66 520.75 528.94 577.95 582.44 1 2 3 4 5 6 将模态扩展后， 在 POSTl 中观察求解的结果 ， 丝杠轴前后摆动 丝杠轴左右摆动 丝杠轴前后摆动 丝杠轴左右摆动 丝杠轴前后摆动 丝杠轴左右摆动 直线滚动导轨前 6 阶模态振型如图 4 所示。 NODALSOLUTION STEP=1 SUB=1 FREQ=209.054 USUM (AVG) RSYS=0 DMX=1.702 SMX=1.702 APR 22 2010 00:20:10 NODALSOLUTION STEP=1 SUB=1 FREQ=211.126 USUM (AVG) RSYS=0 DMX=1.706 SMX=1.706 APR 22 2010 00:02:00 0 .378 181 .756 361 1.135 1.513 .189 09 .567 271 .945 452 1.324 1.702 0 .379 105 .758 209 1.137 1.516 .189 552 .568 657 .947 761 1.327 1.706 （a）第 1 阶振型 （b）第 2 阶振型 85 

第 32 卷第 07 期 2011 年 07 月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol.32No.07 Jul. 2011 基于 ABAQUS 的桥式起重机箱形主梁模态分析 王玲娟， 张 丽 （宿迁学院， 江苏 宿迁 223800） 摘 要： 利用 ABAQUS 有限元分析软件，对桥式起重机偏轨箱形主梁进行有限元分析，得到 了桥架结构的固有频率和对应振型，且分析了增加加肋板对主梁的固有频率的影响,为起重机的设 计和改造提供了依据。 关键词： 桥式起重机； 有限元； 模态分析； ABAQUS 中图分类号： TH113 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794（2011）07 － 0086 － 03 Finite Element Modal Analysis of Overhead Traveling Crane Trunk Girder Based on ABAQUS WANG Ling-juan， ZHANG Li （Suqian College, Suqian 223800， China） Abstract: Finite element modal analysis of bias-rail girder in overhead traveling crane is conducted, natural frequency and vibration mode shape are extracted. The impact on the natural frequency of overhead traveling crane by adding stiffening plate is analyzed. It provides a theoretical basis for girder design and retrofit. Key words： overhead traveling crane; finite element; modal analysis; ABAQUS 0 引言 箱 形 截 面 的 板 梁 式 桥 架 是 我 国 生 产 的 桥 式 起 重机桥架结构的基本形式。 某公司设计的 20 t 起重 机， 在设计定型前需对主梁的振动模态进行分析 ， !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 和阻尼来抑制这些振动的影响； APR 22 2010 00:04:51 NODALSOLUTION STEP=1 SUB=3 FREQ=520.745 USUM (AVG) RSYS=0 DMX=2.108 SMX=2.108 APR 22 2010 00:04:10 NODALSOLUTION STEP=1 SUB=4 FREQ=528.939 USUM (AVG) RSYS=0 DMX=2.138 SMX=2.138 （2）要尽量避免频率与直线滚动导轨的固有频 率相 近 振 源 的 干 扰 ，防 止 发 生 共 振 ，减 少 直 线 滚 动 导轨的损伤，增加机床寿命与精度； （3）可 通 过 修 改 滚 动 导 轨 的 结 构 ，使 低 阶 振 型 的模态频率相应提高，以提高滚动导轨的动刚度。 3 结语 通 过 对 直 线 滚 动 导 轨 的 ANSYS 模 态 分 析 ， 得 到其各阶固有频率和振型，并对振型进行了分析说 明。 在不修改结构情况下，应遵循工作频率避免与 结构模态频率相重合的原则。 若要提高固有频率， 应改善它的结构刚度，可通过修改直线滚动导轨的 结构布局实现。 为了保证加工零件的高精度要求， 机床就要有良好的动态性能。 利用 ANSYS 有限元 软 件 进 行 模 态 分 析 ， 能 较 好 地 反 应 结 构 的 动 态 特 性，大大缩短设计周期，节约成本，为进一步改进结 构设计和深入研究提供理论依据。 参考文献： ［1］王富耻，张朝晖． ANSYS11.0 有限元分析理论与工程应用 ［M］. 北 ［2］高春花． 基于有限元法的 EBZ300 掘进机回转台模态特性分析［J］. ［3］徐起贺，孙健利． 滚动直线导轨副的结 构 特 点 与 性 能 分 析 ［J］. 机 京：电子工业出版社，2009. 煤矿机械，2009，30(6)：72-73. 床与液压，2002（3）：107-109. 0 .468 487 .936 974 1.405 1.874 .234 243 .702 73 1.171 1.64 2.108 0 .475 176 .950 352 .237 588 .712 764 1.188 1.426 1.901 1.663 2.138 （c）第 3 阶振型 （d）第 4 阶振型 NODALSOLUTION STEP=1 SUB=5 FREQ=577.953 USUM (AVG) RSYS=0 DMX=1.6 SMX=1.6 APR 22 2010 00:06:23 NODALSOLUTION STEP=1 SUB=6 FREQ=582.436 USUM (AVG) RSYS=0 DMX=1.618 SMX=1.618 APR 22 2010 00:07:21 0 .355 643 .711 287 1.067 1.423 .177 822 .533 465 .889 108 1.245 1.6 0 .359 474 .718 948 1.078 1.438 .179 737 .539 211 .898 685 1.258 1.618 （e）第 5 阶振型 （f）第 6 阶振型 图 4 直线滚动导轨前 6 阶振型 由直线滚动导轨振型图可知，前 6 阶振型变形 主要发生在丝杠轴上， 并且相邻振型两两相似，这 些相邻振型又具有相近的频率。 模态分析振型的大 小只是一个相对的量值，它表征的是各点在某一阶 固有频率上振动量值的相对比值，反映该固有频率 上振动的传递情况，并不反映实际振动的数值。 根据以上模态分析可知 ，直线滚动导轨的整体 刚度和质量分布较为均衡，薄弱环节主要发生在滚 珠丝杠轴上。 注意事项： （1）在 第 6 阶 之 后 出 现 了 一 些 局 部 振 型 ，应 加 以注意。 同时在以后的设计中可适当增加局部刚度 ［4］杜 圣 雨． 直 线 滚 动 导 轨 结 合 部 动 力 学 模 型 参 数 识 别研 究 ［D］. 武 汉：华中科技大学，2007. 作者简介： 徐鹏（1988- ），江苏连云港人，中国矿业大学在读硕 士研究生，机械设计方向，电子信箱：xupeng.919@163.com. 责任编辑：于秀文 收稿日期：2011－01－05 86