[发明专利]基于动态约束组合调适的锭轴频率特性改型优化方法

说明书

本发明涉及一种基于约束动态组合调适的锭轴频率特性的改型优化方法，在锭轴系统主体结构不改变的情况下，在锭轴系统高速旋转的状态下，改变锭轴系统约束状态，达到改变锭轴系统固有特性，拓展锭轴系统工作区间。该方法依据不同约束下锭轴系统固有频率值的特点，通过对这些约束在某频率区间进行动态组合和调适，避开一些频率阶值，使得原约束状况下，由于存在共振点不可能达到的更高工作频率区间，由不可用变得可用，同时对不同约束的复杂锭轴系统，通过调适区间进行高速旋转过程中的约束改变，在不改变锭轴系统主体结构情况下，拓展工作区间，提升工作性能和优化效益，对类似复杂转子系统工作性能提升和在实际应用改型优化具有借鉴和指导意义。

技术领域

本发明属于机械工程技术领域，具体涉及一种基于动态约束组合调适的锭轴频率特性改型优化方法。该方法通过复杂转子系统约束的动态调适来拓展其工作频率或速度范围。

背景技术

复杂长臂转子系统是一些先进装备或机械设备的常见关重件，常在高速旋转状态下工作。如，纺丝装备卷绕头的关键件——锭轴。此类机械装备设计中，最为关键的是结构复杂的转子系统的固有频率特性的计算和改型调整，该转子系统的固有频率特性直接决定着整个设备的工作区间和性能优劣。

高速旋转机械系统，尤其是工作在高速工况下的复杂转子系统，其约束的动态调适，还没有看到相关的计算分析和应用实施。在与此类工作在高速区间的复杂转子系统相似的研究文献中，涉及到的研究工作主要是围绕动力学稳定性相关的研究和优化，如：孔越等基于对卷绕头槽筒的参数化建模与模态分析，调整了槽筒的质量分布，降低了槽筒共振可能，并获得了其高速稳定的动力性能；万蕾采用数值模拟方法，对高速卷绕头进行了细致分析，得到了卷绕头振动的原因，提出采用技术弥补措施和选用对称性零件可以消除振动；Boyes,R.H.对卷绕头机械的控制系统进行了研究，通过可编程系统解决了卷绕头在变速过程中的控制问题。

孙翠莲等借助于CAD/CAE集成技术，对所建立的卷绕头锭轴模型进行了参数优化设计，通过选取合适的锭轴长径比，使得固有模态最大幅值位于支撑轴的左端，即电机驱动传递芯轴的位置，或者位于锭轴卷绕外轴的末端，从而减小了锭轴结构损坏的风险，取得了优化设计的效果；李勇等通过在卷绕头支撑套筒与轴承连接位置增加阻尼橡胶材料，改进了卷绕头的振动性能，减小其共振时的最大振幅。这些工作都对该类系统性能的提升或工作区间的拓展做了很好的工作。以上所做的研究，都是针对整个工作过程中约束和结构确定的转子系统。但实际工程中，装备在启动、停止、甚至运行过程中，其整体结构形式、质量分布以及其约束形式，都可以因为具体需要设计成动态可变的，即在某些时间点上可调整或发生变化。目前在减少和消除高速复杂转子系统，如锭轴，在工作过程中的共振现象，同时提高和拓展其工作频率范围，是长期以来该类设备的工程师们一直不断挑战的一个课题，也是该类设备性能不断得到提升的一个重要指标。

以纺丝机械卷绕头锭轴为例的典型复杂转子系统，其悬臂结构较两端支撑结构，低频区和高频区都相对集中在低值和高值部分，具有相对宽范围的无共振区，为转子系统高速稳定的绕丝工作提供了一个相对宽的频率区间或转速区间，而且可能达到的最高频率或转速也比较高，最高可以达到15000r/min。但随着材料性能和机械系统工艺、控制系统等方面性能的不断提高，加上人们对自动化车间工作效益的不断追求，以前的工作区间已经再次受到挑战。而作为设计相对成熟和合理的悬臂式高速复杂转子系统，如想通过调整和改进本身结构来拓展工作区间，可做工作的难度大，效果小。而唯一能大幅度调整系统频率特性的方法只能是改变约束。但在可能的约束方式中，虽然简支约束在更高的频率区存在非共振区，但很难逾越前期的中频段区，也就是系统在不断加速的过程中，达到和越过中频段区时，无法逃避掉可能产生的多个频率共振点。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种基于不同约束动态组合调适的锭轴频率特性改型优化方法，该方法能够对典型高速工况下的复杂转子系统的工作区间拓展达到30％左右。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：