基于动态约束组合调适的锭轴频率特性改型优化方法与流程

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。

技术实现要素：

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：

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，其特征在于，该方法在锭轴系统结构不改变且在高速转动状态下，改变或添加锭轴系统约束，达到改变锭轴系统固有特性，拓展系统工作区间。

根据本发明，具体实现步骤如下：

1)锭轴系统固有特性的理论计算分析；

2)不同约束下锭轴系统固有特性区间的动态衔接；

3)对锭轴系统工作区间拓展效果分析；

4)约束动态调适的工艺流程和可行性分析。

所述的拓展系统工作区间有以下三种情况：

第一种，悬臂式锭轴工作在某确定区间时，自由端(悬空端)的端盖处动态施加顶锥，变悬臂约束为两端支撑约束，获得工作区间的动态拓展；

第二种，长套筒基座端带轴承的悬臂式锭轴，工作在某确定区间时，自由端端盖处动态施加顶锥，变带轴承支撑的悬臂结构为三约束结构；

第三种，悬臂式锭轴工作在某确定区间时，同时动态施加长套筒基座轴承和悬空端顶锥，变悬臂结构为三约束结构。

本发明的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，强调高速转动状态下对锭轴进行约束改变与频率区间调整，与现有技术在静态约束下通过对系统结构的修改和调整来拓展、提升复杂转子系统的工作频率区间的技术相比，具有以下显著的优点：

1)基于不同约束的固有特性，通过对这些约束进行动态组合，使得不论哪种约束组合，都要在较高转速下穿过若干共振点达到更高频率的工作区间，从而使原有高频段工作区间，由不可用变得可用。由此实现了复杂转子系统动态过程的改型优化。

2)通过对能形成调适区间的具有不同约束的系统，进行高速工作过程中约束的动态改变或组合，避免了中间频率对系统工作区间拓展的制约，提高了锭轴转子系统的工作转速或频率，提高了复杂转子系统的工作性能和在实际应用中的适应性，对复杂转子系统的改型设计和市场投放创立了方法基础和依据。

附图说明

图1是无丝饼锭轴结构线框图；

图2是无丝饼锭轴结构的实体照片；

图3是无丝饼锭轴方案3(带轴承和顶锥)约束下前2阶振型图(低频值和高频区最低值)第一阶振型图；

图4是无丝饼锭轴方案3(带轴承和顶锥)约束下前2阶振型图(低频值和高频区最低值)第二阶振型图；

图5是锭轴在原静态约束(方案0)及各约束动态组合方案(方案1，方案2，方案3)下各阶固有频率折线图；

图6是约束组合1的调适区间和调适前后的频率折线图，即：锭轴在动态组合1：方案0+方案2时的各阶固有频率折线图；

图7是约束组合2的调适区间和调适前后的频率折线图，即：锭轴在动态组合2：方案1+方案3时的各阶固有频率折线图；

图8是约束组合3的调适区间和调适前后的频率折线图，即：锭轴在动态组合3：方案0+方案3时的各阶固有频率折线图。

下面结合附图和实例对本发明进行进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明的基于不同约束动态组合的锭轴频率特性改型优化方法，在锭轴系统主体结构不变且在高速旋转的状态下，改变或添加锭轴系统约束，从而改变锭轴系统固有特性，拓展锭轴系统工作区间。

首先对锭轴系统在不同约束工况下的固有特性进行建模计算，分析各约束及约束组合状态下锭轴系统的固有频率分布特点，找到不同约束及约束组合下锭轴系统频率分布的差异和调适区间，并对调适区间进行合理衔接。基于计算分析结果，首先获得锭轴系统频率区间拓展的约束动态组合方法，随后对约束动态调适的工艺流程进行实地调研和可行性论证，最后再对由此带来的工作区间拓展效果进行计算。计算和分析结果表明，其对工作区间的拓展可以达到整个工作区间的30％左右，方法有效可行。基于以上计算和分析以及论证，提出了锭轴系统工作区间拓展的动态约束调适方法。该方法通过锭轴在高速运转过程中的约束调整，可以实现锭轴系统固有特性的改型优化，使其远离共振区，拓宽工作频率范围。

具体实现步骤是：

1)锭轴系统固有特性的理论计算分析；

2)不同约束下锭轴系统固有频率区间的动态衔接；

3)约束动态调适的工艺流程和可行性分析；

4)约束动态调适方法对系统工作区间拓展效果进行分析。

以下针对典型的高速旋转复杂长臂转子系统——卷绕头锭轴系统进行说明。图1和图2所示是某型号无丝饼锭轴系统结构图，主要包括长套筒、减震支撑、传动轴、后端盖、外套、纸筒、丝饼、支撑轴及基座等。

锭轴尺寸为：长(指锭轴外套筒长度)＝1500mm，直径(外套筒外径)＝110mm，涨紧后的纸筒内径＝125mm，锭轴长套筒外径＝92mm。

(1)锭轴系统固有特性的理论计算分析

借助ansys仿真软件，采用blocklanczos法求解。对悬臂式卷绕头锭轴系统，施加不同静约束后进行频率特性计算。不同静约束包括以下4种方案。

方案0：悬臂锭轴的原始状态，即锭轴约束为悬臂约束，一端固定，另一端自由。

方案1：锭轴固定端长套筒外部加一轴承，约束套筒在此处的径向自由度；

方案2：锭轴自由端端面中心处施加一顶锥，约束锭轴和套筒自由端的径向自由度和轴向自由度；

方案3：方案1和方案2叠加，即悬臂锭轴固定端套筒外侧施加一轴承，同时在自由端端面中心施加一顶锥。同时约束锭轴自由端径向自由度和轴向自由度，以及锭轴固定端外套筒径向自由度。

以上4种约束方案下，无丝饼锭轴固有频率计算结果如表1所列。振型图在此不多介绍，只选取无丝饼锭轴方案3约束下前2阶振型图作为图例，如图3、图4所示。

表1：无丝饼锭轴前10阶固有频率

图5为上述4种方案各阶频率变化的折线图。从表1和图5可以看出，悬臂锭轴在分别施加轴承、顶锥以及轴承顶锥叠加约束后，其频率区间较原悬臂锭轴均发生变化。悬臂锭轴在原悬臂约束(方案0)状态下，结构的中频段区间是[36，231](hz)，其间是无共振点的工作区。达到第6阶固有频率231hz时，易发生共振。施加其他约束后，其变化特点可分别描述如下：

①方案2中是在方案0的基础上添加了顶锥，悬臂锭轴低频区的最大值变大，由约36hz增大到55hz。高频区的最小值虽然变小，由原来的231hz减小到210hz，但高频区第二个最低值为302hz，远大于231hz。且高频区域变宽，由原来方案0的[231，304]hz拓宽到[210，431]hz，并涵盖了原高频区间。为了能将锭轴系统的工作频率拓展到接近302hz，就必须先后逾越或避开两个频率共振点：方案2中的210hz和方案0中的231hz。为此，在方案0和方案2的两个高频最低值之间可设立一调适区间：[210，231]hz。图6为这2种方案各阶频率变化的折线图，其调适区间如图中标示所示。在此调适区间内，可进行锭轴约束状态从方案0到方案2的动态改变，即对方案0状态下的锭轴系统，在保持其旋转的动态情况下，施加方案2中的顶锥约束，转子便可以绕过210hz和231hz两个频率值，一直提速到接近302hz。

②方案1是在方案0的基础上，在悬臂锭轴固定端外套筒外侧面施加了轴承约束。依据与上相同的分析方法，观察和比较方案1和方案0中锭轴系统的固有频率，在方案0和方案1的高频最低值之间同样可以设立一频率调适区间：[174，231]hz。图7为这2种方案各阶频率变化的折线图，调适区间如图中标识所示。在此调适区间内，在锭轴保持旋转的状态下，可将其约束由方案0的约束状态改变到方案1的约束状态，从而使得锭轴的工作频率可以一直提高到接近方案1中的257hz。

③方案3是在方案0的基础上，同时施加前面所说的轴承和顶锥。依据前述方法，观察和比较方案3和方案0中锭轴系统的固有频率，在方案0和方案3的高频最低值之间可设立一频率调适区间：[157，231]hz。图8为这2种方案各阶频率变化的折线图，调适区间如图中标识所示。在此调适区间内，在锭轴保持旋转的状态下，可进行锭轴约束状态从方案0到方案3的动态改变，从而使锭轴系统的工作频率可一直提高到接近293hz。

综上可推知，若设置如上调试区间，并在设置区间内动态改变锭轴约束状态，则不仅可以有效避开不同约束支撑情况下锭轴系统的高频共振点，最重要的是能够提高其工作转速，拓展锭轴结构的工作区间。下面对具体约束的动态施加工艺流程进行简单介绍。

(2)锭轴系统约束动态调适工艺流程及其可行性分析

上述基于频率调适区间的锭轴系统约束动态改变调适，能够在动态的情况下改变系统的约束状况，克服相应静态约束对工作区间拓展所带来的局限。锭轴系统约束可分为以下三种动态组合方式，其动态调试的工艺流程分别如下：

组合1：方案0+方案2：即悬臂锭轴自由端动态施加顶锥约束。将悬臂锭轴在其原始方案0的约束状态下，进行动态加速，使其速度达到方案0与方案1的频率调适区间[211，231](hz)时，在调适区间，对旋转中的锭轴在其自由端端面中心施加顶锥约束，这样锭轴系统约束从方案0进入“方案0+方案2”的新约束状态，并可以进行提速以拓展工作频率。

组合2：方案1+方案3：即悬臂锭轴固定端静态添加轴承约束后，进行动态加速，至频率调适区间[157，174](hz)时，在锭轴自由端端面中心施加一顶锥约束。这样锭轴系统约束就从带基座轴承的锭轴，方案1的悬臂和轴承约束状态，进入方案1+方案3的新约束状态，并可以进行提速拓展。在添加顶锥支撑的过程前后，最好保持锭轴匀速转动。且保持旋转速度尽量居于157hz和173hz两频率值中间，即尽量远离这两个共振值。随后，带基座轴承的锭轴保持有顶锥支撑的状态，直到加速到锭轴工作速度。

组合3：方案0+方案3：将悬臂锭轴的约束状态进行动态加速，加速至调适区间[156，231](hz)时，即为悬臂锭轴固定端外套筒外侧施加一轴承，并紧随其后，在自由端端面中心施加一顶锥，就从方案0的悬臂约束状态进入到方案0+方案3的新约束状态。

在以上约束动态调适的过程中，有以下几点需要注意：

1、添加轴承约束和顶锥支撑时，最好保持锭轴在某速度下匀速转动，同时，速度尽量选取区间中间的值，离开区间端的共振点较远，更安全一些。

2、确保改变后的约束状态保持稳定，保证锭轴工作速度在更高速度下运转。

3、任何一组约束的动态组合调试，除了理论计算外，在进行调试实施设计时，需要对调试区间的两个共振点及其区间进行固有特性的实际测量，并分别对各种约束施加前后的频率情况进行实际测量，选取合适的调试区间频率值。

4、该方法针对无丝餠锭轴系统进行设计，实际工作中锭轴的工作速度提升也是在空锭轴状态下完成，不需要考虑锭轴质量变化的情况。

依据以上提出的约束动态调试方法，以及各约束施加的工艺过程，在现有控制和动态调控技术下，可以进行顺利施加，即具有实际可行性。

(3)约束动态调试方法对工作区间拓展效果分析——结合典型高速复杂卷绕头锭轴系统

通过施加顶锥约束、施加轴承约束、同时施加顶锥和轴承约束，用这三种方式对锭轴结构进行改型优化，并按照动态组合方案形成新约束形式，是本方法的核心内容。各约束方案下锭轴系统各阶频率变化的折线图如图3所示。各约束组合：组合1，组合2，组合3中的调适区间和调适前后的频率折线图分别如图6、图7和图8所示。表2是无丝饼锭轴在原始约束(方案0)和各约束动态组合下的工作频率和转速及其变化情况。从表中数值可以看到，锭轴工作区间平均拓展率分别为：组合1：26％，组合2：36％，组合3：36％。最大工作转速提高的平均幅度为：组合1：30.7％，组合2：26.4％，组合3：26.4％。从其计算结果可以看到，三个动态组合方案均可满足提高锭轴最高转速、增大锭轴工作频率区间的需要。

表2：无丝饼锭轴在原始约束(方案0)和各约束动态组合下的工作频率和转速情况

本发明所介绍和阐述的动态约束调适方法，结合典型实例，通过动态约束组合的改型优化，给出了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，实现了复杂锭轴系统在不改变原有主体结构的情况下，工作频率范围得以在动态过程中躲过共振频率，从而得到有效改变和拓展。为高速高效运转状态下的复杂转子系统提供了新的工作模式、更宽的工作区间，以及更高的工作性能。以上组合方案是有效可行的改型方案，是复杂锭轴系统优化设计的有意义实践，并对其他型号锭轴的改型有很好的指导意义。