銅包裝線升降臺的動態力學性能研究

蘭州資源環境職業技術學院 祁賢業

銅包裝線升降臺的動態力學性能研究

蘭州資源環境職業技術學院 祁賢業

本文利用銅包裝生產線升降臺中的曲柄滑塊機構為研究對象，首先利用0.618法對雙桿曲柄滑塊機構的壓力角進行優 化，再基于ANSYS對升降臺進行諧響應分 析、瞬態動力學分析。

壓力角；ANS YS；諧響應 分析；瞬態動力學

1.升降臺簡述

1.1 升降臺工作原理

升降臺技術參數如下：額定承載量為2.5噸、平臺最低高度為640mm、升降高度為200mm。根據工作要求，工作臺只做垂直方向的運動運動，也就是一個自由度，根據其技術參數選擇正置曲柄滑塊機構，機構結構則是雙桿同步結構。機構簡圖如圖1.1。

該機構的工作原理是：液壓缸1推動連桿2通過主軸帶動曲柄3轉動，再通過連桿4驅動升降臺5作垂直方向直線運動。

1.2 基于0.618法的同步雙桿曲柄滑塊升降臺的設計[1]

以連桿和工作臺速度方向之間的夾角，即壓力角為優化目標，優化該機構。

壓力角的的約束函數為：

根據優化后的結果，取各桿件長度分別為連桿長度553mm，曲柄長度為200mm，壓力角的的變化范圍為10°——20°，同步桿長度為750mm，同步桿與曲柄之間的壓力角變化為15°——0°——34°，在許用壓力角范圍之內。

根據圖1.1所示機構簡圖和優化后的實際尺寸，此雙桿同步升降臺結構設計如圖1.2和1.3 。

2.動態力學性能研究

2.1 升降臺諧響應分析[2]

諧響應分析是分析結構在不同頻率的簡諧荷載作用下的動力響應，是與結構所受荷載相關的，只是結構所受荷載的都是簡諧荷載，而且荷載頻率的變化范圍在諧響應分析時要給出來。任何持續的周期載荷將在結構系統中產生持續的周期響應（詣響應）。諧響應分析使設計人員能預測結構的持續動力特性，從而使設計人員能夠驗證其設計能否成功地克服共振、疲勞及其他受迫振動引起的有害后果。諧響應分析是用于確定線性結構在承受隨時間按正弦（簡諧）規律變化的載荷時的穩態響應的一種技術。分析的目的是計算出結構在幾種頻率下的響應，并得到一些響應值（通常是位移）對頻率的曲線。從這些曲線上可以找到“峰值”響應，并進一步觀察峰值頻率對應的應力。

2.2 求解及分析

在ANSYS中對升降臺施加激振力，其頻率范圍為0-130Hz，加載方式為Ramped法，激振力的作用方向為Y軸負方向，加載方式為Ramped法，圖5.12-圖5.15顯示了X、Y、Z三個方向的振幅的變化曲線。

從圖2.1可以清楚的看到升降臺在不同頻率下的X方向振幅，當給升降平臺施加了激振力后，分別在26Hz，63Hz，110Hz的激振力較為敏感，升降平臺振幅出現三個峰值，激振力頻率約為26Hz時響應幅值最大，升降臺在這個方向上發生較大的變形，因此應盡量避開此頻率值。

從圖2.2可以清楚的看到升降臺在不同頻率下的Y方向振幅，當給升降平臺施加激振力之后，分別在63Hz，110Hz的激振力較為敏感，升降臺出現了兩個峰值，因此在這兩個頻率都會產生共振，激振力頻率約為110Hz時響應幅值最大，升降臺在這個方向上發生較大的變形，因此應盡量避開此頻率值。

從圖2.3可以清楚的看到升降臺在不同頻率下的Z方向振幅，當給升降平臺施加激振力之后，分別在24Hz，63Hz，74Hz，110Hz，119Hz的激振力較為敏感，升降臺出現了五個峰值，因此在這五個頻率都會產生共振，但頻率為63Hz，74Hz，110Hz響應幅值振幅較小，對升降臺影響較小，其中頻率約為24Hz，120Hz時響應幅值最大，升降臺在此方向上變形較大，因此應盡量避開此頻率值。

從圖2.4可以看出當對升降臺施加激振力之后，X方向和Z方向升降臺響應曲線峰值都比較小，對升降臺影響較小。而升降臺在Y方向的響應曲線的峰值最大，這就是升降臺共振是由Y方向受載荷引起的，可能對升降臺產生較大的危害。

2.3 瞬態動力學分析[3]

2.3.1 分析求解

銅包裝線配重工位需通過對銅板進行加減，使每垛銅板的重量滿足要求（2430kg-2580kg）。在諧響應分析的基礎上，按銅包裝生產線工作實際承載情況對升降平臺加載，分析升降平臺的位移響應、速度響應和加速度響應。配重工位工作過程為：升降平臺在最低位置得信號后升起到達傳動鏈高度，托起銅板繼續升起至最高位置后停止。升降臺底下安裝有電子秤，對銅板進行稱重，如果銅板重量為2430kg至2580kg，控制系統給出信號使升降平臺下降；如果小于2430kg，控制系統給出加一片信號，直到銅板重量達到2430kg至2580kg范圍；如果大于2580kg，控制系統給出減一片信號，直到銅板重量達到2430kg至2580kg，一片銅板重量約150kg。加減片數量由一垛銅板的重量和輔料臺上每片銅板重量決定，因此每次配重升降平臺承載情況往往不同，本章取升降平臺承載較復雜的一種工況（加兩片銅板）進行分析。

以一垛銅板重2250kg為例，由于重量要求需加兩片銅板，每片重150kg，加載過程如圖2.5所示：

2.3.2 求解并查看結果

對升降臺施加載荷，進行求解，可以得到時間位移變化曲線，如下圖2.6-2.9

升降臺在承受沖擊載荷時，從XYZ位移時間對比圖可以看出，位移與分析結果吻合，Y方向位移最大，X方向由于約束板約束，X方向位移最小。說明主要是靜態特性起作用，由加減片引起的振動相對靜態變形值較小。

3.結論

本文首先利用0.618法對雙桿曲柄滑塊機構的壓力角進行優化，其次對諧響應分析、瞬態動力學做了簡要概述，對升降臺整體建立有限元模型，然后進行諧響應分析、瞬態動力學分析，通過分析得到以下結果：

得到了X、Y、Z三個方向的諧響應曲線，通過分析得到，升降臺對Y方向激振力頻率為26 Hz，110 Hz，119 Hz時較為敏感，應盡量避開這三個頻率。在得到配重工位的升降臺平臺的位移曲線。位移響應曲線分析結果相吻合，升降平臺速度和加速度較小，說明升降臺起升、下降及加減片引起的振動幅相對靜態變形值小得多。

[1]劉少學.優選法與試驗設計初步[M].人民教育出版社,2007:9.ISBN978-7-107-18682-0.

[2]張朝暉.ANSYS8.0結構分析及實例分析[M].北京:機械工業出版社,2005,3.

[3]尚曉江,邱峰,趙海峰.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用[M].中國水利水電出版社,2008,5.