基于ANSYS的地下裝載機前機架模態分析

饒俊良 ， 伍生宏

（1.常州科研試制中心有限公司，江蘇常州213023；2.南昌礦山機械研究所，南昌330013；3.江西機電職業技術學院，南昌330013）

0 引言

前機架作為地下裝載機主要結構部件是由鋼板焊接而成的一個鈑金框架結構，它在整個車輛結構中起著非常重要的作用。本文以地下裝載機前機架為研究對象，對其進行有限元建模及模態分析，研究了其動態特性，為前機架的結構優化及改進設計提供了理論依據。

1 模態分析理論

地下裝載機前機架的三維模型可以變換成帶有n個自由度的線性系統。根據振動研究理論，其振動常微分方程可以描述為

式中：［M］為質量矩陣；［C］為阻尼矩陣；［K］為剛度矩陣；｛X¨｝、｛X˙｝、｛X｝分別是 n 維加速度、速度和位移的響應向量；f（t）為前機架的激勵力。

在沒有阻尼的時候，［C］=0，｛f（t）｝=0，前機架的無阻尼振動方程為

定義該方程解的形式為

式中：｛φ｝為振動固有頻率；ω為振動角頻率。

將式（3）帶入式（2）可得特征方程為

求解式（4）就可以得到前機架在無阻尼時的固有頻率和振型。

2 建立分析模型

在SolidWorks建立前機架三維模型，將模型導入ANSYS中對模型進行相關參數及邊界條件的設定。

前機架采用Q345-B鋼板焊接，材料屬性按Q345-B的材料特性進行設置。根據車輛實際運行情況，前機架分別聯接前橋和后機架，約束類別可以看作是無自由度的完全固定約束。載荷有兩種情況，一種是地下裝載機對物料進行鏟裝時，鏟取力通過工作裝置相關桿件施加給前機架的載荷；一種是地下裝載機在運送物料行駛或者怠速時物料和工作裝置重力施加的載荷；這里我們主要考慮研究后一種具有普遍意義載荷下的前機架動態特性。

對于模態分析，固有頻率的大小和振型的形式主要取決于結構質量和剛度分布，因此用于模態分析的有限元網格不必劃分得太密［1］。網格劃分共有113 621個節點和23 222個單元。

3 模態計算與分析

考慮到前機架的單元數比較多，運算量相對較大的情況，對其進行模態分析選用Reduced縮減法進行。由振動理論可知，低階的固有特性對結構振動影響較大，高階的固有特性對結構振動的作用相對不大，此外要考慮到實際結構阻尼的作用，高階頻率及對應振型迅速衰減，對高階模態計算可忽略不計［2］。取前8階模態進行分析，結果如圖1所示。

前機架前8階固有頻率及振型情況如表1所示。

圖1 前機架前8階模態振型

表1 前機架前8階固有頻率及振型

4 外部激勵分析及動態性能評價

地下裝載機作為礦用工程車輛，所受的外部激勵主要是由柴油機工作振動和路面顛簸產生。

4.1 柴油機激勵分析

柴油機激勵頻率可由下式求得

式中：n為柴油機轉速；z為柴油機氣缸數；τ為柴油機沖程數。

該地下裝載機采用6缸4沖程柴油機，當柴油機怠速時，柴油機轉速為700 r/min，此時柴油機激勵頻率可由式（5）計算為35 Hz。當柴油機處于工作轉速2 200 r/min時，柴油機的激勵頻率為110 Hz。

當柴油機怠速時，激勵頻率為35 Hz，小于前機架的第1階固有振動頻率58.35 Hz，不會引起前機架的共振。當柴油機處于工作轉速時，其激勵頻率為110 Hz，該頻率處于前機架第5階固有頻率76.41 Hz和第6階固有頻率123.6 Hz之間，也不會引起前機架的共振。

4.2 路面激勵分析

路面激勵是由車輪在路面行駛受到的來自地面不平顛簸所帶來的隨機激勵。通常要避免路面激勵給前機架帶來共振，通常要求前機架的第1階固有頻率滿足下式：

式中：V為行駛速度；L為路面起伏波長。

地下裝載機常見工況通常都是行駛在碎石路面、搓板起伏路面或者硬化路面上，最快速度為24 km/h，這3種路面的最高激勵波長分別是0.32、0.74和 1［3-4］。根據式（6）計算可得在這3種路面上行駛的鏟運機前機架受到的路面激勵頻率分別是20.8 Hz、9 Hz、6.7 Hz，這3個頻率分別是路面最大激勵頻率。

從計算結果可以看出，碎石路面、搓板起伏路面或者硬化路面對前機架的激勵頻率都遠遠小于前機架第1階固有頻率58.35Hz，不會因為路面激勵使得前機架產生共振。

5結語

1）以地下裝載機前機架為研究對象，根據實體特性建立了三維模型及有限元模型。

2）通過有限元模態分析得到前機架前8階模態振型。為改進前機架結構設計提供了理論依據。

3）計算外部激勵頻率并且與前機架固有頻率進行對比分析可知，前機架的固有頻率符合動態特性要求，在外部激勵的作用下，前機架不會產生共振。

［1］ 華劍．壓下減速器殼體的模態分析及結構動力修改［J］．煤礦機械，2012，33（12）：103-105．

［2］ 歐陽聯格，謝煥彩，周水庭，等．履帶式沙灘清潔車車架模態分析［J］．機械工程師，2014（7）：116-118．

［3］ 吳昊天，李曉，王俊元，等．礦用鉸接式自卸車車架動態特性研究［J］．煤礦機械，2014，32（5）：42-44．

［4］ 師江，吳昊天，王俊元，等．某礦用防爆膠輪車架模態分析［J］．煤礦機械，2011，32（7）：74-74．