井下鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)臂動(dòng)態(tài)特性的研究

史蕾蕾

【摘 要】利用Pro/E軟件建立井下鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)臂的三維模型，以ANSYS Workbench為基本工具，對井下鏟運(yùn)機(jī)的動(dòng)臂進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性的研究分析。得到了動(dòng)臂在1～6階時(shí)振動(dòng)特性、動(dòng)臂在自由狀態(tài)下的固有頻率，并對其振動(dòng)特性進(jìn)行進(jìn)行了分析。研究結(jié)果為井下鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)臂的設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供了參考和依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)臂；有限元；模態(tài)；動(dòng)態(tài)特性

【Abstract】Using Pro/E software to build 3 D model of the swing of underground LHD，then the swing through the dynamic characteristics analysis with ANSYS Workbench as the basic tools.We got the vibration characteristic in 1～6 order and natural frequency of the swing in the free state，and then analyzed its vibration characteristics.The result provides the reference and basis for the design and improvement of the swing of underground LHD.

【Key words】Swing；Finite element；Modal analysis；Dynamic characteristics

0 引言

井下鏟運(yùn)機(jī)在工作過程中由于各種相對運(yùn)動(dòng)在零部件上會產(chǎn)生動(dòng)載荷，導(dǎo)致其位置變化從而產(chǎn)生應(yīng)力與應(yīng)變，同時(shí)路面還會對動(dòng)臂產(chǎn)生激勵(lì)。如果產(chǎn)生共振，不僅會使鏟運(yùn)機(jī)產(chǎn)生很多噪聲，而且劇烈振動(dòng)還會過早損毀動(dòng)臂，減短井下鏟運(yùn)機(jī)的使用壽命。為了避免這些不利現(xiàn)象，除了要注意動(dòng)臂的剛度強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值使動(dòng)臂的受力變形在一定范圍之內(nèi)，還要保證動(dòng)臂具有良好的振動(dòng)特性。

模態(tài)是振動(dòng)特性的一種表征，它是構(gòu)成各種工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜振動(dòng)的最基本的振動(dòng)形態(tài)。通過模態(tài)分析可以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率，為動(dòng)臂結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)提供依據(jù)。本課題來源于東德瑞礦山機(jī)械有限公司的委托項(xiàng)目，為了全面掌握井下鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)臂在各種工況受力情況下整體的應(yīng)力應(yīng)變情況，研究動(dòng)臂各零件的受力狀況，通過分析動(dòng)臂在運(yùn)輸、卸載兩種工況下的應(yīng)力及應(yīng)變情況。對動(dòng)臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)都會對動(dòng)臂進(jìn)行模態(tài)分析，動(dòng)臂的固有頻率及振型的獲得可以通過有限元方法來實(shí)現(xiàn)[1-2]。本文擬通過有限元方法對井下鏟運(yùn)機(jī)的動(dòng)臂動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析和研究。上述工作，可為廠家對進(jìn)一步改進(jìn)動(dòng)臂提供理論依據(jù)，從而使得產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能更趨完善，使得動(dòng)臂在鏟運(yùn)機(jī)的使用過程中更可靠安全。

1 動(dòng)臂模型的建立

運(yùn)用Pro/E軟件建立了動(dòng)臂的三維模型，為了便于分析，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，對結(jié)構(gòu)中較小的圓角、倒角、小孔等作了忽略處理[3]，并且將各部件之間的焊接定義為等強(qiáng)度焊接。然后將三維模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中。

在ANSYS Workbench中，對動(dòng)臂進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在劃分的過程中要保證每一個(gè)殼單元的頂點(diǎn)也是其相鄰單元的頂點(diǎn)[4]，共得到37849個(gè)節(jié)點(diǎn)，17599個(gè)單元。

2 動(dòng)臂動(dòng)態(tài)特性分析

地下鏟運(yùn)機(jī)的動(dòng)臂支撐著鏟斗，動(dòng)臂作為地下鏟運(yùn)機(jī)工作裝置的主要支撐構(gòu)件，不僅要承受著來自地下鏟運(yùn)機(jī)本身的激勵(lì)作用，而且在鏟運(yùn)機(jī)工作時(shí)，還要受鏟斗挖掘作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的各種各樣的外部的激勵(lì)作用力，所以地下鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)臂在工作的過程中可能會一直處于振動(dòng)的狀態(tài)。

動(dòng)臂的自由模態(tài)求解要求模型處于無約束狀態(tài)，在實(shí)際的工程分析中，低階的振動(dòng)模態(tài)對結(jié)構(gòu)的動(dòng)特性影響最大，為了降低計(jì)算規(guī)模，分析了動(dòng)臂的前6階模態(tài)[5]。

2.1 求解結(jié)果

用ANSYS Workbench進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，選取默認(rèn)值作為計(jì)算頻段，第1階至第6階的固有頻率見表1。

由表1可知，第一階模態(tài)的固有頻率是51.8886Hz，主要是頂板在扭轉(zhuǎn)，動(dòng)臂的上面部分振幅較大，最大變形量為0.2449m。第二階模態(tài)的固有頻率是127.14Hz，此時(shí)動(dòng)臂的變形主要是動(dòng)臂的頂板在扭轉(zhuǎn)，最大變形量為0.2301m，發(fā)生在頂板處。第三階模態(tài)固有頻率是163.63Hz，主要是頂板的的后半部分在扭轉(zhuǎn)，其最大變形量為0.3915m。第四階固有頻率是172.55Hz，其變形主要在動(dòng)臂兩側(cè)板處，最大變形為量為0.2495m。第五階模態(tài)的固有頻率是185.98Hz，其變形主要是左右側(cè)板的中間部分在扭轉(zhuǎn)，最大變形量是0.2230m。第六階模態(tài)的固有頻率是280.72Hz，主要是頂板在扭轉(zhuǎn)，最大變形量發(fā)生在頂板處，為0.2443m。

2.2 結(jié)果分析

本文所研究的井下鏟運(yùn)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)類型為直列四缸，額定轉(zhuǎn)速為 2200w/min，根據(jù)計(jì)算振動(dòng)頻率的公式：

可計(jì)算出動(dòng)臂的振動(dòng)頻率約為 73.3Hz，由以上的有限元模態(tài)分析的結(jié)果表明，井下鏟運(yùn)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率與其動(dòng)臂的固有頻率相比相差比較大，所以鏟運(yùn)機(jī)在工作時(shí)，其發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的的振動(dòng)不會引起動(dòng)臂的共振。而在地下鏟運(yùn)機(jī)在插入工況、運(yùn)輸工況、卸載工況下所受到的激勵(lì)頻率時(shí)很低的，其數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于動(dòng)臂的模態(tài)振動(dòng)的一階頻率，所以不會引起動(dòng)臂的共振。

3 結(jié)論

本章主要對ANSYS Workbench的模態(tài)分析模塊進(jìn)行了簡要的介紹，然后對導(dǎo)入ANSYS Workbench中的動(dòng)臂有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，求得動(dòng)臂在自由狀態(tài)下的前六階固有頻率及變形圖。由求解結(jié)果可以看出：發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)以及外載荷的激勵(lì)不會引起動(dòng)臂的共振。鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)臂在第二階和第四階都出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)變形，眾所周知，扭轉(zhuǎn)變形對動(dòng)臂結(jié)構(gòu)的影響較大，所以動(dòng)臂的扭轉(zhuǎn)剛度有待提高，主要是動(dòng)臂的頂板是影響該動(dòng)臂扭轉(zhuǎn)剛度，因此可以采取改變（下轉(zhuǎn)第178頁）（上接第134頁）頂板的厚度或改變頂板的材料等措施，以提高動(dòng)臂扭轉(zhuǎn)剛度。

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[責(zé)任編輯：湯靜]