基于ANSYS的分級(jí)破碎機(jī)分體式機(jī)架的模態(tài)分析

馬 浩

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

機(jī)架相當(dāng)于分級(jí)破碎機(jī)的工作平臺(tái)，它的穩(wěn)定性直接關(guān)系到分級(jí)破碎機(jī)的使用壽命和工作可靠程度[1]。分體式機(jī)架改變了原整體式機(jī)架的結(jié)構(gòu)，使設(shè)備的固有頻率發(fā)生變化。使用ANSYS Workbench對(duì)分體式機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析，得到分體式機(jī)架的振型分布，可以對(duì)分體式機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支持，并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)[2]。

1 有限元模型建立

1.1 分體式機(jī)架的基本結(jié)構(gòu)

分體式機(jī)架的設(shè)計(jì)采用了在常規(guī)機(jī)架的基礎(chǔ)上分割再連接的設(shè)計(jì)，主體部分為類H型鋼結(jié)構(gòu)，在機(jī)身設(shè)置多處立筋加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[3]。主要參數(shù)為：機(jī)身尺寸7 768 mm×3 630 mm×607 mm，上下面板和腹板厚度均為30 mm，行走輪軸距分別為3 912 mm和3 159 mm，輪間距為2 563 mm。

分級(jí)破碎機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，三維建模工具使用Solidworks2013[4]。模型導(dǎo)入ANSYS Workbench前，為了提高計(jì)算效率，同時(shí)保證計(jì)算的精度，將模型中的圓角、倒角、孔結(jié)構(gòu)等對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小的特征忽略不計(jì)。同時(shí)假設(shè)所有焊接均為理想焊接，焊接材料的性質(zhì)和其他區(qū)域一致。然后將模型轉(zhuǎn)化為stp通用格式，導(dǎo)入到ANSYS Workbench平臺(tái)進(jìn)行分析和計(jì)算，有限元模型如圖2所示[5]。

1—腔體；2—主軸；3—軸承座；4—減速機(jī)；5—電機(jī)；6—機(jī)架

圖2 分體式機(jī)架有限元模型

1.2 網(wǎng)格劃分、添加約束條件

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，機(jī)架材料選用Q235-A，在對(duì)應(yīng)的ANSYS Workbench材料庫(kù)Engineering Data中選用Structural Steel[6]，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 機(jī)架材料性能參數(shù)

分體式機(jī)架的斷開(kāi)點(diǎn)設(shè)置在減速機(jī)和電機(jī)地腳中間，連接點(diǎn)共設(shè)置4處，每一處連接點(diǎn)通過(guò)20條M24的螺栓連接，其中頂面分布8條，側(cè)面分布12條。因?yàn)榉治稣麄€(gè)機(jī)架，且連接點(diǎn)處有很大的摩擦阻力，可以假定此處為剛性連接[7]。

設(shè)定Element Size為15 mm，有限元網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 100 627，單元數(shù)為582 815，結(jié)果如圖3。

圖3 機(jī)架網(wǎng)格劃分結(jié)果

分體式機(jī)架底面設(shè)置3對(duì)行走輪，通過(guò)行走輪放置在行走軌道上，依靠設(shè)備自重和行走輪、軌道之間的摩擦保持靜止。由于設(shè)備運(yùn)行時(shí)兩破碎輥相向運(yùn)動(dòng)，抵消了水平方向的受力，即水平方向合力為零，可以認(rèn)為機(jī)架是通過(guò)行走輪固定在行走軌道上，因此在機(jī)架行走輪軸處添加fixed support約束點(diǎn)類型[8]，其約束點(diǎn)情況見(jiàn)圖4。

圖4 分體式機(jī)架約束點(diǎn)情況

2 模態(tài)計(jì)算和結(jié)果分析

由于低階頻率對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能影響較大，對(duì)分體式機(jī)架的前6階模態(tài)進(jìn)行分析，來(lái)確定機(jī)架對(duì)不同動(dòng)力載荷的響應(yīng)[9]。右擊Solution，選擇Solve進(jìn)行求解。求解過(guò)程完成后，機(jī)架的前6階動(dòng)態(tài)響應(yīng)和振型如表2所示。

表2 整機(jī)固有頻率表

破碎機(jī)機(jī)架的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及振型見(jiàn)圖5。由圖5可以看出：第1、2階振型接近，固有頻率分別為44.444 Hz和59.144 Hz，整機(jī)振型均以側(cè)板下方的機(jī)架沿Y、Z方向的擺動(dòng)變形為主，說(shuō)明此階段機(jī)架主要是側(cè)板下方部位的振動(dòng)為主。

圖5 第1、2、3、4、5、6階模態(tài)與振型

第2至6階固有頻率接近，分別為67.495、71.365、74.155、76.852 Hz。第3、4階振型主要以側(cè)板下方的機(jī)架沿X軸的扭轉(zhuǎn)變形為主。第5、6階振型振動(dòng)在此基礎(chǔ)上，電機(jī)和減速機(jī)下方機(jī)架振動(dòng)加大，且以水平方向的擺動(dòng)變形為主[10]。

3 結(jié)論

分體式機(jī)架的設(shè)計(jì)，很好地解決了在向井下運(yùn)輸分級(jí)破碎機(jī)過(guò)程中最大運(yùn)輸尺寸限制的問(wèn)題，通過(guò)模態(tài)分析對(duì)分體式機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支持。分體后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性一定程度上影響著整機(jī)的可靠性，通過(guò)ANSYS Workbench工作平臺(tái)對(duì)分體式機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析，得到其低階的振動(dòng)特性[11]。通過(guò)振型圖可以看到，分體式機(jī)架的振動(dòng)主要集中在側(cè)板位置，結(jié)合處無(wú)明顯振動(dòng)，因此，機(jī)架的擺動(dòng)和扭轉(zhuǎn)是其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的主要表現(xiàn)形式。由于振動(dòng)集中在側(cè)板位置，分體位置避開(kāi)了機(jī)架振型突出部位，機(jī)架的固有頻率對(duì)分體位置的振動(dòng)沒(méi)有明顯影響。

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