液壓扒渣機工作臂模態分析

劉煥偉 馬蕓慧 劉 鵬

（泰山科技學院，山東 泰安 271002）

國際上液壓扒渣機的生產向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動化的方向發展[1]。為滿足狹小空間挖掘裝載的需要，國外發展了斗容量在0.25m3以下的液壓扒渣機，另外，中、小型液壓扒渣機趨向于單機多功能，配備了多種工作裝置，除正鏟、反鏟外，還配備了起重、抓斗、平坡斗、裝載斗、耙齒、破碎錐、推土板、沖擊鏟、高空作業架等，以滿足各種施工的需要[2]。在上述基礎理論的指導下，加速了液壓扒渣機的更新換代進程，并提高了其可靠性。

從國內情況分析，我國正處在道路交通、城市建設等的高峰期，而前幾年大量投入使用的高速公路等基礎設施，正越來越多地進入維修保護期，人們對城市道路建設和維護以及煤氣管道、自來水管道的維護要求越來越高，人力是無法完成的，近幾年小型基礎設施逐漸增多，因此，小型化的土方工程施工機械設備必將代替人工勞動，扒渣機可迅速有效地完成人力無法完成的工作[3]，其靈活的工作空間、便捷的運輸方式將會取代大型設備。

液壓扒渣機是由工作臂與傳送裝置相結合，扒取和傳送功能為一體，采用液壓系統控制的工作裝置，主要用于隧道挖掘、哭鞍山工程及小斷面引水洞等生產作業空間狹小、大型機械設備難以到達的場所。工作環境比較惡劣，分析在極端環境下的受力情況很重要，本文對極端狀況下的工作狀態做了靜力學分析，對工作臂做了模態分析，建立了液壓扒渣機的仿真模型，對其進行了仿真。

液壓扒渣機作為挖掘散料的重要設備之一，加工質量與工作效率都需要不斷提升。液壓扒渣機主要用于礦洞、水電站引水隧洞、鐵路工程隧道等一些生產作業空間狹窄大型機械設難以到達的施工地點，進行各種礦石、散料、泥渣的挖掘、輸送及裝車作業。液壓扒渣機對于降低工人繁重的勞動強度，提高施工機械化水平，提高工作效率，都起著重要作用。因此，液壓扒渣機的發展對提高狹小施工空間場所的工作效率具有重要意義。

傳統的液壓扒渣機雖然總體結構滿足要求，但有些關鍵零部件不能滿足工作要求，致使設計出來的實體樣機，需要不斷地試驗和改進，這樣延長了生產周期，為了提高產品的生產效率，縮短產品的生產周期，利用ANSYS 對運動過程中的重要零部件進行模擬仿真，確保設備在滿足工作要求的前提下正常工作。

液壓扒渣機在我國正處于蓬勃發展的時期，但是與國外發展還有較大的差距，易損件更換頻繁，保養維護成本高，在有限的工作空間內不能靈活運動完成作業，因此很難完成扒取散料進行復雜操作運動，也不符合現代企業制造多樣化和通用性生產的需求，因此如何研發出運動靈活穩定，控制方便高效，在狹窄的工作空間內盡可能滿足工作要求的液壓扒渣機對我們提出了強烈要求。

計算機技術的發展，為液壓扒渣機的發展提供了動力。計算機輔助設計已被廣泛應用于工業設計當中。CAD/CAE 軟件大大提高了工作的效率。利用ANSYS 對液壓扒渣機工作過程中重要零部件進行運動學、動力學分析以及仿真模擬[4]，進行液壓扒渣機的運動軌跡規劃及仿真，這樣突破了傳統設計方法的局限性，從而提高了液壓扒渣機的設計精度，縮短了生產周期，節省了生產成本。

圖1 工作臂結構圖

表1 液壓扒渣機主要參數

液壓扒渣機的結構將直接影響其工作效率，用ANSYS 對工作過程中重要零部件進行運動分析與仿真模擬[5]，能縮短生產周期，提高工作效率，確保工作的可靠性。在保證結構合理的前提下，使其盡可能小巧靈活，增強實用性。

在煤礦、磷礦、鐵礦等各種礦山及鐵路、公路、水利、國防等隧道工程中進行碎石料采集工作時，都會用到扒渣機，扒渣機的使用使得裝車變得方便，它是由機械手與輸送機相結合，扒渣和輸送裝車功能合二為一的機械設備，具有安全環保、能耗小、效率高的特點，在實際應用中，扒渣機經常需要在空間狹小或受限的工作場所進行裝車裝料工作，液壓扒渣機主要在狹小空間或者受限的工作場合進項作業，但是現有扒渣機由于受各構件尺寸和協同關系的影響，還不能根據工作場合的空間范圍、場地的環境做出適時調整，由于工作臂的結構較復雜，對工作臂三維建模時需要進行適當簡化，在簡化過程中，主要構件的位置和尺寸不變。

扒渣機工作臂工作過程中不可避免地要發生振動，分析工作臂的振動情況能夠更好地對工作臂的結構進行改進和路徑進行優化，從而使整機的性能得到改進，擴大扒渣機的適用范圍，減輕勞動力，更好地體現科技的創新性和機械設備的優越性。現代幾乎所有的機械工程結構都存在動載荷的問題，因此，在分析機械設備的實際工作性能時，瞬態動力學分析是很關鍵的，它反映的是零部件在受到動載荷作用下瞬時的變化規律。

本文以ANSYS 軟件為平臺對工作臂的大臂和斗桿進行模態分析，模態分析得到它們的固有振動頻率，避開周圍環境的激振頻率，避免產生共振，瞬態動力學分析得到它們的速度曲線及加速度曲線，并對曲線進行分析，對扒渣機某一極端工況進行瞬態動力學分析[6]，能夠確定其瞬態載荷作用下應力、位移、速度、加速度等隨時間變化的情況，對極端狀況的瞬間進行分析能夠更好地掌握扒渣機的工作性能。

模態分析是研究結構動力特性的一種方法，一般應用在振動領域[7]。期中，模態是指機械結構的股友振動特性，每一個模態都有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。模態分析用于確定機械設備的振動特性，即結構的固有頻率和振型，以避開周圍環境的激振頻率，避免產生共振，它是承受動載荷結構設計中的重要參數。ANSYS 環境下的模態分析步驟主要包括建立有限元網格模型、施加邊界條件、設置求解控制選項、求解、分析結果。典型的無阻尼模態分析求解的基本方法是經典的特征值問題[8]。

式中，[K]——剛度矩陣，{φi}——第i 階模態的振型向量；ωi——第i 階模態的固有頻率；[M]——質量矩陣。

大臂模態分析：在Solidworks 中對大臂建模，導入ANSYS 中，在ANSYS 中定義單元類型，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3，材料屬性，完成后進行網格劃分，建立的大臂有限元模型。

在Solidworks 中對大臂建完模后導入ANSYS 中，在ANSYS 中對大臂進行單元類型、材料模型完成后進行網格劃分，網格劃分完成后對大臂與回轉體鉸接處施加固定約束條件，設置求解控制選項，最后進行求解，求得大臂一至六階的振型圖。

由分析結果可知，大臂前六階固有頻率分別為：47.0899Hz、80.9913Hz、363.63Hz、378.692Hz、394.045Hz、481.231Hz。由振型圖可知，大臂受到的振幅較大，從第三階段開始出現明顯的扭轉振動，第四階段出現彎曲變形。通常情況，液壓扒渣機振源主要來自液壓馬達和行走過程中履帶與地面之間的振動[9]，實際工作過程中，液壓馬達的轉速低于2200r/min，可知頻率低于36.7r/min，行走過程中履帶的振動頻率也比較小，這兩種振動頻率均小于大臂的固有頻率，避免了共振現象的發生，保證了扒渣機正常工作的安全性。

斗桿模態分析：在Solidworks 中對斗桿建模，為了簡化模型并且不影響分析結果，刪除不必要的倒角、圓角和小質量構建，導入ANSYS 中，在ANSYS 中定義單元類型、材料屬性，完成后進行網格劃分，建立的斗桿有限元模型。

在Solidworks 中對斗桿建完模后導入ANSYS 中，在ANSYS 中對斗桿進行單元類型、材料模型完成后進行網格劃分，網格劃分完成后對鏟斗與斗桿及斗桿與大臂鉸接點處施加固定約束條件[10]，設置求解控制選項，最后進行求解，求得斗桿一至六階的振型圖。

由分析結果可知，斗桿前六階的固有頻率分別為：129.234Hz、194.622Hz、584.619Hz、713.378Hz、819.421Hz、890.766Hz。由振型圖可知，斗桿受到的振幅較大，從第三階段出現明顯的扭轉振動，第四階開始出現彎曲，前六階的固有頻率遠高于液壓扒渣機振源的振動頻率，斗桿工作時不會發生共振現象，扒渣機能夠正常工作。