基于ANSYS的智能振動壓路機(jī)調(diào)頻機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性分析

陳疆，張曉春，胡蘭岐，張啟裕

（1.長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安710064；

2.山推工程機(jī)械股份有限公司道路機(jī)械有限公司，山東濟(jì)寧272000)

基于ANSYS的智能振動壓路機(jī)調(diào)頻機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性分析

陳疆1，張曉春2，胡蘭岐1，張啟裕2

（1.長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安710064；

2.山推工程機(jī)械股份有限公司道路機(jī)械有限公司，山東濟(jì)寧272000)

智能振動壓路機(jī)能夠正常工作的關(guān)鍵是其調(diào)頻機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)穩(wěn)定長久的工作，為了確定調(diào)頻機(jī)構(gòu)傳動零件的振動特性，避免調(diào)頻機(jī)構(gòu)在工作過程中被共振破壞造成對智能振動壓路機(jī)的危害，通過CREO軟件對調(diào)頻機(jī)構(gòu)傳動零件進(jìn)行三維建模，并導(dǎo)入到ANSYS軟件中，進(jìn)行模態(tài)分析，得到各傳動零件的前8階固有頻率，為振動壓路機(jī)的調(diào)頻機(jī)構(gòu)在選擇工作頻率的過程中，避開共振區(qū)域提供了參考，同時也為新的調(diào)頻機(jī)構(gòu)的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

智能振動壓路機(jī)；調(diào)頻；模態(tài)分析；固有頻率

壓路機(jī)作為重要的壓實施工機(jī)械，廣泛地應(yīng)用于土建工程和市政工程，隨著我國運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，公路施工工程要求達(dá)到更高的壓實質(zhì)量，以延長公路的使用壽命。國內(nèi)外道路工程機(jī)械制造企業(yè)為了提高壓實機(jī)械的施工質(zhì)量，投入了大量的精力和財力研發(fā)出了能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)頻的智能振動壓路機(jī)[2]。智能振動壓路機(jī)與傳統(tǒng)振動壓路機(jī)的調(diào)頻機(jī)構(gòu)相比較結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，裝配零件更多。由于智能振動壓路機(jī)的這些特點，在其工作過程中，可能會出現(xiàn)外界所加的激勵頻率和調(diào)頻機(jī)構(gòu)中的一個或者多個零件的固有頻率相接近的情況，就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。隨著共振的加劇，會引起結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生很大的變形和動應(yīng)力，造成機(jī)器的破壞和人員的受傷[11]。為了防止這種情況的發(fā)生，在結(jié)構(gòu)件設(shè)計過程中，必須考慮其固有頻率和振型。機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型可以利用模態(tài)計算確定[6]。因此，在調(diào)頻機(jī)構(gòu)的設(shè)計過程中，確定其傳動零件的固有頻率和振型是避免調(diào)頻機(jī)構(gòu)失效的一個有效途徑。本文利用ANSYS軟件分析智能振動壓路機(jī)調(diào)頻機(jī)構(gòu)的傳動零件的模態(tài)，為調(diào)頻機(jī)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。

1智能振動壓路機(jī)調(diào)頻機(jī)構(gòu)工作原理

智能振動壓路機(jī)與傳統(tǒng)振動壓路機(jī)的主要不同在于采用齒輪組控制兩偏心軸的運(yùn)動。智能振動壓路機(jī)實現(xiàn)無級調(diào)頻的工作原理圖如圖1所示，調(diào)頻機(jī)構(gòu)的輸出軸與變量液壓泵通過聯(lián)軸器連接，將動力傳遞到齒輪組上，齒輪組由五個齒輪組成，齒輪組再將動力傳遞到兩偏心軸上，使兩偏心軸作方向相反的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，產(chǎn)生激振力。由于變量液壓泵可以實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速的無級調(diào)整，因而調(diào)頻機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)振動頻率的無級調(diào)整。

圖1 調(diào)頻機(jī)構(gòu)工作原理圖

針對這種調(diào)頻機(jī)構(gòu)，在工作過程中，傳動零件作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，并且外界激勵僅作用于傳動零件的特點，選擇提取調(diào)頻機(jī)構(gòu)的主要傳動零件，而不是選取調(diào)頻機(jī)構(gòu)整體，然后利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析。首先，利用CREO對調(diào)頻機(jī)構(gòu)的傳動零件進(jìn)行三維建模，然后導(dǎo)入到ANSYS軟件中，并分別進(jìn)行有限元分析，得到該調(diào)頻機(jī)構(gòu)的各傳動零件的前8階固有頻率，然后對結(jié)果進(jìn)行分析[1]。該分析結(jié)果對調(diào)頻機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計有著重大的意義，同時也為新的調(diào)頻機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。

2調(diào)頻機(jī)構(gòu)零部件有限元建模

智能振動壓路機(jī)的調(diào)頻機(jī)構(gòu)所包括的零件較多，首先要提取出其中的主要傳動零件，包括調(diào)頻機(jī)構(gòu)中的輸入軸、輸出軸、偏心軸和傳動齒輪，然后利用CREO軟件建模[12]。軸的模型的建立相對比較簡單。但是傳動齒輪的模型建立就相對比較復(fù)雜，可依照文獻(xiàn)[13]的方法進(jìn)行建模。將已創(chuàng)建的智能振動壓路機(jī)調(diào)頻機(jī)構(gòu)的傳動零件（包括輸入軸、輸出軸、偏心軸、傳動齒輪）的三維模型導(dǎo)入到ANSYS中，為下一步的有限元分析做好準(zhǔn)備。

3模態(tài)分析

模態(tài)分析技術(shù)從上世紀(jì)60年代后期發(fā)展至今已趨于成熟，模態(tài)分析技術(shù)與有限元分析技術(shù)一起，已成為結(jié)構(gòu)動力學(xué)中的兩大支柱。其分析方法是先建立物理參數(shù)模型，然后求得特征值和特征矢量，最后就可以得到研究結(jié)構(gòu)的模態(tài)的參數(shù)模型，即得到其固有頻率和振型[3]。進(jìn)行準(zhǔn)確的模態(tài)分析將對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析提供依據(jù)。

3.1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

根據(jù)多自由度系統(tǒng)復(fù)模態(tài)分析理論，對于N自由度的線性系統(tǒng)，其振動微分方程為：

式中，[M]、[C]、[K]分別是系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣，分別為系統(tǒng)各點的位移相應(yīng)向量和激勵向量。

對式（1）兩邊進(jìn)行拉氏變換，得：

令s＝j(luò)ω，則式（2）變換為：

根據(jù)振型矩陣對于質(zhì)量矩陣、剛度矩陣的正交性關(guān)系，若阻尼矩陣也近似被對角化，對式（4）前乘[Φ]T可得：

這樣，相互耦合的N自由度系統(tǒng)的方程組經(jīng)處理，解耦后的第i個方程為：

式中，Ki、Mi、Ci分別為模態(tài)剛度、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)阻尼，Φi為模態(tài)振型。由于要對激振裝置進(jìn)行模態(tài)分析，要求解得是固有頻率和振型參數(shù)固有模態(tài)，與外載荷無關(guān)，故可令F=0；因此式（6）可以簡化為無阻尼自由振動方程：

采用歸一方法，使模態(tài)質(zhì)量歸一，記模態(tài)質(zhì)量歸一化振型為Φ，即：

3.2 ANSYS模態(tài)分析

本文涉及到多個零件的模態(tài)分析，分析步驟類似。鑒于此，本文僅對齒輪模態(tài)分析的具體步驟進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

3.2.1 定義材料屬性

首先要為導(dǎo)入到ANSYS中的傳動齒輪模型定義材料屬性，根據(jù)傳動齒輪選用的材料為20CrMnTi，通過查詢，可知傳動齒輪的彈性模量為E=212 GPa，泊松比為μ=0.289，密度為ρ=7 860 kg/m3.

3.2.2 網(wǎng)格劃分

為了獲得較好的計算精度，在建立有限元模型時采用高階3維10節(jié)點固體結(jié)構(gòu)單元SOLID187，并利用掃掠方法，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可以對齒輪的齒根與齒頂部分進(jìn)行較精細(xì)的掃掠網(wǎng)格劃分，得到質(zhì)量較高的有限元模型[10]。

3.2.3 施加約束和求解

模態(tài)分析是為了確定振動壓路機(jī)調(diào)頻機(jī)構(gòu)的振動特性，即傳動零件的固有頻率和振型。在模態(tài)分析過程中，機(jī)構(gòu)所受的外加載荷例如壓力、離心力等，可以在分析中設(shè)定，但是在模態(tài)提取過程中這些載荷都將被忽略，DOF（自由度）是唯一需要約束的，所以只要對端面施加徑向?qū)ΨQ約束，對x、y、z軸方向的位移量進(jìn)行約束。模態(tài)提取方法采用Block Lanczos法，得到傳動齒輪的前8階固有頻率和振型，如圖2和表1所示。

圖2 傳動齒輪的1階~8階臨界轉(zhuǎn)速對應(yīng)的振型圖

表1 傳動齒輪、輸入軸、輸出軸、偏心軸的前8階固有頻率

對于應(yīng)用ANSYS軟件得到的前8階的固有頻率，如表1所示，進(jìn)行分析可得，傳動齒輪的第1階、第2階、第3階的固有頻率是大致相同的，其余各階的固有頻率也大致相同，且它們振型正交，可以將其視為同根，這些固有頻率較大，而外載荷的固有頻率較小，產(chǎn)生共振的可能性比較小。對于傳動齒輪的1 ~8階臨界轉(zhuǎn)速對應(yīng)的振型圖，如圖2所示，前三階振型為輪齒圓周振動，剩余的其他振型為扭振，并且變形量均符合安全變形標(biāo)準(zhǔn)。由于低階固有振型對傳動齒輪的振動影響比高階固有振型更大，因此輪齒圓周振動是齒輪發(fā)生共振可能性最大的振型。對得到的傳動齒輪的固有頻率和振型進(jìn)行充分的分析，可以使傳動齒輪在工作過程中避免發(fā)生共振。

依照同樣的方法對激振裝置的其他傳動零件進(jìn)行模態(tài)分析，可以分別得到輸入軸、輸出軸、偏心軸的固有頻率和相應(yīng)的各階振型圖。由于本文主要探討傳動零件在受到外部激勵的情況下是否產(chǎn)生共振的問題，而零件是否產(chǎn)生共振主要取決于零件的固有頻率和外界所加的激勵頻率，因此本文中僅列出輸入軸、輸出軸、偏心軸的固有頻率，分別如表1所示。

根據(jù)ANSYS模態(tài)分析得出的各傳動零件的固有頻率，通過公式，可以得到調(diào)頻機(jī)構(gòu)各傳動零件的各階臨界轉(zhuǎn)速。因為調(diào)頻機(jī)構(gòu)的傳動零件的轉(zhuǎn)速是在0~3 000 rpm的范圍內(nèi)進(jìn)行無級調(diào)節(jié)的。因此，只要各傳動零件的各階臨界轉(zhuǎn)速不在0~3 000 rpm的范圍內(nèi)，就可以避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。經(jīng)計算可知調(diào)頻機(jī)構(gòu)的各傳動零件的最小臨界轉(zhuǎn)速為21 830 rpm，這要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激振裝置的最大轉(zhuǎn)速，可以得到調(diào)頻機(jī)構(gòu)在進(jìn)行無級調(diào)頻的過程中是十分安全的，不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

4結(jié)束語

本文以調(diào)頻機(jī)構(gòu)中的傳動齒輪為例，介紹了零件進(jìn)行模態(tài)分析的詳細(xì)步驟。并利用ANSYS對調(diào)頻機(jī)構(gòu)的傳動零件進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了調(diào)頻機(jī)構(gòu)的傳動零件的前8階固有頻率，實踐證明該分析具有結(jié)果直觀、求取速度快、便于選擇的特點[9]。通過對所得結(jié)果的分析說明智能振動壓路機(jī)的調(diào)頻機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是合理的，能夠穩(wěn)定長時間工作，同時根據(jù)求解出的固有頻率和振型，可以使設(shè)計人員制定的設(shè)計方案更加科學(xué)合理。還說明了在施工過程中，施加于振動壓路機(jī)的激振力不會使調(diào)頻機(jī)構(gòu)的傳動零件和操作者產(chǎn)生共振，從而保證了機(jī)器的工作壽命合乎規(guī)定，并且提高了操作人員的舒適度。

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Dynam ic Property Analysis on Ad just Frequency Com ponent of Intelligent Vibratory Roller Based on ANSYS

CHEN Jiang1，ZHANG Xiao-chun2，HU Lan-qi1，ZHANG Qi-yu2
（1.School of Construction Machinery，Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710064，China；
2.Road Machinery Co.，Ltd.，Shantui Construction Machinery Co.，Ltd，Jining Shandong 272000，China)

The key to work normally of the intelligent vibratory roller is that the adjusted frequency component can realize the long-term and stability working.This dynamic property analysis can be proposed in order to ascertain the vibration characteristics of the adjusted frequency component’s transmission parts and to avoid the harm to the intelligent vibratory roller which caused by the resonance damages that happened in the working process of the adjusted frequency component.By modeling the adjusted frequency component’s parts in three-dimensional with CREO and making model analysis with ANSYS，the first eight order natural frequency and the vibration mode can be got.This will provide the reference to avoid the resonance of the operating frequency of adjust frequency component and theoretical basis for the design of the new adjust frequency component.

intelligentvibratory roller；adjusted frequency；model analysis；natural frequency

U415.52

A

1672-545X（2016）12-0163-04

2016-09-22

陳疆（1977-），男，陜西咸陽人，博士研究生，講師，研究方向為機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)及設(shè)計方法研究。