井下鏟運機動臂動態(tài)特性的研究

史蕾蕾

【摘 要】利用Pro/E軟件建立井下鏟運機動臂的三維模型，以ANSYS Workbench為基本工具，對井下鏟運機的動臂進行了動態(tài)特性的研究分析。得到了動臂在1～6階時振動特性、動臂在自由狀態(tài)下的固有頻率，并對其振動特性進行進行了分析。研究結(jié)果為井下鏟運機動臂的設計及改進提供了參考和依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】動臂；有限元；模態(tài)；動態(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

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

模態(tài)是振動特性的一種表征，它是構(gòu)成各種工程結(jié)構(gòu)復雜振動的最基本的振動形態(tài)。通過模態(tài)分析可以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率，為動臂結(jié)構(gòu)的進一步改進提供依據(jù)。本課題來源于東德瑞礦山機械有限公司的委托項目，為了全面掌握井下鏟運機動臂在各種工況受力情況下整體的應力應變情況，研究動臂各零件的受力狀況，通過分析動臂在運輸、卸載兩種工況下的應力及應變情況。對動臂進行結(jié)構(gòu)設計時都會對動臂進行模態(tài)分析，動臂的固有頻率及振型的獲得可以通過有限元方法來實現(xiàn)[1-2]。本文擬通過有限元方法對井下鏟運機的動臂動態(tài)特性進行分析和研究。上述工作，可為廠家對進一步改進動臂提供理論依據(jù)，從而使得產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能更趨完善，使得動臂在鏟運機的使用過程中更可靠安全。

1 動臂模型的建立

運用Pro/E軟件建立了動臂的三維模型，為了便于分析，在不影響計算結(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度焊接。然后將三維模型導入到ANSYS Workbench中。

在ANSYS Workbench中，對動臂進行網(wǎng)格劃分。在劃分的過程中要保證每一個殼單元的頂點也是其相鄰單元的頂點[4]，共得到37849個節(jié)點，17599個單元。

2 動臂動態(tài)特性分析

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

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

2.1 求解結(jié)果

用ANSYS Workbench進行模態(tài)分析時，選取默認值作為計算頻段，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，此時動臂的變形主要是動臂的頂板在扭轉(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機的發(fā)動機類型為直列四缸，額定轉(zhuǎn)速為 2200w/min，根據(jù)計算振動頻率的公式：

可計算出動臂的振動頻率約為 73.3Hz，由以上的有限元模態(tài)分析的結(jié)果表明，井下鏟運機的發(fā)動機振動頻率與其動臂的固有頻率相比相差比較大，所以鏟運機在工作時，其發(fā)動機工作時產(chǎn)生的的振動不會引起動臂的共振。而在地下鏟運機在插入工況、運輸工況、卸載工況下所受到的激勵頻率時很低的，其數(shù)值遠遠低于動臂的模態(tài)振動的一階頻率，所以不會引起動臂的共振。

3 結(jié)論

本章主要對ANSYS Workbench的模態(tài)分析模塊進行了簡要的介紹，然后對導入ANSYS Workbench中的動臂有限元模型進行模態(tài)分析，求得動臂在自由狀態(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)動機的振動以及外載荷的激勵不會引起動臂的共振。鏟運機動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)變形對動臂結(jié)構(gòu)的影響較大，所以動臂的扭轉(zhuǎn)剛度有待提高，主要是動臂的頂板是影響該動臂扭轉(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，以提高動臂扭轉(zhuǎn)剛度。

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[責任編輯：湯靜]