PLM1500I圓錐破碎機傳動軸的動態(tài)特性分析

程　文， 沈　琛， 張夢莎， 楊　毅

(1 湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)2 武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機車車輛學(xué)院，湖北 武漢 430205；3 湖北鐵道運輸職業(yè)學(xué)院， 湖北 武漢 430064

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PLM1500I圓錐破碎機傳動軸的動態(tài)特性分析

程文1， 沈琛2， 張夢莎3， 楊毅1

(1 湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)2 武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機車車輛學(xué)院，湖北 武漢 430205；3 湖北鐵道運輸職業(yè)學(xué)院， 湖北 武漢 430064

利用ANSYS Workbench對PLM1500I圓錐破碎機的傳動軸裝配體進行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，得到傳動軸在外部振源激勵作用下的動態(tài)特性，為后續(xù)PLM1500I圓錐破碎機的優(yōu)化設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

ANSYS Workbench； PLM1500I圓錐破碎機； 模態(tài)分析； 諧響應(yīng)分析

液壓圓錐破碎機是礦山、建筑等行業(yè)的重要生產(chǎn)設(shè)備，具有生產(chǎn)效率高、破碎程度高的優(yōu)點[1]。液壓圓錐破碎機體積較大，質(zhì)量重，工作環(huán)境粉塵、噪聲、振動較大。傳動軸是破碎機的動力輸入部分，對破碎機整機性能有著直接的影響。破碎機在工作過程中，由于偏心套和動錐沿著軸線做偏心擺動，會產(chǎn)生劇烈振動，當(dāng)振源頻率等于或者接近傳動軸固有頻率時，就會引起共振現(xiàn)象，使破碎機的工作性能降低[2]。針對廣東磊蒙機械制造有限公司生產(chǎn)的液壓圓錐破碎機，采用ANSYS軟件對傳動軸進行模態(tài)分析，分析傳動軸的固有頻率，對傳動軸的結(jié)構(gòu)改進提供依據(jù)，防止生產(chǎn)中由于機械共振而產(chǎn)生安全事故。

1　有限元模型的建立

利用三維軟件Solidworks建立傳動軸的裝配體模型。在建立傳動軸模型時，將對于計算結(jié)果影響不大的圓角、倒角進行簡化處理；將對計算結(jié)果幾乎無影響，但對計算效率影響很大的棱角和凸起進行處理。把簡化后的裝配體模型導(dǎo)入到Workbench中(圖1)，定義裝配體中各零部件的材料屬性(表1)，對裝配體進行網(wǎng)格劃分，共產(chǎn)生63 672個節(jié)點，33 591個單元。將傳動軸兩端的Z向位移固定，傳動軸的軸身施加圓柱度約束，將切向方向固定，其他方向自由，并在傳動軸的大帶輪上施加一個扭矩載荷。

圖 1　傳動軸專配體

表1　裝配體的材料屬性

2　模態(tài)分析

模態(tài)分析可得到PLM1500I圓錐破碎機傳動軸的各階振型和固有頻率，即各部位的相對振動情況，但是在外部載荷的激勵下各階振型對傳動軸的振動影響是不同的，因此對傳動軸進行諧響應(yīng)分析就能更清楚的看出其在動態(tài)干擾激勵下結(jié)構(gòu)的抗振性能[3]。結(jié)構(gòu)的振動可以表示為各階固有振型的線性組合，其中低階固有振型相對于高階振型對結(jié)構(gòu)的振動影響較大，低階振型對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性起決定性作用，故進行結(jié)構(gòu)的振動特性分析計算通常取其前10階即可[4]。利用ANSYS Workbench軟件對傳動軸的裝配體進行模態(tài)分析，得到傳動軸裝配體的前6階模態(tài)振型圖(圖2)，振型描述見表2。

(a)一階振型

(b)二階振型

(c)三階振型

(d)四階振型

(e)五階振型

(f)六階振型圖 2　傳動軸裝配體的前6階振型圖

圓錐破碎機的偏心套的轉(zhuǎn)速為330 r/min，所以PLM1500I型圓錐破碎機的固有頻率f=5.5 Hz。從圖2可見，傳動軸一階振型的固有頻率為2.6502 Hz，而PLM1500I圓錐破碎機工作時的固有頻率為5.5 Hz，所以傳動軸在工作時肯定會經(jīng)過共振區(qū)，導(dǎo)致振動加劇，從而產(chǎn)生共振現(xiàn)象。傳動軸的二階振型固有頻率為276.23 Hz，遠大于PLM1500I圓錐破碎機的固有頻率。由振型云圖可知傳動軸的帶輪部分沿ZY平面進行擺動，傳動軸與帶輪配合的位置有彎曲擺動，該振動模態(tài)對傳動軸有一定的影響。傳動軸三階固有頻率為291.2 Hz，油振型云圖可知道傳動軸的帶輪部分沿ZX平面進行擺動，傳動軸與帶輪配合的位置有彎曲擺動，該振動模態(tài)對傳動軸有一定的影響。傳動軸的四階振型固有頻率為637.49 Hz，由振型云圖可知道振型為沿Z軸的拉伸變形。傳動軸的五階振型固有頻率為705.23 Hz，其振型為帶輪部分沿X軸的轉(zhuǎn)動。傳動軸的六階振型固有頻率為722.28 Hz，其振型為帶輪部分沿Y軸的轉(zhuǎn)動。

表2　傳動軸裝配體的振型描述

通過對傳動軸裝配體的前6階振型模態(tài)的分析可知，傳動軸裝配體的第一階模態(tài)固有頻率低于PLM1500I圓錐破碎機的工作頻率，而其他階數(shù)的模態(tài)固有頻率遠大于PLM1500I圓錐破碎機的工作頻率，所以在工作過程中傳動軸裝配體會發(fā)生共振現(xiàn)象[5]。

3　諧響應(yīng)分析

對傳動軸的裝配體進行諧響應(yīng)分析，加載激振力為繞Z軸的扭矩負載，頻率范圍為0～800 Hz，將傳動軸的中部選為諧響應(yīng)分析面，得到其幅頻特性如圖3、圖4所示。

圖 3　傳動軸中部沿X軸方向的幅頻特性曲線

圖 4　傳動軸中部沿Y軸方向的幅頻特性曲線

通過幅頻特性曲線圖可以知道，傳動軸中部沿X軸方向在頻率為40 Hz時，振幅達到最大值為0.004 75 mm；傳動軸中部沿Y軸方向在頻率為40 Hz時，振幅達到最大值0.000 933 mm。沿X軸方向，在頻率為650 Hz時，也會產(chǎn)生較大幅值，幅值大小為0.0019 mm；沿Y軸方向，在頻率為642 Hz時，也會產(chǎn)生較大幅值，幅值大小為0.000 32 mm。通過上述分析可知，位移響應(yīng)最大值分別出現(xiàn)在傳動軸的一階模態(tài)頻率和四階模態(tài)頻率上，所以PLM1500I圓錐破碎機在工作過程中，要避免外部激振頻率落在上述頻率范圍。

5　結(jié)論

通過對PLM1500I圓錐破碎機的模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，得出傳動軸的一階固有頻率與 PLM1500I 圓錐破碎機的工作頻率相近，在圓錐破碎機啟動階段會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，且傳動軸的一階模態(tài)和四階模態(tài)對其動態(tài)性能影響較大，在使用過程中要盡量避免，同時模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析的結(jié)果為后續(xù)對PLM1500I圓錐破碎機的傳動軸優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

[1]梁國顯.圓錐破碎機的工作機理和生產(chǎn)能力的優(yōu)化設(shè)計研究[J].大科技,2015(35)：287-288.

[2]邵正宇,勾頻,鞠遠萍.考慮振動的傳動軸可靠性優(yōu)化設(shè)計[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2002, 25(4):382-384.

[3]邵正宇, 勾頻, 鞠遠萍. 考慮振動的傳動軸可靠性優(yōu)化設(shè)計[J]. 武漢科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2002, 25(4):382-384.

[4]呂穎異,潘萍萍,邵帥,等.大型離心壓縮機葉輪模態(tài)有限元分析[C]//2012年全國振動工程及應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集.

[5]閔希春. H8800圓錐破碎機關(guān)鍵部件的有限元分析[D]. 沈陽：東北大學(xué), 2011.

[責(zé)任編校： 張眾]

An Analysis of the Dynamic Characteristics of Cone Crusher

CHENG Wen1，SHEN Chen2， ZHANG Mengsha3, YANG Yi1

(1SchoolofMechanicalEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China;2WuhanRailwayVocationalCollegeofTech.,Wuhan430205,China;3HubeiVocationalCollegeofRailwayTransportation,Wuhan430064,China)

This paper reports modal and harmonic response analyses of the shaft assembly body of the PLM1500I cone crusher by using ANSYS Workbench.The analyses reveal the dynamic characteristics under the influence of external stimuli, which provide a theoretical foundation for subsequent PLM1500I cone crusher optimization design.

ANSYS Workbench；PLM1500I cone crusher；modal analysis; harmonic response analysis

2016-03-01

程文(1990-)， 男， 湖北咸寧人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為機械設(shè)計理論

1003-4684(2016)04-0027-03

TQ244.3

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