一種碼坯機(jī)升降機(jī)構(gòu)模態(tài)分析及其優(yōu)化

摘 要：全自動(dòng)碼坯機(jī)升降機(jī)構(gòu)是碼坯機(jī)械中重要的一個(gè)機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)性能對(duì)碼坯機(jī)的實(shí)際工作有很大的影響，在碼坯機(jī)的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中必須注意其固有頻率對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響。基于Pro/e -ABAQUS，對(duì)全自動(dòng)碼坯機(jī)的升降方針，根據(jù)模態(tài)分析變形、前6階固有頻率、進(jìn)行升降機(jī)構(gòu)的優(yōu)化。目的是減輕升級(jí)機(jī)構(gòu)的重量，提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)碼坯機(jī)；升降機(jī)構(gòu)；模態(tài)分析；優(yōu)化

全自動(dòng)碼坯機(jī)動(dòng)作靈活準(zhǔn)確，能夠很好的完成磚窯的搬運(yùn)與碼垛，其工藝布局合理，生產(chǎn)效率高[1]。其中升降機(jī)構(gòu)作為重要機(jī)構(gòu)，承擔(dān)著搬運(yùn)過(guò)程中整個(gè)碼坯機(jī)的重量，因此最大限度的減輕升降機(jī)構(gòu)的重量，增大其剛度，提高其固有頻率，對(duì)碼坯機(jī)的優(yōu)化改進(jìn)起到至關(guān)重要的作用。

在提高搬運(yùn)速度的情況下，如果工作頻率與系統(tǒng)固有頻率接近或者重合，很可能會(huì)引起系統(tǒng)的共振現(xiàn)象，且對(duì)于大型機(jī)械設(shè)備來(lái)說(shuō)，共振現(xiàn)象會(huì)造成設(shè)備的失效或者結(jié)構(gòu)破壞，是碼坯機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須要避免的。[2]。運(yùn)用三維軟件建模，將模型導(dǎo)入系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)行模態(tài)分析，得到震動(dòng)模型和固有頻率數(shù)值，再通過(guò)改善機(jī)械結(jié)構(gòu)，改變系統(tǒng)的固有頻率，即可完成升降機(jī)構(gòu)的優(yōu)化。

1 三維建模

新型碼坯機(jī)鋼架部分由型鋼焊接，用大型鋼筒焊接而成，碼坯機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 限元分析

2.1 升降機(jī)構(gòu)有限元模型

（1）

升降機(jī)構(gòu)的有限元模型需要容易分析計(jì)算，因此需要在尺寸上需要進(jìn)行優(yōu)化，一些小孔和凹槽要盡量避免出現(xiàn)。鋼筒外側(cè)焊接槽鋼及相關(guān)聯(lián)接螺栓孔適當(dāng)簡(jiǎn)化。

2.2 模態(tài)分析

升降機(jī)構(gòu)的有限元模型采用BlockLanczos法進(jìn)行模態(tài)分析。分析其前六階的固有頻率數(shù)值，結(jié)果如下。

圖3前6階模態(tài)振型云圖

模態(tài)動(dòng)態(tài)分析結(jié)果得如下結(jié)論：①為了有效的防止共振，需要使得系統(tǒng)的低階固有頻率盡量避開系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)頻率；②鋼筒上部變形較大，因此在上半部分需要增大其剛度，降低其重量。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)于碼坯機(jī)升降機(jī)構(gòu)這樣復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，最好采用系統(tǒng)的幾何形狀改進(jìn)，通過(guò)對(duì)升降機(jī)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化，再將新的三維模型倒入有限元軟件進(jìn)行分析，比對(duì)兩次的固有頻率，并進(jìn)行多次有改，得到最有結(jié)果。在不降低結(jié)構(gòu)現(xiàn)有剛度情況下，減小重量。以提高低階固有頻率為優(yōu)化的目標(biāo)。由分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化：①對(duì)鋼筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，嘗試改變鋼筒內(nèi)部豎直方向6塊筋板的位置，使其布置在變形較大的鋼筒中山部，同時(shí)在鋼筒變形小的位置開6個(gè)對(duì)稱的橢圓形槽減小重量；②車架沿Z軸方向變形較大，因此需要在X方向平行的H型鋼之間設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋提高局部剛度。

結(jié)構(gòu)改進(jìn)之后，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)再一次進(jìn)行模態(tài)分析，改進(jìn)前后兩次ABAQUS模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比如表3。

可見改進(jìn)后的模態(tài)分析證明前兩階的頻率更能有效地避開電機(jī)頻率；改進(jìn)后的振動(dòng)云圖顯示，鋼筒變形減小，機(jī)構(gòu)強(qiáng)度增大，用Pro/e計(jì)算，改進(jìn)后的升降機(jī)構(gòu)總質(zhì)量為887.9kg，重量減少了7.6%。

4 結(jié)論

（1）建立碼坯機(jī)升降機(jī)構(gòu)有限元模型，分析了升降機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，得到了前六階固有頻率和振型，結(jié)點(diǎn)模態(tài)變化位移曲線，說(shuō)明原設(shè)計(jì)方案前兩階固有頻率接近共振頻率；

（2）系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，再次模態(tài)分析，證明改進(jìn)后系統(tǒng)有效避開共振頻率，剛度增大，達(dá)到改進(jìn)目標(biāo)；

（3）本文對(duì)新型全自動(dòng)碼坯機(jī)升降機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析及改進(jìn)方法進(jìn)行理論研究，具有重要工程指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

陳鑫（1988-），男，湖北武漢人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闋t窯機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)械制造，系統(tǒng)仿真。