沖擊破巖掘進機工作機構(gòu)振動特性分析

劉 勇，李曉豁

1鞍山森遠路橋股份有限公司 遼寧鞍山 114000

2廣東文理職業(yè)學(xué)院 廣東廉江 524400

沖 擊破巖掘進機[1]工作機構(gòu)的主要特點是利用雙 釬桿液壓沖擊錘破碎巖體。在沖擊破巖過程中，工作機構(gòu)需承受持續(xù)性沖擊載荷作用，具有交變性的響應(yīng)振幅會引起關(guān)鍵部位的變形及疲勞破壞，進而影響工作機構(gòu)的使用壽命。因此，明確其在不同頻率載荷作用下的幅頻特性，對探究工作機構(gòu)的振動具有十分重要的意義。

1 工作機構(gòu)建模

由于工作機構(gòu)結(jié)構(gòu)組成比較復(fù)雜，依據(jù)其工作原理忽略對功能影響不大的圓角、倒角和螺紋孔等[2]，利用 Pro/E 參數(shù)化建模特點消除干涉部位，建立的工作機構(gòu)三維實體總裝模型如圖 1 所示。為更好地擬合工作機構(gòu)的實際工況，通過 Pro/E 與 ANSYS 軟件建立有限元模型[3]時，設(shè)置的材料性能參數(shù)如表 1 所列，其有限元仿真模型如圖 2 所示。

圖1 工作機構(gòu)三維實體總裝模型Fig.1 3D solid assembly model of working mechanism

圖2 工作機構(gòu)有限元仿真模型Fig.2 Finite element simulation model of working mechanism

表1 工作機構(gòu)的材料性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of material of working mechanism

2 模態(tài)分析

工作機構(gòu)作業(yè)姿態(tài)的轉(zhuǎn)換是通過各液壓缸的伸縮與配合實現(xiàn)的，為了便于更好地分析工作機構(gòu)的振動特性，特選取極限作業(yè)姿態(tài) (破碎巷道頂部左、右肩角) 進行研究[4]。此時舉升液壓缸、動臂液壓缸、伸縮液壓缸、擺動液壓缸均處于最大行程，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錘液壓缸，應(yīng)盡量使液壓沖擊錘的 2 個釬桿與被沖擊巖體保持垂直狀態(tài)，避免發(fā)生偏載。由振動理論可知，高階模態(tài)對工作機構(gòu)的振動影響很小[5]，前 10 階固有頻率和模態(tài)振型統(tǒng)計結(jié)果如表 2 所列，提取的工作機構(gòu)前 10 階振型如圖 3 所示。

表2 前 10 階固有頻率和模態(tài)振型Tab.2 Natural frequency and vibration mode of preceding 10 orders

圖3 模態(tài)振型Fig.3 Modal vibration modes

3 振動分析

各階模態(tài)振型表明工作機構(gòu)的主要部件鉸接處存在單一方向或復(fù)合方向的偏移、彎曲和扭轉(zhuǎn)，因此各主要部件鉸接處即為工作機構(gòu)的薄弱位置，其振動狀況直接決定了工作機構(gòu)的使用壽命。振動性能分析關(guān)鍵位置的選取如圖 4 所示，各關(guān)鍵位置的鉸接部件如表 3 所列。在液壓沖擊錘的 2 個釬桿軸向上分別加載 1 099.14 kN 的鑿入力[6]，將振動分析的求解頻率設(shè)定為 1～100 Hz，求解載荷步數(shù)設(shè)定為 50 步。工作機構(gòu)各方向頻率-振幅響應(yīng)如圖 5～ 7 所示，其統(tǒng)計結(jié)果如表 4 所列。

表4 頻率-振幅統(tǒng)計Tab.4 Frequency-amplitude statistics mm

圖4 關(guān)鍵位置的選取Fig.4 Selection of key positions

表3 關(guān)鍵位置的鉸接部件Tab.3 Hinged parts at key positions

圖5 工作機構(gòu) x 向頻率-振幅響應(yīng)Fig.5 Frequency-amplitude response of working mechanism in direction x

圖6 工作機構(gòu) y 向頻率-振幅響應(yīng)Fig.6 Frequency-amplitude response of working mechanism in direction y

圖7 工作機構(gòu) z 向頻率-振幅響應(yīng)Fig.7 Frequency-amplitude response of working mechanism in direction z

由仿真結(jié)果可知：

(1) 關(guān)鍵位置Ⅰ的x、y和z向響應(yīng)振幅的最大峰值分別為 9.92、17.70 和 15.10 mm；關(guān)鍵位置Ⅱ的x、y和z向響應(yīng)振幅的最大峰值分別為 4.07、16.70 和 23.90 mm；關(guān)鍵位置Ⅲ的x、y和z向響應(yīng)振幅的最大峰值分別為 1.27、18.20 和 13.70 mm；關(guān)鍵位置Ⅳ的x、y和z向響應(yīng)振幅的最大峰值分別為 17.10、19.00 和 4.09 mm。整個工作機構(gòu)y向和z向振動的振幅明顯高于x向振動振幅。

(2) 工作機構(gòu)振幅響應(yīng)峰值所對應(yīng)的載荷頻率大致相同，主要集中在 4、38 和 48 Hz，接近工作機構(gòu)的第 1、2、6、7 階固有頻率。當載荷頻率與其固有頻率不相近時，響應(yīng)振幅較小且趨于穩(wěn)定振動狀態(tài)。由此可見，加載的載荷頻率與固有頻率接近時，由于存在共振導(dǎo)致了關(guān)鍵位置響應(yīng)振幅的大幅度增加。

4 結(jié)語

利用 Pro/E 建立沖擊破巖掘進機工作機構(gòu)的三維實體總裝模型，基于 ANSYS 建立其有限元仿真分析模型，通過對工作機構(gòu)進行模態(tài)分析求得固有頻率和模態(tài)振型，為改進結(jié)構(gòu)設(shè)計、采取合理的補強措施提供了理論依據(jù)。

根據(jù)極限作業(yè)姿態(tài)下 4 個關(guān)鍵位置的頻率-振幅響應(yīng)曲線，確定了各關(guān)鍵位置在x、y、z3 個方向的振動特性，明確了危險載荷頻率及其對應(yīng)的振幅峰值參數(shù)。設(shè)計時可通過合理優(yōu)化液壓沖擊錘的性能參數(shù)避開危險載荷頻率，以免發(fā)生共振。