基于ANSYS的地下裝載機(jī)前機(jī)架模態(tài)分析

饒俊良 ， 伍生宏

（1.常州科研試制中心有限公司，江蘇常州213023；2.南昌礦山機(jī)械研究所，南昌330013；3.江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南昌330013）

0 引言

前機(jī)架作為地下裝載機(jī)主要結(jié)構(gòu)部件是由鋼板焊接而成的一個(gè)鈑金框架結(jié)構(gòu)，它在整個(gè)車輛結(jié)構(gòu)中起著非常重要的作用。本文以地下裝載機(jī)前機(jī)架為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行有限元建模及模態(tài)分析，研究了其動(dòng)態(tài)特性，為前機(jī)架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 模態(tài)分析理論

地下裝載機(jī)前機(jī)架的三維模型可以變換成帶有n個(gè)自由度的線性系統(tǒng)。根據(jù)振動(dòng)研究理論，其振動(dòng)常微分方程可以描述為

式中：［M］為質(zhì)量矩陣；［C］為阻尼矩陣；［K］為剛度矩陣；｛X¨｝、｛X˙｝、｛X｝分別是 n 維加速度、速度和位移的響應(yīng)向量；f（t）為前機(jī)架的激勵(lì)力。

在沒(méi)有阻尼的時(shí)候，［C］=0，｛f（t）｝=0，前機(jī)架的無(wú)阻尼振動(dòng)方程為

定義該方程解的形式為

式中：｛φ｝為振動(dòng)固有頻率；ω為振動(dòng)角頻率。

將式（3）帶入式（2）可得特征方程為

求解式（4）就可以得到前機(jī)架在無(wú)阻尼時(shí)的固有頻率和振型。

2 建立分析模型

在SolidWorks建立前機(jī)架三維模型，將模型導(dǎo)入ANSYS中對(duì)模型進(jìn)行相關(guān)參數(shù)及邊界條件的設(shè)定。

前機(jī)架采用Q345-B鋼板焊接，材料屬性按Q345-B的材料特性進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)車輛實(shí)際運(yùn)行情況，前機(jī)架分別聯(lián)接前橋和后機(jī)架，約束類別可以看作是無(wú)自由度的完全固定約束。載荷有兩種情況，一種是地下裝載機(jī)對(duì)物料進(jìn)行鏟裝時(shí)，鏟取力通過(guò)工作裝置相關(guān)桿件施加給前機(jī)架的載荷；一種是地下裝載機(jī)在運(yùn)送物料行駛或者怠速時(shí)物料和工作裝置重力施加的載荷；這里我們主要考慮研究后一種具有普遍意義載荷下的前機(jī)架動(dòng)態(tài)特性。

對(duì)于模態(tài)分析，固有頻率的大小和振型的形式主要取決于結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分布，因此用于模態(tài)分析的有限元網(wǎng)格不必劃分得太密［1］。網(wǎng)格劃分共有113 621個(gè)節(jié)點(diǎn)和23 222個(gè)單元。

3 模態(tài)計(jì)算與分析

考慮到前機(jī)架的單元數(shù)比較多，運(yùn)算量相對(duì)較大的情況，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析選用Reduced縮減法進(jìn)行。由振動(dòng)理論可知，低階的固有特性對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響較大，高階的固有特性對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的作用相對(duì)不大，此外要考慮到實(shí)際結(jié)構(gòu)阻尼的作用，高階頻率及對(duì)應(yīng)振型迅速衰減，對(duì)高階模態(tài)計(jì)算可忽略不計(jì)［2］。取前8階模態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示。

前機(jī)架前8階固有頻率及振型情況如表1所示。

圖1 前機(jī)架前8階模態(tài)振型

表1 前機(jī)架前8階固有頻率及振型

4 外部激勵(lì)分析及動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)

地下裝載機(jī)作為礦用工程車輛，所受的外部激勵(lì)主要是由柴油機(jī)工作振動(dòng)和路面顛簸產(chǎn)生。

4.1 柴油機(jī)激勵(lì)分析

柴油機(jī)激勵(lì)頻率可由下式求得

式中：n為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速；z為柴油機(jī)氣缸數(shù)；τ為柴油機(jī)沖程數(shù)。

該地下裝載機(jī)采用6缸4沖程柴油機(jī)，當(dāng)柴油機(jī)怠速時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為700 r/min，此時(shí)柴油機(jī)激勵(lì)頻率可由式（5）計(jì)算為35 Hz。當(dāng)柴油機(jī)處于工作轉(zhuǎn)速2 200 r/min時(shí)，柴油機(jī)的激勵(lì)頻率為110 Hz。

當(dāng)柴油機(jī)怠速時(shí)，激勵(lì)頻率為35 Hz，小于前機(jī)架的第1階固有振動(dòng)頻率58.35 Hz，不會(huì)引起前機(jī)架的共振。當(dāng)柴油機(jī)處于工作轉(zhuǎn)速時(shí)，其激勵(lì)頻率為110 Hz，該頻率處于前機(jī)架第5階固有頻率76.41 Hz和第6階固有頻率123.6 Hz之間，也不會(huì)引起前機(jī)架的共振。

4.2 路面激勵(lì)分析

路面激勵(lì)是由車輪在路面行駛受到的來(lái)自地面不平顛簸所帶來(lái)的隨機(jī)激勵(lì)。通常要避免路面激勵(lì)給前機(jī)架帶來(lái)共振，通常要求前機(jī)架的第1階固有頻率滿足下式：

式中：V為行駛速度；L為路面起伏波長(zhǎng)。

地下裝載機(jī)常見(jiàn)工況通常都是行駛在碎石路面、搓板起伏路面或者硬化路面上，最快速度為24 km/h，這3種路面的最高激勵(lì)波長(zhǎng)分別是0.32、0.74和 1［3-4］。根據(jù)式（6）計(jì)算可得在這3種路面上行駛的鏟運(yùn)機(jī)前機(jī)架受到的路面激勵(lì)頻率分別是20.8 Hz、9 Hz、6.7 Hz，這3個(gè)頻率分別是路面最大激勵(lì)頻率。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，碎石路面、搓板起伏路面或者硬化路面對(duì)前機(jī)架的激勵(lì)頻率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前機(jī)架第1階固有頻率58.35Hz，不會(huì)因?yàn)槁访婕?lì)使得前機(jī)架產(chǎn)生共振。

5結(jié)語(yǔ)

1）以地下裝載機(jī)前機(jī)架為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)體特性建立了三維模型及有限元模型。

2）通過(guò)有限元模態(tài)分析得到前機(jī)架前8階模態(tài)振型。為改進(jìn)前機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

3）計(jì)算外部激勵(lì)頻率并且與前機(jī)架固有頻率進(jìn)行對(duì)比分析可知，前機(jī)架的固有頻率符合動(dòng)態(tài)特性要求，在外部激勵(lì)的作用下，前機(jī)架不會(huì)產(chǎn)生共振。

［1］ 華劍．壓下減速器殼體的模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)動(dòng)力修改［J］．煤礦機(jī)械，2012，33（12）：103-105．

［2］ 歐陽(yáng)聯(lián)格，謝煥彩，周水庭，等．履帶式沙灘清潔車車架模態(tài)分析［J］．機(jī)械工程師，2014（7）：116-118．

［3］ 吳昊天，李曉，王俊元，等．礦用鉸接式自卸車車架動(dòng)態(tài)特性研究［J］．煤礦機(jī)械，2014，32（5）：42-44．

［4］ 師江，吳昊天，王俊元，等．某礦用防爆膠輪車架模態(tài)分析［J］．煤礦機(jī)械，2011，32（7）：74-74．