井下铲运机动臂动态特性的研究

史蕾蕾

【摘 要】利用Pro/E软件建立井下铲运机动臂的三维模型，以ANSYS Workbench为基本工具，对井下铲运机的动臂进行了动态特性的研究分析。得到了动臂在1～6阶时振动特性、动臂在自由状态下的固有频率，并对其振动特性进行进行了分析。研究结果为井下铲运机动臂的设计及改进提供了参考和依据。

【关键词】动臂；有限元；模态；动态特性

【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

井下铲运机在工作过程中由于各种相对运动在零部件上会产生动载荷，导致其位置变化从而产生应力与应变，同时路面还会对动臂产生激励。如果产生共振，不仅会使铲运机产生很多噪声，而且剧烈振动还会过早损毁动臂，减短井下铲运机的使用寿命。为了避免这些不利现象，除了要注意动臂的刚度强度达到一定数值使动臂的受力变形在一定范围之内，还要保证动臂具有良好的振动特性。

模态是振动特性的一种表征，它是构成各种工程结构复杂振动的最基本的振动形态。通过模态分析可以得到结构的固有频率，为动臂结构的进一步改进提供依据。本课题来源于东德瑞矿山机械有限公司的委托项目，为了全面掌握井下铲运机动臂在各种工况受力情况下整体的应力应变情况，研究动臂各零件的受力状况，通过分析动臂在运输、卸载两种工况下的应力及应变情况。对动臂进行结构设计时都会对动臂进行模态分析，动臂的固有频率及振型的获得可以通过有限元方法来实现[1-2]。本文拟通过有限元方法对井下铲运机的动臂动态特性进行分析和研究。上述工作，可为厂家对进一步改进动臂提供理论依据，从而使得产品的结构和性能更趋完善，使得动臂在铲运机的使用过程中更可靠安全。

1 动臂模型的建立

运用Pro/E软件建立了动臂的三维模型，为了便于分析，在不影响计算结果的前提下，对结构中较小的圆角、倒角、小孔等作了忽略处理[3]，并且将各部件之间的焊接定义为等强度焊接。然后将三维模型导入到ANSYS Workbench中。

在ANSYS Workbench中，对动臂进行网格划分。在划分的过程中要保证每一个壳单元的顶点也是其相邻单元的顶点[4]，共得到37849个节点，17599个单元。

2 动臂动态特性分析

地下铲运机的动臂支撑着铲斗，动臂作为地下铲运机工作装置的主要支撑构件，不仅要承受着来自地下铲运机本身的激励作用，而且在铲运机工作时，还要受铲斗挖掘作业时产生的各种各样的外部的激励作用力，所以地下铲运机动臂在工作的过程中可能会一直处于振动的状态。

动臂的自由模态求解要求模型处于无约束状态，在实际的工程分析中，低阶的振动模态对结构的动特性影响最大，为了降低计算规模，分析了动臂的前6阶模态[5]。

2.1 求解结果

用ANSYS Workbench进行模态分析时，选取默认值作为计算频段，第1阶至第6阶的固有频率见表1。

由表1可知，第一阶模态的固有频率是51.8886Hz，主要是顶板在扭转，动臂的上面部分振幅较大，最大变形量为0.2449m。第二阶模态的固有频率是127.14Hz，此时动臂的变形主要是动臂的顶板在扭转，最大变形量为0.2301m，发生在顶板处。第三阶模态固有频率是163.63Hz，主要是顶板的的后半部分在扭转，其最大变形量为0.3915m。第四阶固有频率是172.55Hz，其变形主要在动臂两侧板处，最大变形为量为0.2495m。第五阶模态的固有频率是185.98Hz，其变形主要是左右侧板的中间部分在扭转，最大变形量是0.2230m。第六阶模态的固有频率是280.72Hz，主要是顶板在扭转，最大变形量发生在顶板处，为0.2443m。

2.2 结果分析

本文所研究的井下铲运机的发动机类型为直列四缸，额定转速为 2200w/min，根据计算振动频率的公式：

可计算出动臂的振动频率约为 73.3Hz，由以上的有限元模态分析的结果表明，井下铲运机的发动机振动频率与其动臂的固有频率相比相差比较大，所以铲运机在工作时，其发动机工作时产生的的振动不会引起动臂的共振。而在地下铲运机在插入工况、运输工况、卸载工况下所受到的激励频率时很低的，其数值远远低于动臂的模态振动的一阶频率，所以不会引起动臂的共振。

3 结论

本章主要对ANSYS Workbench的模态分析模块进行了简要的介绍，然后对导入ANSYS Workbench中的动臂有限元模型进行模态分析，求得动臂在自由状态下的前六阶固有频率及变形图。由求解结果可以看出：发动机的振动以及外载荷的激励不会引起动臂的共振。铲运机动臂在第二阶和第四阶都出现了扭转变形，众所周知，扭转变形对动臂结构的影响较大，所以动臂的扭转刚度有待提高，主要是动臂的顶板是影响该动臂扭转刚度，因此可以采取改变（下转第178页）（上接第134页）顶板的厚度或改变顶板的材料等措施，以提高动臂扭转刚度。

【参考文献】

[1]白容.挖掘机动臂应力仿真分析与试验验证[D].浙江：浙江大学，2011：25-28.

[2]李刚.基于刚柔耦合模型的正铲液压挖掘机工作装置动态性能分析研究[D].重庆：重庆大学，2012：8-11.

[3]林幕义，史青录.单斗液压挖掘机构造与设计[M].北京：冶金工业出版社，2011.

[4]汪建华，胡晓莉.液压挖掘机动臂有限元分析方法研究[J].机械设计与制造，2013（12）：109-113.

[5]蒋小利，江志刚.应用ABAQUS的液压挖掘机动臂有限元分析[J].现代制造工程，2014（7）：109-113.

[责任编辑：汤静]