基于ANSYS的分级破碎机分体式机架的模态分析

马 浩

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

机架相当于分级破碎机的工作平台，它的稳定性直接关系到分级破碎机的使用寿命和工作可靠程度[1]。分体式机架改变了原整体式机架的结构，使设备的固有频率发生变化。使用ANSYS Workbench对分体式机架进行模态分析，得到分体式机架的振型分布，可以对分体式机架的结构设计提供理论支持，并进行相应的设计改进[2]。

1 有限元模型建立

1.1 分体式机架的基本结构

分体式机架的设计采用了在常规机架的基础上分割再连接的设计，主体部分为类H型钢结构，在机身设置多处立筋加强结构强度[3]。主要参数为：机身尺寸7 768 mm×3 630 mm×607 mm，上下面板和腹板厚度均为30 mm，行走轮轴距分别为3 912 mm和3 159 mm，轮间距为2 563 mm。

分级破碎机结构简图如图1所示，三维建模工具使用Solidworks2013[4]。模型导入ANSYS Workbench前，为了提高计算效率，同时保证计算的精度，将模型中的圆角、倒角、孔结构等对计算结果影响较小的特征忽略不计。同时假设所有焊接均为理想焊接，焊接材料的性质和其他区域一致。然后将模型转化为stp通用格式，导入到ANSYS Workbench平台进行分析和计算，有限元模型如图2所示[5]。

1—腔体；2—主轴；3—轴承座；4—减速机；5—电机；6—机架

图2 分体式机架有限元模型

1.2 网格划分、添加约束条件

根据实际应用情况，机架材料选用Q235-A，在对应的ANSYS Workbench材料库Engineering Data中选用Structural Steel[6]，其主要参数见表1。

表1 机架材料性能参数

分体式机架的断开点设置在减速机和电机地脚中间，连接点共设置4处，每一处连接点通过20条M24的螺栓连接，其中顶面分布8条，侧面分布12条。因为分析整个机架，且连接点处有很大的摩擦阻力，可以假定此处为刚性连接[7]。

设定Element Size为15 mm，有限元网格划分节点数为1 100 627，单元数为582 815，结果如图3。

图3 机架网格划分结果

分体式机架底面设置3对行走轮，通过行走轮放置在行走轨道上，依靠设备自重和行走轮、轨道之间的摩擦保持静止。由于设备运行时两破碎辊相向运动，抵消了水平方向的受力，即水平方向合力为零，可以认为机架是通过行走轮固定在行走轨道上，因此在机架行走轮轴处添加fixed support约束点类型[8]，其约束点情况见图4。

图4 分体式机架约束点情况

2 模态计算和结果分析

由于低阶频率对结构的动力性能影响较大，对分体式机架的前6阶模态进行分析，来确定机架对不同动力载荷的响应[9]。右击Solution，选择Solve进行求解。求解过程完成后，机架的前6阶动态响应和振型如表2所示。

表2 整机固有频率表

破碎机机架的动态响应以及振型见图5。由图5可以看出：第1、2阶振型接近，固有频率分别为44.444 Hz和59.144 Hz，整机振型均以侧板下方的机架沿Y、Z方向的摆动变形为主，说明此阶段机架主要是侧板下方部位的振动为主。

图5 第1、2、3、4、5、6阶模态与振型

第2至6阶固有频率接近，分别为67.495、71.365、74.155、76.852 Hz。第3、4阶振型主要以侧板下方的机架沿X轴的扭转变形为主。第5、6阶振型振动在此基础上，电机和减速机下方机架振动加大，且以水平方向的摆动变形为主[10]。

3 结论

分体式机架的设计，很好地解决了在向井下运输分级破碎机过程中最大运输尺寸限制的问题，通过模态分析对分体式机架的结构设计提供理论支持。分体后的结构稳定性一定程度上影响着整机的可靠性，通过ANSYS Workbench工作平台对分体式机架进行模态分析，得到其低阶的振动特性[11]。通过振型图可以看到，分体式机架的振动主要集中在侧板位置，结合处无明显振动，因此，机架的摆动和扭转是其结构动态特性的主要表现形式。由于振动集中在侧板位置，分体位置避开了机架振型突出部位，机架的固有频率对分体位置的振动没有明显影响。

参考文献：

[1] 郎宝贤.颚式破碎机机架结构设计[J].冶金矿山设计与建设，1997(5):32-36.

[2] 杨明亮，徐格宁，常争艳，等. 基于有限元法的桥式起重机桥架模态分析[J].机械科学与技术，2012，31(1):135-137.

[3] 吴迪清，卢炎麟，陈宛兵，等.基于有限元的叉车车架模态分析及优化[J].轻工机械，2010，28(4):47-50,53.

[4] 李瑞虎，王 凯，谢国灿.基于ANSYS的平面凸轮有限元模态分析[J].机械传动，2006(6):61-63.

[5] 谢世坤，程从山.基于ANSYS的边梁式车架有限元模态分析[J].机电产品开发与创新，2005(1):76-78.

[6] 于天彪，王学智，关 鹏等.超高速磨削机床主轴系统模态分析[J].机械工程学报，2012，48(17):183-188.

[7] 马 岩，詹 东，许洪刚，等.基于有限元的薄木刨切机机架分析与设计[J].木工机床，2017(1) :6-10.

[8] 吕 廷，石秀东，张秋菊，等.基于ANSYS的破碎机机架模态分析[J].机械设计与制造，2008(11)：99-101.

[9] 赵四海，刘力强，骆铁楠. 锤式破碎机动态仿真研究[J].煤炭科学技术，2008 (11) :66-68.

[10] 赵丽梅，陈伦军，苏 明，等. 反击式破碎机破碎过程建模与仿真分析[J].煤炭学报，2013，38(8):1496-1502.

[11] 周明刚，张 露，陈 源，等. 基于灵敏度分析的船式拖拉机机架结构优化设计[J].农业工程学报，2016，32(12):54-60.