液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析

1、液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析楊先平1,劉樹道2(11廣東省機(jī)械設(shè)備成套局,廣州510030;21華南理工大學(xué),廣州510640摘要:為了研究液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性,借助有限元軟件ANSYS對液壓挖掘機(jī)進(jìn)行了模態(tài)分析?？疾炝似涔逃蓄l率和振型,評估其動態(tài)特性,通過改進(jìn)結(jié)構(gòu),改善了其動力學(xué)性能。關(guān)鍵詞:液壓挖掘機(jī);模態(tài)分析;固有頻率;有限元;結(jié)構(gòu)動力學(xué)中圖分類號:T U621文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1001-3881(200511-087-2Ana lysis on Structura l D ynam i c Character isti cs of Hydrauli c ShovelY ANG

2、Xian2p ing1,L I U Shu2dao2(11Guangdong Pr ovince Comp lete Machinery Equi pment Bureau,Guangzhou510030,China;21South China University of Technol ogy,Guangzhou510640,China Abstract:To study the structural dyna m ic characteristics of hydraulic shovel,the mode of hydraulic shovel was analyzed in vir2

3、tue of ANSYS,the natural frequency and the model of vibrati on were studied,and the dyna m ic characteristics was evaluated and i m2 p r oved in virtue of structural dyna m ics theory1Keywords:Hydraulic shovel;Modal analysis;Natural frequency;Finite ele ment;Structural dyna m ics振動特性是衡量液壓挖掘機(jī)性能的一個重要指

4、標(biāo),通過對液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)特性研究有利于了解液壓挖掘機(jī)的振動特性,有限元法為液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)動態(tài)特性研究提供了有力的工具,借助ANSYS 對液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,找出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的薄弱環(huán)節(jié),通過結(jié)構(gòu)動力學(xué)修改來改善其結(jié)構(gòu)動態(tài)特性。1建立有限元模型建立的有限元模型必須真實(shí)地反映挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性,在有限元建模過程中須考慮實(shí)體模型的建立、單元類型的選取、單元數(shù)量的控制、連接方式的模擬等問題。由于液壓挖掘機(jī)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件多、連接關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn),因此采用混合建模的方法,即用PRO/E生成工作裝置、行走裝置、轉(zhuǎn)臺、液壓件及連接件等主體部分,而像駕駛室、配重、發(fā)動機(jī)及水箱等非承載件直接在AN

5、SYS中生成節(jié)點(diǎn)和單元,然后通過布爾操作,完成建模。像用鈑金件焊接而成的部件,在Pro/E中建立surface特征來完成建模,而像液壓件、連接件等部件,則建立cure特征來完成建模,而對于非承載件則在ANSYS中直接生成點(diǎn)模型?？紤]到液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)的實(shí)際工況和力學(xué)特性,行走裝置、回轉(zhuǎn)臺、工作裝置用SHELL63單元模擬;駕駛室、配重、發(fā)動機(jī)及水箱等等非承載件用MASS21單元模擬;而液壓件及連接件則用BEAM4單元模擬。在保證計(jì)算的目的和精度的前提下,單元數(shù)量的控制是出于減少計(jì)算對硬件的要求和節(jié)省計(jì)算費(fèi)用的考慮。模態(tài)分析所關(guān)心的是整體結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量分布及約束關(guān)系,對結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分可以使網(wǎng)格密

6、度盡量的低,不同的區(qū)域采用不同的網(wǎng)格密度,所關(guān)心的區(qū)域和變化梯度較大的區(qū)域,采用小尺寸的網(wǎng)格單元;而在非關(guān)心的區(qū)域和變化梯度較小的區(qū)域,則采用大尺寸的網(wǎng)格單元。因?yàn)橐簤和诰驒C(jī)工作裝置各部件之間、回轉(zhuǎn)臺與行走裝置之間存在著傳動關(guān)系,所以它們之間必須進(jìn)行節(jié)點(diǎn)自由度耦合才能準(zhǔn)確反映它們之間的力學(xué)特性,除去傳遞方向的自由度之外,其它自由度施加位圖1有限元模型移約束。另外,挖掘機(jī)車身主要部件是通過鈑金件采用縫焊工藝加工而成,用節(jié)點(diǎn)融合的方法能準(zhǔn)確反映它們的力學(xué)特性。最終建立的有限元模型如圖1所示。建立的有限元模型共SHELL63單元9127個,BEAM4單元578個,MASS21單元5個。2有限元模態(tài)計(jì)

7、算結(jié)果分析表1固有頻率及振型描述階數(shù)固有頻率/Hz振型描述101645車身彎曲21179車身扭轉(zhuǎn),33128車身扭轉(zhuǎn),動臂與斗桿連接軸處振型突變44199車身彎曲,56149車身彎曲,61015車身扭轉(zhuǎn),動桿與回轉(zhuǎn)臺連接軸處振型突變71817車身扭轉(zhuǎn),挖斗與斗桿連接軸處振型突變82213車身整體彎曲有限元模態(tài)分析采用lanczos算法,取前8階模態(tài),由于車身結(jié)構(gòu)在模態(tài)分析時不施加約束,前幾階為剛體模態(tài),其固有頻率可以忽略,固有頻率從大于0101Hz開始算起,表1為固有頻率及振型描述。通過對固有頻率和振型分析,可以對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)性能評估,一般準(zhǔn)則如下:車身結(jié)構(gòu)的低階頻率,即整體一階扭轉(zhuǎn)和一階

8、彎曲頻率值應(yīng)該低于發(fā)動機(jī)怠速的頻率,以避免發(fā)生車體與發(fā)動機(jī)產(chǎn)生共振現(xiàn)象;車身結(jié)構(gòu)的頻率應(yīng)該低于發(fā)動機(jī)經(jīng)常工作的頻率,以避免發(fā)生共振現(xiàn)象;車身結(jié)構(gòu)的振型應(yīng)該盡量光滑連續(xù),避免發(fā)生突變現(xiàn)象;子結(jié)構(gòu)之間要避免模態(tài)耦合。從模態(tài)分析結(jié)果可以得出:一階扭轉(zhuǎn)頻率值和一階彎曲頻率值相差較大,它們不會發(fā)生相互耦合的情況。根據(jù)發(fā)動機(jī)爆發(fā)頻率公式計(jì)算出發(fā)動機(jī)怠速工作頻率為35Hz左右,它遠(yuǎn)高于挖掘機(jī)車身的一階、二階頻率值,能夠避免與整車產(chǎn)生共振現(xiàn)象。發(fā)動機(jī)正常工作的爆發(fā)頻率為105Hz左右,高于挖掘機(jī)前8階固有頻率,也不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。但是車身的扭轉(zhuǎn)振型不夠光滑連續(xù),在連接軸處的扭轉(zhuǎn)振動突變明顯,產(chǎn)生的原因主要是因

9、為連接軸處的剛度偏小,導(dǎo)致液壓挖掘機(jī)振動變形較為嚴(yán)重。3結(jié)構(gòu)的改進(jìn)在結(jié)構(gòu)的動力學(xué)分析中,結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量、阻尼構(gòu)成了三個基本參數(shù),且這三個變量是相互關(guān)聯(lián)的,只是對改變結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性影響程度不同。對于液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)而言,改變結(jié)構(gòu)的阻尼較為困難,通過結(jié)構(gòu)靈敏度分析可知:結(jié)構(gòu)對剛度的改變較結(jié)構(gòu)對質(zhì)量的改變更為敏感。因此在進(jìn)行修改時,選擇敏感部位進(jìn)行剛度修改可作為結(jié)構(gòu)修改變量,通過修改動臂與回轉(zhuǎn)裝置之間、挖斗與斗桿之間等處的連接軸的軸徑后重新計(jì)算出其固有頻率和振型,表2為結(jié)構(gòu)修表2結(jié)構(gòu)修改前后固有頻率對照表1234567 8前016451179312841996149101518172213后0163

10、61176416241956138716914141917改前后固有頻率對照表:圖2,3為第七階前后振型對照。從修改前后的扭轉(zhuǎn)振型(篇幅有限,僅僅列第七階振型對照圖和頻率可以看出,修改后的扭轉(zhuǎn)振型的扭轉(zhuǎn)變形得到一定程度的收斂,在增加了連接軸處的軸徑之后,剛度得到加強(qiáng),修改后的彎曲頻率沒有明顯變化,而扭轉(zhuǎn)頻率有顯著降低,這說明連接軸處的剛度對車身扭轉(zhuǎn)變形有顯著影響。4小結(jié)采用ANSYS對液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,建立精確的有限元模型至關(guān)重要,通過模態(tài)分析結(jié)果評估其動態(tài)特性,發(fā)現(xiàn)連接軸處的振型易產(chǎn)生突變現(xiàn)象,通過修改敏感部位的剛度,改善了車身結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性,從而提高了液壓挖掘機(jī)的性能。參考文獻(xiàn)【

11、1】日大久保信行1機(jī)械模態(tài)分析1上海交通大學(xué)出版社,1985191【2】ANSYS公司1ANSYS技術(shù)指南1ANSYS公司廣州辦事處,20031【3】傅志方1振動模態(tài)與參數(shù)辨識1機(jī)械工業(yè)出版社, 19901【4】馮國勝1客車車身結(jié)構(gòu)的有限元分析1機(jī)械工程學(xué)報,1999(11作者簡介:楊先平,工學(xué)碩士,主要從事車輛設(shè)計(jì)方法與CAE研究。E-mail:atf05241631com。收稿時間:2005-09-16(上接第86頁通過對汽車直接橫擺力矩控制系統(tǒng)液壓回路的建模、仿真可以看出,當(dāng)車輛處于橫向不穩(wěn)定狀態(tài)時,液壓回路可以根據(jù)電子控制單元指令的要求,不斷地通過壓力狀態(tài)的高速切換,實(shí)現(xiàn)所需要的壓力調(diào)節(jié),保持汽車的橫向穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)【1】郭孔輝,劉溧,丁海濤,李玉旋1汽車液壓制動系統(tǒng)的液壓特性J1吉林工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報,1999(4:151【2】李鋒,馬長林1液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的Si m ulink仿真與