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正文

矿用挖掘式装载机工作机构模态分析

摘要:针对矿用挖掘式装载机工作机构振动问题,运用有限元软件ANSYS建立三维结构模型,进行振动特性分析,得到模态振型图。结果表明,挖掘式装载机工作机构的前八阶非零模态振型图满足力学性能要求,符合动力学变化规律。该结果为挖掘式装载机的正常运行提供参考价值。
关键词:工作机构;模态分析;动力学;装载机
0、引言
      矿用挖掘式装载机是煤矿机械中关键的工程掘进机械化设备,其工作机构的振动情况直接关系到生产效率的高低、设备的稳定性及零部件工作的可靠性。挖掘式装载机的工作环境极其恶劣,工作机构位置不断变化及交变载荷等因素,致使其在运行过程中产生振动,振动情况加剧则会影响工作效率。本文利用理论分析、数值仿真相结合的方法,对挖掘式装载机工作机构进行模态分析,提取前八阶非零模态振型,为挖掘式装载机正常运行提供参考价值。
1、工作机构力学分析
      挖掘式装载机进行工作时,挖掘阻力是挖掘过程中的主要阻力,可以分解为法向和切向挖掘阻力。
      法向挖掘阻力(1)
      切向挖掘阻力(2)
      式中:K0-挖掘比系数 N/mm2;b-挖掘宽度 m;hmax-最大挖掘深度m;τ-挖掘阻力系数。
2、工作机构三维模型
      矿用挖掘式装载机工作机构采用 Solidworks 参数化建模,能够有效实现无缝合成,铲斗材料为 Q345,大臂、小臂材料为 16Mn,如图 1 所示。
挖掘式装载机工作机构三维模型_期刊发表



图 1 挖掘式装载机工作机构三维模型
3、振动特性分析

      模态分析是煤矿机械设备进行动力响应的基础,是研究结构动力特性的一种分析方法。由表 1 可知,挖掘式装载机工作机构模态分析中的 8 阶固有频率 2.42e-005~73.22Hz,提取前八阶非零模态振型。在工作过程中,应该尽量避开振型的变形较大频率,以免结构断裂。
挖掘式装载机工作机构振动频率_论文发表


表 1 挖掘式装载机工作机构振动频率
       图 2 为矿用挖掘式装载机工作机构的前八阶非零模态振型,工作机构在不同的频率下,振型变形的最大值和最小值不同,即变化趋势不同。第 8 阶振型最大变形约为14.76mm,第 1 阶振型最小约为 0.34mm,而第 3 阶振型最大变形约为 0.88mm,最小约为 0.09mm,变形最大值开始向增大的趋势发展。第 4 阶振型为俯仰挥舞,第 5 阶振型为径向挤压并伴随扭转变形,该两阶振型之间存在一定的耦合关系,即第 4 阶振型是基础,在一定程度上影响第 5阶振型,第 5 阶振型变形量较大,需要避免在该频率下工作,以免发生结构的破坏。第 6 阶振型相对于第 7 阶振型的变形最大值趋于减小,最大变形约为 14.76mm,最小约为 1.64mm,第 10 阶振型最大变形约为 8.96mm,最小约为1.9mm,然而,该振型最大值的变形发生的结构面积很小,整体呈蓝颜色。
挖掘式装载机工作机构模态振型_期刊发表


















图 2挖掘式装载机工作机构模态振型
4、结 语
      经过对矿用挖掘式装载机工作机构模态分析,得到结论如下:①对矿用挖掘式装载机工作机构进行模态分析, 提取前八阶非零模态振型,其中第 4 阶与第 5 阶构成耦合关系;②对工作机构的液压连杆进行了定量的变形分析,最大变形产生在连杆的左端处,不易形成断裂现象;③模态振型为挖掘式装载机工作机构的安全运行提供参考价值。
参考文献:
1、吴卫萍.矿用装载机铲斗有限元强度分析[J].长春工程学院学报(自然科学版),2016,17(02):42-45.
2、王海芳,汪澄,戴亚威.装载机铲斗有限元及疲劳分析[J].煤矿机械,2016,37(01):96-98.
3、李晓豁,石峥嵘,吕良玉,等.矿用挖掘式装载机铲斗铲取散体煤岩随机载荷的模拟[J].工程设计学报,2014,21(04):329- 333,339.
4、鲍建伟,李建平,杜长龙,胡滨.挖掘式装载机工作装置有限元分析[J].煤炭科学技术,2010,38(08):111-114.

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矿用挖掘式装载机工作机构模态分析
摘要:针对矿用挖掘式装载机工作机构振动问题,运用有限元软件ANSYS建立三维结构模型,进行振动特性分析,得到模态振型图。结果表明,挖掘式装载机工作机构的前八阶非零模态振型图满足力学性能要求,符合动力学变化规律。该结果为挖掘式装载机的正常运行提供参考价值。
关键词:工作机构;模态分析;动力学;装载机
0、引言
      矿用挖掘式装载机是煤矿机械中关键的工程掘进机械化设备,其工作机构的振动情况直接关系到生产效率的高低、设备的稳定性及零部件工作的可靠性。挖掘式装载机的工作环境极其恶劣,工作机构位置不断变化及交变载荷等因素,致使其在运行过程中产生振动,振动情况加剧则会影响工作效率。本文利用理论分析、数值仿真相结合的方法,对挖掘式装载机工作机构进行模态分析,提取前八阶非零模态振型,为挖掘式装载机正常运行提供参考价值。
1、工作机构力学分析
      挖掘式装载机进行工作时,挖掘阻力是挖掘过程中的主要阻力,可以分解为法向和切向挖掘阻力。
      法向挖掘阻力(1)
      切向挖掘阻力(2)
      式中:K0-挖掘比系数 N/mm2;b-挖掘宽度 m;hmax-最大挖掘深度m;τ-挖掘阻力系数。
2、工作机构三维模型
      矿用挖掘式装载机工作机构采用 Solidworks 参数化建模,能够有效实现无缝合成,铲斗材料为 Q345,大臂、小臂材料为 16Mn,如图 1 所示。
挖掘式装载机工作机构三维模型_期刊发表



图 1 挖掘式装载机工作机构三维模型
3、振动特性分析

      模态分析是煤矿机械设备进行动力响应的基础,是研究结构动力特性的一种分析方法。由表 1 可知,挖掘式装载机工作机构模态分析中的 8 阶固有频率 2.42e-005~73.22Hz,提取前八阶非零模态振型。在工作过程中,应该尽量避开振型的变形较大频率,以免结构断裂。
挖掘式装载机工作机构振动频率_论文发表


表 1 挖掘式装载机工作机构振动频率
       图 2 为矿用挖掘式装载机工作机构的前八阶非零模态振型,工作机构在不同的频率下,振型变形的最大值和最小值不同,即变化趋势不同。第 8 阶振型最大变形约为14.76mm,第 1 阶振型最小约为 0.34mm,而第 3 阶振型最大变形约为 0.88mm,最小约为 0.09mm,变形最大值开始向增大的趋势发展。第 4 阶振型为俯仰挥舞,第 5 阶振型为径向挤压并伴随扭转变形,该两阶振型之间存在一定的耦合关系,即第 4 阶振型是基础,在一定程度上影响第 5阶振型,第 5 阶振型变形量较大,需要避免在该频率下工作,以免发生结构的破坏。第 6 阶振型相对于第 7 阶振型的变形最大值趋于减小,最大变形约为 14.76mm,最小约为 1.64mm,第 10 阶振型最大变形约为 8.96mm,最小约为1.9mm,然而,该振型最大值的变形发生的结构面积很小,整体呈蓝颜色。
挖掘式装载机工作机构模态振型_期刊发表


















图 2挖掘式装载机工作机构模态振型
4、结 语
      经过对矿用挖掘式装载机工作机构模态分析,得到结论如下:①对矿用挖掘式装载机工作机构进行模态分析, 提取前八阶非零模态振型,其中第 4 阶与第 5 阶构成耦合关系;②对工作机构的液压连杆进行了定量的变形分析,最大变形产生在连杆的左端处,不易形成断裂现象;③模态振型为挖掘式装载机工作机构的安全运行提供参考价值。
参考文献:
1、吴卫萍.矿用装载机铲斗有限元强度分析[J].长春工程学院学报(自然科学版),2016,17(02):42-45.
2、王海芳,汪澄,戴亚威.装载机铲斗有限元及疲劳分析[J].煤矿机械,2016,37(01):96-98.
3、李晓豁,石峥嵘,吕良玉,等.矿用挖掘式装载机铲斗铲取散体煤岩随机载荷的模拟[J].工程设计学报,2014,21(04):329- 333,339.
4、鲍建伟,李建平,杜长龙,胡滨.挖掘式装载机工作装置有限元分析[J].煤炭科学技术,2010,38(08):111-114.