曹兵， 王松

（1.馬鋼馬鞍山鋼鐵股份有限公司第二煉鐵總廠，安徽馬鞍山 243002）

0 引言

礦山或其它作業(yè)場(chǎng)合，由于工作環(huán)境和地點(diǎn)的限制，破碎機(jī)往往需要實(shí)行遙控破碎作業(yè)，以降低工人作業(yè)危險(xiǎn)性[1-2]。現(xiàn)階段各破碎機(jī)廠家大多開發(fā)了工程機(jī)械的遠(yuǎn)程遙控技術(shù)，在遠(yuǎn)觀現(xiàn)場(chǎng)或視頻畫面操作時(shí)，需通過(guò)多次調(diào)整液壓缸的動(dòng)作進(jìn)行試湊，逐步逼近打擊點(diǎn)，打擊效率低，打擊點(diǎn)不準(zhǔn)確[3]。某公司研制的大型固定式液壓破碎機(jī)總重23.1 t，動(dòng)臂長(zhǎng)度達(dá)到19.6 m，由于動(dòng)臂柔性的影響，需對(duì)其進(jìn)行諧響應(yīng)分析，保證在正常工作時(shí)能夠避開這些頻率。

1 建立固定式液壓破碎機(jī)有限元模型

在三維CAD軟件中建立固定式液壓破碎機(jī)的幾何模型（圖1），導(dǎo)入ANSYS軟件后，采用Solid186單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)于固定式液壓破碎機(jī)的液壓錘、銷軸聯(lián)接處、液壓缸等關(guān)鍵部位，采用六面體網(wǎng)格劃分[4-5]。固定式液壓破碎機(jī)的液壓破碎錘、連桿、搖桿的材料為45鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.269，密度為 7.9×103kg/m3；其余材料為Q345，彈性模量206 GPa，泊松比為0.28，密度為7.9×103kg/m3。由于諧響應(yīng)分析為線性分析，在進(jìn)行分析的過(guò)程中只有線性行為是起作用的。將固定式液壓破碎機(jī)需要設(shè)置接觸的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合，耦合它們垂直于平面的方向；而對(duì)于銷軸上的接觸，則耦合節(jié)點(diǎn)徑向和軸向的約束。

圖1 固定式液壓破碎機(jī)模型

2 工作狀態(tài)下固定式液壓破碎機(jī)諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析可以確定一個(gè)結(jié)構(gòu)在已知頻率的載荷最作用下結(jié)構(gòu)的情況?？梢杂?jì)算出結(jié)構(gòu)在一定頻率范圍以內(nèi)載荷激勵(lì)的響應(yīng)，并且得到一些響應(yīng)值（通常是位移）對(duì)頻率的變化曲線，從這些曲線上能夠找到“峰值”的響應(yīng)，并且再進(jìn)一步觀察峰值頻率的應(yīng)力。如果激振頻率與系統(tǒng)固有頻率相同，受迫振動(dòng)的振幅就出現(xiàn)了最大值，即發(fā)生了共振，這對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大危害，因此為了防止共振現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)該遠(yuǎn)離固有頻率，一般激振頻率要遠(yuǎn)離2 Hz以上。

本文采用完全法對(duì)固定式液壓破碎機(jī)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，完全法采用完整的系統(tǒng)矩陣進(jìn)行計(jì)算諧響應(yīng)，結(jié)果更加精確。對(duì)液壓錘頭釬桿施加打擊力。通過(guò)頻率范圍和在頻率范圍內(nèi)的子步數(shù)量來(lái)規(guī)定每秒的循環(huán)次數(shù)，這里給出0～30 Hz范圍內(nèi)計(jì)算60個(gè)子步。采用POST26時(shí)間歷程后處理繪制出結(jié)構(gòu)內(nèi)的特殊點(diǎn)處的位移-頻率曲線，確定臨界的頻率和對(duì)應(yīng)的相角；然后采用POST1通用后處理關(guān)系整個(gè)結(jié)構(gòu)的臨界頻率和各相位角對(duì)應(yīng)的位移和應(yīng)力。

3 諧響應(yīng)分析的計(jì)算結(jié)果

為了說(shuō)明問(wèn)題，選取固定式液壓破碎機(jī)振型變化最大的六個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)分別是1757385（A）、1757386（B）、2272576 （C）、2268681 （D）、1751184（E）、1893721（F）。A、B節(jié)點(diǎn)位于錘頭釬桿，C節(jié)點(diǎn)位于大臂腹板處，D節(jié)點(diǎn)位于大臂油缸處，E節(jié)點(diǎn)位于連桿處，F(xiàn)節(jié)點(diǎn)位于二臂中部。然后通過(guò)ANSYS計(jì)算，得到各節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)幅值隨著頻率變化的曲線圖，本文列出2個(gè)節(jié)點(diǎn)的頻率響應(yīng)圖。圖中的橫坐標(biāo)代表簡(jiǎn)諧載荷的頻率，單位為Hz，縱坐標(biāo)代表每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)幅值，單位為mm。三條曲線中藍(lán)色的代表X方向，紫色的代表Y方向，紅色的代表Z方向。

固定式液壓破碎機(jī)在打擊狀態(tài)下受到外界激勵(lì)為0～30 Hz頻率段，在此基礎(chǔ)上整理出各節(jié)點(diǎn)響應(yīng)峰值所對(duì)應(yīng)的頻率，如表1所示。

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，各節(jié)點(diǎn)X方向（左右方向）的峰值位移均比較小，最大峰值響應(yīng)位移僅為0.79 mm，出現(xiàn)在頻率為23.5 Hz時(shí)；對(duì)于Y方向（垂直方向），在頻率為3 Hz時(shí)，節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了峰值響應(yīng)位移，最大為60.45 mm；在Z軸方向上（前后方向），峰值響應(yīng)位移出現(xiàn)在3 Hz、8 Hz的頻率上，分別達(dá)到了34.6 mm和51.57 mm。整機(jī)在Y和Z方向響應(yīng)幅值比較大，而X方向相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小。根據(jù)上文模態(tài)分析的結(jié)果，3 Hz與第二階固有頻率3.177 Hz比較相近，8 Hz與第四階固有頻率7.793 Hz相近，這兩階模態(tài)的振型同樣是在Y和Z方向上有大幅度變形。從節(jié)點(diǎn)上來(lái)看，峰值響應(yīng)位移出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)為A和B，即液壓錘頭的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。阻尼對(duì)頻率的影響十分微小，但對(duì)位移響應(yīng)卻有一定的影響。本文由于未考慮阻尼的影響，故響應(yīng)峰值的數(shù)值與實(shí)際有一定的偏差。而固定式液壓破碎機(jī)體型巨大、動(dòng)臂過(guò)長(zhǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)布線十分困難，而且在進(jìn)行打擊時(shí)裝在錘頭的傳感器無(wú)法發(fā)揮功用等原因的限制，多次的打擊試驗(yàn)都沒(méi)有取得預(yù)期的效果。在今后還會(huì)進(jìn)一步對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)，采用更先進(jìn)的儀器，進(jìn)行驗(yàn)證。

圖2 節(jié)點(diǎn)1757385頻率響應(yīng)圖

圖3 節(jié)點(diǎn)2272576頻率響應(yīng)圖

表1 各點(diǎn)峰值頻率及位移

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，低階載荷頻率對(duì)整機(jī)關(guān)鍵部位的響應(yīng)貢獻(xiàn)十分明顯，在3 Hz與8 Hz頻率附近可能會(huì)出現(xiàn)共振。在這兩個(gè)頻率范圍內(nèi)整機(jī)關(guān)鍵部位的響應(yīng)位移迅速增大，對(duì)液壓破碎機(jī)的疲勞破壞和使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此在進(jìn)行工作時(shí)，打擊頻率直接對(duì)整機(jī)的壽命產(chǎn)生影響，如果想要使整機(jī)的壽命延長(zhǎng)，就必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)還需要盡量避開在危險(xiǎn)工作頻率下進(jìn)行作業(yè)，應(yīng)當(dāng)為整機(jī)匹配合適的液壓破碎錘，最好能夠?qū)崿F(xiàn)一機(jī)一配。

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