快速液压夯实机关键部件的模态分析-.pdf

第 1 2卷第 4期 2 0 1 4年 8月 中国工程机械学报 CHI NES E J OURNAL OF CONS T RUC TI ON MACHI NE RY V0 I ． 1 2 No ． 4 Au g．2 0 1 4 快速液压 夯实机关键 部件的模态分析 司癸 卯， 肖婷婷 ， 李 鹏， 肖 鹏， 徐欣 长安大学 道路施工技术与装备 教育部重点实验室 ， 陕西 西安 7 1 0 0 6 4 摘要 利用 A N S Y S Wo r k b e n c h软件对 H H T一 3 进行模 态分 析 ， 得到箱体前 6阶 固有频率和相应 的主振 型， 并与主 要振源 的工作频率进行 比较 ． 结果表明 H I - I T一 3正常工作 时 ， 箱体 夯锤 的冲击 振动频率 和发 动机振 动频率 均小 于实 际情况 ， 因此不会发生共振 ． 关键词液压夯实机；冲击振动； 模态分析 中图分类号 U 4 1 5 ． 5 2 1 文献标志码 A 文章编 号 1 6 7 25 5 8 1 2 0 1 4 0 4 0 3 5 6 0 4 M o da l a nal ys i s o n ke y c o m p one nt s of hi g h s pe e d hy dr aul i c t am pe r s S IGui m o，XI AO Ti n g - t i n g，L IP e n g，XI AO ，XU Xi n Ke y La b o r a t o r y f o r Hi g h wa y Co n s t r u c t i o n Te c h n i q u e a n d Eq u i p me n t o f t h e Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n Ch a n g’ a n Un i v e r s i t y，Xi ’ a n 7 1 0 0 6 4，Ch i n a Abs t r ac t Th e f i r s t s i xt h o r d er s o f b o x i nh e r ent f r e q ue n c i es ， a l o n g wi t h p r i n c i p a l vi b r a t i o n mo d e s， a r e i n i t i a l l y o b t a i n e d u s i n g ANS YS W o r k b e n c h T M s o f t wa r e f o r HHT一 3 mo d a l a n a l y s i s ． B y c o mp a r i n g t h e a b o v e me n t i o n e d f r e q u e n c i e s wi t h t h e wo r k i n g f r e q u e n c i e s o f ma i n v i b r a t i o n s o u r c e s ， i t i S i n d i c a t e d f r o m r e s u l t s t h a t t h e r e s o n a n c e n e v e r o c c u r s u n d e r HHT一3 n o r ma l wo r k i n g c o n d i t i o n s 。 b e c a u s e t h e b o x t a mp e r i n g i mp a c t a nd e n gi ne vi b r a t i o n f r e q u e nc i e s a r e l owe r t h a n t ho s e o f a c t ua l s i t u a t i o ns ． Ke y wor dsh i g h s p e e d hy d r a ul i c t a mp e r；i mp a c t v i b r at i o n；mo d a l a n a l y s i s 快速液压夯实机类似于强夯机 ， 夯锤在液压力 的作用下被举升到一定高度 ， 然后在重力和液压力 的共同作用下 ， 强制夯锤下落对地基进行夯实 ， 属 于冲击压 实机械l 1 ] ． H H T一 3 h i g h s p e e d h y d r a u l i c t a mp e r ， 3表示夯锤质量 是利用液压力将夯锤提升 到 0 ． 8 ～1 ． 2 m 的高度 ， 然后在液压力 和重力 双重 作用下下落对地基进行夯实 ， 并在液压缸 的作用下 实现快速上、 下往复运动 ， 在装载机工作装 置的牵 引下机动、 灵活地对不 同位置进行准确、 快速 的有 效夯实 ， 进而满足夯实作业进行单点或连续 的夯实 要求[ ． H H T一 3箱体在机器工作时虽不 承受载荷 ， 但 在夯锤频繁冲击的影响下 ， 箱体结构受到夯锤冲击 的激励 ， 因此箱体 的强度、 刚度 和稳定性研究对保 证夯实机安全和正常工作具有重要意义． 由于夯锤 的工作状态为频繁的冲击振动 ， 因此箱体整体结构 容易发生共振 ， 引起导轨的磨损甚至进一步导致箱 体结构变形 ， 最终影响夯锤 的正常下落与上升 ． 此 外 ， 整个箱 体外壳 和连接板装置是 由钢板焊接 而 成 ， 在夯锤 的冲击下 ， 可能导致焊缝开 裂或是强度 失效 ， 而且连接板和箱体还受到动力提供装置 如 装载机或履带式挖掘机 发动机振动的影响． 因此 ， 判断夯实机箱体结构设计 的合理性 变得十分重要 ， 这也为探究快速液压 夯实机夯锤夯 实时的动态特 性、 疲劳寿命等提供一定的依据[ 6 ] ． 1 模 态分析理论 在承受动载荷的机构结构设计 中， 机构 的固有 频率和振型是两大重要参数 ． 模态分析作为主要的 作者简介 司癸卯 1 9 6 3一 ， 男 ， 副教授 ， 博士． E - ma i l s ma r t c h d ． e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 司癸卯 ， 等 快速液压夯实机关键 部件 的模态分析 3 5 7 研究方法 ， 是其他动力学 问题分析 的起点 ， 如瞬态 动力学分 析、 显 式动 力学 分 析、 谐 响应 分 析 和谱 分析[ ． 结构模态是 由结构本身 的特性 和材料特性决 定的， 与外载荷无关 ， 而结构在任意初 始条件下 以 及外载荷作用下的强迫振动都可 以由结构 的强迫 振动线性构成 ， 其数学模型为如下形式的二阶联立 微分方程[ 』 t G t 硒 t P t 1 式中 M 为系统结构质量矩阵 ， c为系统结构 的阻 尼矩阵 ， K为系统结构的刚度矩 阵， 其 中M 和K 通 常为实系数对称矩阵 ， c为非对称矩阵 ； t为 时刻 ； t 为系统各点 的位移 响应量 ； P t 为 系统 的激 振力 向量． 式 1 为耦合方程 ， 当系统 自由度较大 时求解 困难． 在模态分析 中， 取 P t 为零 ， 并 且箱体结构 阻尼很小 ， 对结构的 固有频率和振型 的影 响很小 ， 可 以忽略不计 ， 则可 由振动 的微分方程来分析 ． 由 式 1 可 以得 出箱体 结 构 的无 阻尼 自由振 动方 程为[ 。 t 硒 t 0 2 在结构做 自由振动 时， 结构上各点做简谐振动 ， 各 点位移 t Xs i n c o t d 3 式 中 x xn ， x ， ⋯， X 为未知列 向量 ， 是 节点的振幅 ， 表示结构 的振动形态 ； 向量的上角标 表示 自由度号 ； s i n t a 为时间的函数 ， 表示结 构振动各节点位移随时间的变化规律， 其 中 c U表示 结构的固有频率 ， a表示初相角 ． 对式 3 求导得 t 一 ∞。 Xs i n cot d 4 将式 3 和 4 代人式 2 计算可得 KX 一 0 5 式 5 为一典型 的广义特征值 问题 ， 若结 构发 生 自 由振动 ， 则其系数行列式为零 ， 即有 I K一 。 M l 0 6 式 6 是多 自由度体 系 自由振动频率方程 ， 是关于 高次代数方程． 它的次数为结构的 自由度 n， 因 此式 6 的根为 ∞ i ， CO ； ， ⋯， ， 对应 于 n个 ． 式 5 有 n组线性无关 的解 i 1 ， 2 ， ⋯， ． 在振动 分析中， c U 和x“ 分别是机械结构 的第 i阶固有频 率和与其对应的主振 型． 2 三维模 型建立 由于箱体及 连接板 的模 态主要取决 于 ① 箱 体钢结构的质量分布 ； ② 箱体钢结构 的刚度及其 所受的约束情况 ； ③ 箱体结构的质量体 系， 主要指 各种钢板及型钢 的质量 ； ④ 箱体结构的刚度系数 ， 主要指各种钢板组合 焊接后 的机构 刚度 ． 因此 ， 在 建立模型时候 ， 要尽可能真实地描述其结构 ， 以便 准确地在模型中再现其质量和刚度分布 ， 这对于保 障计算模型的准确性至关重要． 3 HHT一 3箱体模 态分析 3 ． 1 模型导入 利用 A N S Y S Wo r k b e n c h软件 与 S o l i d wo r k s 软 件的无缝连接特性 ， 将在 S o l i d w o r k s 软件 中建立的 H H T一 3箱体装配模型直接导人 A N S Y S Wo r k b e n c h 软件 中， 省去 了直 接在 A NS Y S Wo r k b e n c h软件 中 建模的繁琐． 3 ． 2 材料属性定义 H H T一 3箱 体 材料 ， 全 为 Q 3 4 5钢 ． 在 A NS Y S Wo r k b e n c h软件中的E n g i n e e r i n g D a t a中需要对各 个零 部 件 的 材 料 属 性 进 行 设 置 弹 性 模 量 为 2 1 0 G P a ， 泊松比为 0 ． 3 ， 密度为 7 8 5 0 k g m～． 3 ． 3 加 载 与求解 主要工作包括 定义分析类型 ， 指定分析选项 ， 施加边 界条件 ， 设置载荷选 项和进行 固有频率求 解等． 3 ． 4 模态分析结果 与其他分析的后处理过程相似， 模 态分析的结 果包括结构的固有频率和主振型． 采用有 限元软件 AWB对快速液压夯实机结构箱体系统进行模态分 析 ， 计算 出了 H HT一 3箱体 的前 6阶固有频率并得 到相应的主振型图， 为提高箱体 的设计 质量 以及保 障设备的安全运行提供 了理论依据． H H T一 3箱体可以看作是一个多 自由度的振动 系统 ， 由模态分析理论可知 ， 系统 的高阶 固有频率 对箱体及连接板的动态响应影响很小 ， 而系统 的低 阶固有频率对动态响应的影响则相对较大， 因此对 该机器只分析其低 阶固有频率便能较好地反映 出 系统的动态特性 ． 本文只提取快速液压夯实机箱体 和连接板 的前 6阶模态． 表 1为快速液压夯实机箱 体的前 6阶模态 固有频率 ， 图 1为前 6阶主振型 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 司癸卯 ， 等 快速液压夯 实机关键部件 的模态分析 3 5 9 为每 分 钟 2 0～ 4 0次 ， 则 相 应 频 率 为 0 ． 3 3～ 0 ． 6 7 H z ． 可见 ， 夯 实机工作时 ， 无论 是高档位还是 低档位 ， 夯锤 夯击 的频率都很低． 箱体 的固有频率 最低也有 3 7 ． 9 Hz ， 故夯锤工作时的夯击频率不会 与箱体的固有频率产生共振 ． 4 ． 2 发动机的振动频率 根据厂商提供 的资料 ， HH T～ 3装载机 的发动 机 的额定转速为 2 2 0 0 r rai n ～， 为六缸 四冲程直 列发动机 ． 曲轴转两圈 ， 每个缸各点火一次 ， 每一转 点火三次 ， 每次点火产生一次振动． 发 动机 运转时 引起的固有频率计算公式如下l 1 2v Z f 7 60r 式中 Z为发动机缸数 ， r为发动机冲程数 ， V为发 动机转速 ． 根据式 7 ， 计算 得发动机在额 定工作转速下 的固有频率 ，1 1 0 Hz ， 和模态分析中箱体 的固有 频率都相差很大． 由此 可见 ， 该发动机在额定转速 下的振动不会引起夯实机箱体的共振． 5 结论 本文对 H H T一 3箱体进行 了模 态分析 ， 得 到前 6阶固有频率和主振型 ， 并 与实际夯实机锤体的夯 击频率和装载机发动机的工作频率进行对 比． 在夯 实机的作业范围内， 只要驾驶员严格遵守作业流程 操作 ， 避免发动机在超 过额 定转 速下 长久工作 ， 夯 实机箱体和连接板就不会产生共振 ， 也能保证箱体 工作 的强度与可靠性 ． 参考文献 [1 ] 王瑶 ． 快速 液 压 夯 实 机 的 设 计 与 研 究 [ D] ． 西 安 长 安 大 学 ， 2 0 0 5 ． Ⅵ NG F a n． Th e d e s i g n a n d r e s e a r c h o f h i g h s p e e d h y d r a u l i c t a mp e r [ D ] ． X i ’ a n C h a n g ’ a n Un i v e r s i t y 。 2 0 0 5 ． [ 2 ] 王进， 马军星． 液压高速夯实机及其应用[ J ] ． 压实机械与施 工技术 ， 2 0 0 6 1 5 1 5 3 ． WA NG J i n ， MA J u n x i n g ． Hy d r a u l ic h i g h s p e e d c o mp a c t o r a n d a p p l i c a t i o n[ J ] ．C o m p a c t i o n Ma c h i n e r y a n d C o n s t r u c t io n Te c h n o l o g y， 2 0 0 6 1 5 15 3． [ 3 ] K R I S T I A N S E NH ， D A V I E S M． G r o u n d i m p r o v e m e n t u s in g r a p i d i m p a c t c o mpac t io n [ C] ／ ／ 1 3 t h Wo r l d C o n f e r e n c e o n E a r t h q u a k e E ngi n e e r i ng． V a n cou v e r [ s ． n ． ] ， 2 0 0 4 4 9 6 5 1 0 ． [ 4 ] 贾清辉 ， 蓝玉涛． 特殊地形路基夯压技术的开发应用 _ J ] ． 公 路交通科 技， 2 0 1 1 8 1 1 1 1 1 2 ． J I A Qi n g h u i ， L AN Y u t a o ． T h e d e v e l o p me n t a n d a p p l i c a t i o n o f s p e c i a l t e r r a i n r o a d b e d r a m p r e s s u r e t e c h n o l o g y [ J ] ． H i g h wa y Tr a f f i c S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ， 2 01 1 8 1 1 111 2． [ 5 ] S E R R I D G E C J ， S Y AN C 0 ． A p p l i c a t i o n o f t h e R a p i d I m p a c t Co mp a c t i o nRI C t e c h ni q u e f o r r i s k mi t i g a t i o n i n p r o b l e ma t i c s o i l s[ C] ／ ／ I A E G 2 0 0 6 ．L o n d o n T h e G e o l o g ic a l S o c i e t y o f Lo n d o n， 2 0 0 6 11 3． [ 6] H E Y U W， L A MME NS S， S A S P ． Mo d e l a n a l y s i s t h e o r y a n d t e s t i n g [ R ] ． L e u v e n K U L e u v e n ， 1 9 9 7 ． [ 7] 商跃进 ． 有 限元原 理与 AN S Y S应用 指南 [ M] ． 北 京 清华 大 学 出版社 ， 2 0 0 5 ． S HA N G Y u e j i n ．T h e f in i t e e l e me n t t h e o r y a n d A NS Y S a p p l i c a t io n g u i d e [M ] ． B e i j i n g Ts i n g h u a Un i v e r s i t y Pr e s s ， 2 0 0 5． [8 ] 倪振华 ． 振动力学[ M] ． 西安 西安交通大学出版社 ， 1 9 9 0 ． NI Z h e n h u a ． Me c h a n i c s o f v i b r a t i o n r M] ．X i ’a n X i ’a n J i a o tong Uni v e r s i t y Pr e s s ， 1 9 9 0． [9] 闻邦椿 ， 刘树英 ， 张纯宇 ． 机械振动学 [ M] ． 北 京 冶金工 业 出 版社 ， 2 0 0 0 ． W E N B a n g c h u n。LI U S h u y i n g，Z HANG C hu n y u ．Me c h a n i c a l v i b r a t i o n [ M] ． B e i j i n g Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 0 ． 口0 ] 刘静． 某特种车辆车架疲劳可靠性分析研究[ ． 南京 南京 理工大学， 2 0 0 7 ． L I U J i n g A s p e c hl v e h i c l e f r a me f a t i g u e r e l i a b i l i t y a n a l y s i s [ D] ．N a n j i n g N a n j i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， 2 00 7 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m