通過有限元仿真解決堆料臂架振動(dòng)問題

楊韜

摘 要：我司所生產(chǎn)某堆料機(jī)在堆料過程中存在堆料臂架抖動(dòng)的現(xiàn)象。本文論述了如何通過有限元仿真的手段確定此堆料臂架抖動(dòng)的原因并找到最合適的解決方案。

關(guān)鍵詞：堆取料機(jī);有限元仿真;模態(tài)分析;振動(dòng);NX Nastran

我司生產(chǎn)的30m臂長(zhǎng)混勻堆料機(jī)（堆料機(jī)上部鋼結(jié)構(gòu)如圖1所示）在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)堆料作業(yè)時(shí)臂架存在有規(guī)律的上下抖動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員測(cè)得抖動(dòng)周期約為0.4s，臂架頭部抖動(dòng)幅度約為30mm。這種抖動(dòng)對(duì)設(shè)備的使用壽命甚至安全運(yùn)行有較大影響，必須予以消除。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的抖動(dòng)特點(diǎn)初步判斷堆料臂架發(fā)生了共振。查閱設(shè)備相關(guān)參數(shù)后發(fā)現(xiàn)設(shè)備抖動(dòng)頻率與物料在堆料臂架托輥間通過的頻率一致（托輥間距為1m;物料運(yùn)行速度為2.5m/s，物料在膠帶上的分布存在一定的不均勻性，從而產(chǎn)生一個(gè)2.5Hz的震動(dòng)源）。

為確定堆料臂架抖動(dòng)的原因，對(duì)該堆料臂架進(jìn)行基于NXNastran軟件的有限元仿真，以校驗(yàn)此臂架的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性及固有頻率是否能夠保證設(shè)備安全、平穩(wěn)運(yùn)行。仿真內(nèi)容包括靜力學(xué)仿真、模態(tài)仿真。

此臂架鋼結(jié)構(gòu)所用鋼板為Q355材質(zhì)，型鋼為Q235材質(zhì)。建立鋼結(jié)構(gòu)有限元模型，以殼單元模擬臂架的鋼板部分;以桿單元模擬臂架的前后拉桿、液壓缸;以梁?jiǎn)卧M斜拉角鋼等型材;按GB8849中Ⅰ類載荷進(jìn)行加載，以質(zhì)量單元模擬滾筒、托輥、配重等載荷。建立仿真模型和線性靜力和模態(tài)解算方案并進(jìn)行解算。

仿真結(jié)果顯示，臂架最大變形量為92.91mm，最大變形處在臂架頭部，臂架整體應(yīng)力值（仿真結(jié)果取von Mises應(yīng)力值）較低，最大應(yīng)力190.00MPa（如圖2示）。臂架剛度、強(qiáng)度均滿足使用要求。臂架線性屈曲仿真所得第一階特征值為8.18，第二階特征值為11.23，第三階特征值為11.33，臂架穩(wěn)定性滿足使用要求。模態(tài)仿真所得第一階特征值為1.485Hz;第二階特征值為1.83Hz;第三階特征值為2.33Hz。第一階模態(tài)振型為臂架整體水平方向振動(dòng)，第二階、第三階模態(tài)振型為臂架前部整體豎直方向振動(dòng)（如圖3示）。第三階模態(tài)振型和頻率與物料在臂架上通過時(shí)的震動(dòng)頻率比較接近。

總結(jié)以上結(jié)果可得出如下結(jié)論：結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性都滿足要求，只是在模態(tài)分析結(jié)果中發(fā)現(xiàn)存在共振的可能。

綜合現(xiàn)場(chǎng)情況和有限元仿真結(jié)果，確定設(shè)備抖動(dòng)原因?yàn)楸奂芘c物料運(yùn)動(dòng)共振。明確改進(jìn)方向?yàn)橥ㄟ^進(jìn)一步提高堆料臂架的整體剛度來改變臂架的固有模態(tài)，避開可能發(fā)生共振的區(qū)域。設(shè)備設(shè)計(jì)者提出了多個(gè)改進(jìn)方案，包括增加拉桿數(shù)量、增加臂架部分腹板厚度、改變吊點(diǎn)位置等。通過對(duì)比這些方案的有限元仿真結(jié)果，并考慮現(xiàn)場(chǎng)施工的難易程度及經(jīng)濟(jì)性，最終確定具體改進(jìn)方案為：臂架原吊點(diǎn)前移2000mm;在臂架中部增加一組拉桿（如圖4所示）。

對(duì)改進(jìn)后的堆料臂架再次進(jìn)行模態(tài)仿真，所得仿真結(jié)果如下：第一階模態(tài)特征值為1.63Hz，振型為臂架整體水平方向振動(dòng)（如圖8所示）;第二階特征值為1.99Hz，振型為臂架整體豎直方向振動(dòng);第三階特征值為2.97Hz，振型為臂架前部整體扭轉(zhuǎn)。由以上仿真結(jié)果可知，改進(jìn)后的臂架不再有2.5Hz左右的固有頻率，不會(huì)再與臂架上物料共振。

總結(jié)：現(xiàn)場(chǎng)按照本文中所述方案對(duì)堆料臂架進(jìn)行了改造，改造后的設(shè)備在堆料過程中運(yùn)行平穩(wěn)，沒有再發(fā)生臂架抖動(dòng)的情況。此次仿真計(jì)算成功確定了設(shè)備產(chǎn)生抖動(dòng)問題的原因，并篩選出了最優(yōu)的解決方案，避免了現(xiàn)場(chǎng)盲目施工導(dǎo)致?lián)p失的同時(shí)也提高了解決問題的效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈春根 聶文武 裴洪杰等.《UGNX8.5有限元分析入門與實(shí)例精講》.機(jī)械工業(yè)出版社，2015.03

[2]張峰 .《NXNastran基礎(chǔ)分析指南》.清華大學(xué)出版社，2005.12