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液壓扒渣機(jī)工作臂模態(tài)分析
劉煥偉,馬蕓慧,劉鵬 2022/9/26 19:53:08
（泰山科技學(xué)院，山東泰安，271002）
模態(tài)分析介紹振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析方法理解液壓扒渣機(jī)在某一些易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，就可以準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要方法。在結(jié)構(gòu)分析中有重要的作用，機(jī)器、建筑物、航天航空飛行器、船舶、汽車等的實(shí)際振動(dòng)模態(tài)各不相同。模態(tài)分析提供了研究各類振動(dòng)特性的一條有效途徑。
關(guān)鍵詞：模態(tài)分析，故障診斷，振動(dòng)
國際上液壓扒渣機(jī)的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動(dòng)化的方向發(fā)展[8]。為滿足狹小空間挖掘裝載的需要，國外發(fā)展了斗容量在0.25m3以下的液壓扒渣機(jī)，另外，中、小型液壓扒渣機(jī)趨向于單機(jī)多功能，配備了多種工作裝置，除正鏟、反鏟外，還配備了起重、抓斗、平坡斗、裝載斗、耙齒、破碎錐、推土板、沖擊鏟、高空作業(yè)架等，以滿足各種施工的需要[5]。在上述基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)下，加速了液壓扒渣機(jī)的更新?lián)Q代進(jìn)程，并提高了其可靠性。
從國內(nèi)情況分析，我國正處在道路交通、城市建設(shè)等的高峰期，而前幾年大量投入使用的高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施，正越來越多的進(jìn)入維修保護(hù)期，人們對(duì)城市道路建設(shè)和維護(hù)以及煤氣管道、自來水管道的維護(hù)越來越高，人力是無法完成的，近幾年小型基礎(chǔ)設(shè)施逐漸增多，因此，小型化的土方工程施工機(jī)械設(shè)備必將代替人工勞動(dòng)，扒渣機(jī)可迅速有效的完成人力無法完成的工作[6]，其靈活的工作空間，便捷的運(yùn)輸方式將會(huì)取代大型設(shè)備。
液壓扒渣機(jī)是由工作臂與傳送裝置相結(jié)合，扒取和傳送功能為一體，采用液壓系統(tǒng)控制的工作裝置，主要用于隧道挖掘、哭鞍山工程及小斷面引水洞等生產(chǎn)作業(yè)空間狹小、大型機(jī)械設(shè)備難以到達(dá)的場(chǎng)所。工作環(huán)境比較惡劣，分析在極端環(huán)境下的受力情況很重要，本文對(duì)極端狀況下的工作狀態(tài)做了靜力學(xué)分析分析，對(duì)工作臂做了模態(tài)分析，建立了液壓扒渣機(jī)的仿真模型，對(duì)其進(jìn)行了仿真。
液壓扒渣機(jī)作為挖掘散料的重要設(shè)備之一，加工質(zhì)量與工作效率都需要不斷提升。液壓扒渣機(jī)主要用于礦洞、水電站引水隧洞、鐵路工程隧道等一些生產(chǎn)作業(yè)空間狹窄大型機(jī)械設(shè)難以到達(dá)的施工地點(diǎn)，進(jìn)行各種礦石、散料、泥渣的挖掘、輸送及裝車作業(yè)。液壓扒渣機(jī)對(duì)于降低工人繁重的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高施工機(jī)械化水平，提高工作效率，都起著重要作用。因此，液壓扒渣機(jī)的發(fā)展對(duì)提高狹小施工空間場(chǎng)所的工作效率具有重要意義。
傳統(tǒng)的液壓扒渣機(jī)雖然總體結(jié)構(gòu)滿足要求，但有些關(guān)鍵零部件不能滿足工作要求，致使設(shè)計(jì)出來的實(shí)體樣機(jī)，需要不斷地試驗(yàn)和改進(jìn)，這樣延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期，為了提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，利用ANSYS對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中的重要零部件進(jìn)行模擬仿真，確保設(shè)備在滿足工作要求的前提下正常工作。
液壓扒渣機(jī)在我國正處于蓬勃發(fā)展的時(shí)期，但是與國外發(fā)展還有較大的差距，易損件更換頻繁，保養(yǎng)維護(hù)成本高，在有限的工作空間內(nèi)不能靈活運(yùn)動(dòng)完成作業(yè)，因此很難完成扒取散料進(jìn)行復(fù)雜操作運(yùn)動(dòng)，也不符合現(xiàn)代企業(yè)制造多樣化和通用性生產(chǎn)的需求，因此如何研發(fā)出運(yùn)動(dòng)靈活穩(wěn)定，控制方便高效，在狹窄的工作空間內(nèi)盡可能滿足工作要求的液壓扒渣機(jī)對(duì)我們提出了強(qiáng)烈要求。
計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為液壓扒渣機(jī)的發(fā)展提供了動(dòng)力。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中。CAD/CAE軟件大大提高了工作的效率。利用ANSYS對(duì)液壓扒渣機(jī)工作過程中重要零部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析以及仿真模擬[9]，進(jìn)行液壓扒渣機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃及仿真，這樣突破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的局限性，從而提高了液壓扒渣機(jī)的設(shè)計(jì)精度，縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)省了生產(chǎn)成本。
液壓扒渣機(jī)的結(jié)構(gòu)將直接影響其工作效率，用ANSYS對(duì)工作過程中重要零部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析與仿真模擬[7]，能縮短生產(chǎn)周期，提高工作效率，確保工作的可靠性。在保證結(jié)構(gòu)合理的前提下，使其盡可能小巧靈活，增強(qiáng)實(shí)用性。
在煤礦、磷礦、鐵礦等各種礦山及鐵路、公路、水利、國防等隧道工程中進(jìn)行碎石料采集工作時(shí)，都會(huì)用到扒渣機(jī)，扒渣機(jī)的使用使得裝車變得方便，它是由機(jī)械手與輸送機(jī)相結(jié)合，扒渣和輸送裝車功能合二為一的機(jī)械設(shè)備，具有安全環(huán)保、能耗小、效率高的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，扒渣機(jī)經(jīng)常需要在空間狹小或受限的工作場(chǎng)所進(jìn)行裝車裝料工作，液壓扒渣機(jī)主要在狹小空間或者受限的工作場(chǎng)合進(jìn)項(xiàng)作業(yè)，但是現(xiàn)有扒渣機(jī)由于受各構(gòu)件尺寸和協(xié)同關(guān)系的影響，還不能根據(jù)工作場(chǎng)合的空間范圍、場(chǎng)地的環(huán)境做出適時(shí)調(diào)整，由于工作臂的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對(duì)工作臂三維建模時(shí)需要進(jìn)項(xiàng)適當(dāng)簡(jiǎn)化，在簡(jiǎn)化過程中，主要構(gòu)件的位置和尺寸不變。
扒渣機(jī)工作臂工作過程中不可避免的要發(fā)生振動(dòng)，分析工作臂的振動(dòng)情況能夠更好地對(duì)工作臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)（未完，下一頁）
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