重型清障车吊臂结构模态有限元分析

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1、图7 起重臂的阶屠曲模态运用A P D L 在A N S Y S 环境下对起重臂的局部稳定性有限元分析所作的二次开发，使得进行此方面的分析变得非常容易实现，从而解决了起重臂局部稳定性分析难以进行的问题，仅需略懂A N S Y S软件的操作，即可进行分析，具有较强的推广应用价值。参考文献【1 施云权，王美成起重臂局部屈曲的有限元分析叨工程机械，2 0 0 6(8)：3 3 3 5【2】纪爱敏，彭铎，刘木南三种工况下大型吊臂的有限元分析叨工程机械，2 0 0 6(2)：3 0-3 3【3】纪爱敏，张培强，彭铎，等起重机伸缩吊臂局部稳定性的有限元分析圈农业机械学报，2。4，3 5(6)：4 8 5

2、1，【4】博弈创作室A P D L 参数化有限元分析技术及其应用实例 M】北京：中国水利水电出版社，2 0 0 4 通信地址：江苏常州河海大学机电工程学院(2 1 3 0 2 2)(收稿日期：2 0 0 7 0 7 1 7)北华大学张占国吉林沱牌农产品开发有限公司周金来摘要：利用A N S Y S 软件对重型清障车吊臂进行模态分析，结果表明，该型清障车吊臂的各阶振型主要表现为弯曲和扭曲，会影响清障车起吊作业的稳定性和安全性。主要的外界振源包括：清障车行驶中地面的作用、发动机的作用、吊臂的变幅运动，以及起重作业时提升重物的运动和吊臂的回转。其中，地面激振频率比较复杂，难以找到规律。由于通常情况下

3、发动机的工作转速n 的范围在6 0 0 80 0 0d m i n之间，因此可大致推算出可能对吊臂产生较大影响(共振)的发动机转速n 为17 4 0r m i n、39 5 0r m i n(吊臀全缩状态)和15 2 0r r a i n、22 2 0r r a i n(吊臂全伸状态)。实际操作中，应尽量避免在这些转速附近工作。认为共振会导致变幅液压缸处有较大局部变形，设计时，应适当增加变幅液压缸铰接处的强度和刚度，以提高清障车的安全性和稳定性。k-o 啼c _ o o c _ o 一c o o 咖o c-o K _-o 蝴o K 州帅一忡6 州一脚洲吣“嵋州一0 o K 州洲“H o关键词：

4、I u 螨Y s 重型清障车吊臂有限元模态重型清障车是一种多功能、大吨位的重型公路救援清障设备，可完成对公路上发生故障、事故车辆的救援、清障工作。一般都具备托牵行驶能力、对故障、事故车辆(翻车)的扶正能力、起重作业和曳行能力，还配置了多种救援清障附件，可适配公路行驶的国产、进口重型车辆。如图1 所示，重型清障车由底盘(下车)和救援清障系统(上车)两大部分组成。救援清障系统为全液压动力驱动，由两节伸缩式箱形吊臂、左右绞车、托架、副车架、前后活动支腿和救援附件构成。工作时，可用托架将前桥或后桥托起，使发生故障或事故的车辆及时脱离现场；吊臂与液压绞盘配合，可扶正一3 4 一倾翻车辆，使其便于托拖或牵

5、引；本车装备有两台液压绞盘，可对损坏车辆进行拖曳。吊臂可上下伸缩，增强了救援的灵活性，加大了起重能力。托架可选择使用多种托举工具，用于处理不同的事故车辆，包括小汽车、面包车、轻、中、重型卡车、集装箱、牵引车、半挂车等。托架采用快速分拆式设计，以方便维修或更换。清障车的吊臂在起吊作业时，由于受到起升载荷及起升运行冲击的作用，将引起吊臂的振动，振动严重时会使其结构遭到破坏。因此，很有必要对清障车吊臂结构进行模态分析，计算出其固有频率和振型向量，为整体响应分析提供重要的模态参数，同时瞄囡誓曩震黧瓣褰j 图1重型清障车结构图也为改进结构设计提供理论依据。模态分析是近代研究结构动力特性的一种方法，是系统

6、辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，则称为试验模态分析。振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下的实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。1 结构模态分析的力学模型1

7、 1 结构分析及坐标系的选择如图2 所示，吊臂由基本臂和伸缩臂组成，主要承受轴向压力及弯矩。两节臂均采用闭口箱形结构，矩形截面，其制造工艺简单，具有较好的抗弯能力与抗扭刚度。吊臂内部安装有执行伸缩臂相对基本臂伸缩任务的液压缸。两节臂间有相对滑动，靠其中的支撑滑块来支撑并传递作用力。基本臂根部与转台铰接，可以相对转动。基本臂下部与变幅液压缸铰接，可改变吊臂仰角。吊臂端部安装有起升滑轮组。吊臂的性能参数：额定起重量：全缩1 6 0k N，全伸8 0k N；最小仰角：6 0，最大仰角：5 1 0。吊臂材料及特性：基本臂和伸缩臂均用厚为5m m 的1 6 M n 高强度钢板折弯焊接而成，其它的板类零、

8、部件及伸缩臂下底面焊接的两块滑块材料也均为1 6 M n 高强度钢板，基本臂与伸缩臂上的其它滑块材料为尼龙1 0 1 0。1 6 M n 的弹性模量为2 0 7 1 0 1 1N m 2，泊松比为0 3，屈服极限3 4 5M P a；尼龙1 0 1 0转台(固定铰支座)图2吊臂结构图一3 5 的弹性模量为1 0 7 1 09 N m 2,泊松比为0 4，密度为1 0 5 1 0 3k g m 3 抗压强度为6 5M P a。本文中，是以基本臂最右端的矩形截面中心为坐标原点，以基本臂长度的方向为x 轴，以高度的方向为y 轴，以宽度的方向为z 轴，且符合右手螺旋法则。1 2 模型的建立及简化处理根

9、据各结构部件的几何尺寸和工作时的受力特点，在对吊臂离散化时采用3 种单元，将变幅液压缸、伸缩液压缸模拟为L I N K 8 杆单元，将吊臂安装固定铰支、变幅液压缸安装轴、伸缩液压缸安装轴及滑轮组的安装轴模拟为B E A M l 8 8 梁单元，将由材料为1 6 M n 钢板焊接而成的基本臂和伸缩臂及各类加强板、立板、耳板等板类零件模拟为S H E L L 6 3 壳单元，将滑块用L I N K 8 杆单元模拟。有限元分析计算模型是一个空间板壳组合体，在建立模型时，不考虑焊缝对结构强度的影响，认为焊接质量是可靠的，并且不考虑焊缝对传力路线的影响，将焊缝和各结构部件看作一个连续体来处理。1 3 网

10、格划分在划分网格时，充分考虑到计算的复杂性，在不影响计算精度的前提下，对于不同的结构部位，特别是结构变化处，不同厚度的连接处，应力集中处等重要部位，网格划分得小而密；对于吊臂的前、后、上、下部等整块板则划得稀疏一些。根据上述原则，采用的H N K 8 杆单元、B E A M l 8 8 梁单元、S H E L L 6 3 板壳单元，可以很好地对吊臂的实体模型进行网格划分。吊臂的有限元模型如图3 所示。2 边界条件的确定在典型有限元模态分析中唯一有效的“载荷”是零位移约束，其他载荷可以在模态分析中指定，但在模态提取时将被忽略，因而只给有限元模型施加约束边界条件。吊臂根部与转台(固定铰支座)通过销

11、轴铰接，同时变幅液压缸与基本臂也为铰接，施加边界条件时，这两处均约束3 个方向的移动自由度一3 6 一(U X、u Y、U Z)和两个方向的转动自由度(R O T X、R O T Y)，释放沿销轴中心回转的转动自由度(R O T Z)。3 结构模态的计算及分析A N S Y S 具有强大的模态分析功能，它提供了包括降阶法(r e d u c e dh o u s e h o l d e rm e t h o d)、子空间法(s u b s p a c em e t h o d)、阻尼法(d a m p e dm e t h o d)等7种模态提取方法。考虑到吊臂的模型规模，选用降阶法。根据静态

12、分析结果，危险工况发生在吊臂处于最小仰角(6 0)时，故选择吊臂处于最小仰角全缩和全伸两种工况进行模态分析。利用A N S Y S 软件中的降阶法对吊臂的前9 阶模态进行了分析计算，选取其中有显著影响的前4阶模态进行分析，其余模态作截断处理。3 1 全缩状态下的模态计算及分析全缩状态下前4 阶振型见图4。图7，模态频率及振型描述见表1。表1吊臂在全缩状态下前4 阶模态频率及振型描述阶次固有频率H z振型描述10 1 4 8绕固定铰支上下弯曲模态28 3 1 3绕固定铰支上下弯曲模态32 9 0 0 1绕中心线的扭转模态45 9 9 3 7绕中心线的扭转模态图3 吊臂有限元模型图4 第1 阶振型

13、 图5 第2 阶振型图6 第3 阶振型图7 第4 阶振型3 2 全伸状态下的模态计算及分析全伸状态下前4 阶振型见图8 一图1 1，模态频率及振型描述见表2。4 有限元模型校核表2吊臂在全伸状态下前4 阶模态频率及振型描述阶次固有频率H z振型描述10 1 0 1绕固定铰支上下弯曲模态24 8 6 1绕固定铰支上下弯曲模态32 5 3 1 2弯扭组合模态43 7 1 0 6变幅液压缸处的局部变形图8 第1 阶振型图9 第2 阶振型为验证吊臂结构模态分析中有限元建模和计算的准确性，对吊臂进了静态强度计算与试验。将有限元静态强度计算结果与试验结果进行比较，若计算图1 0 第3 阶振型一3 7 8

14、8 4、8 8 5 和8 8 6。各测点具体位置如图1 3 所示。试验采用的测试系统结构为：通过测量系统得到各测点的应变量，需先转化为应力值，然后根据第四强度理论得到试验等效应力。计算结果和测试结果见表4，两者基本相符，说明有限元模型正确，模态分析结果可靠。图1 1 第4 阶振型气结击诿结果与试验结果相符，说明吊臂结构模态分析中的。州。”u有限元模型是正确的，计算结果是可靠的。对重型清障车吊臂进行模态分析，结果表明，该由于重型清障车吊臂需根据不同作业高度(不型清障车吊臂的各阶振型主要表现为弯曲和扭曲，同仰角)和吊重调整作业状态，吊臂工作角度不同，会影响清障车起吊作业的稳定性和安全性。同一工作角

15、度下又处于不同的伸缩状态，所以选择主要的外界振源包括：清障车行驶中地面的作吊臂工作角度为最小和最大又分别处于全缩、全伸用、发动机的作用、吊臂的变幅运动，以及起重作业状态作为分析工况，见表3。时提升重物的运动和吊臂的回转。其中，地面激振频试验中，在有限元静态计算对应工况时具有较率比较复杂，难以找到规律。而通常情况下，发动机大应力值附近(图1 2)布置测点。为减少数据处理的的工作转速n 的范围在6 0 0 60 0 0r m i n 之间。由0 9=-v 4 乍I t，试验布置2 组4 个测点，每组2 个测点，对一n(式中：为吊臂固有频率，H：；n 为发动机曲轴称分布，位于变幅液压缸铰接孔的支座垫

16、板上，与有O U限元分析中的点位置相对应，节点号分别为8 8 3、转速，r m i n)可大致推算出可能对吊臂产生较大影一3 8 一表3 分析工况工况序号仰角(。)伸缩状态吊臂长度(支点至滑轮中一I：)m m最大起吊重k NI6全缩33 8 03 25 1全缩33 8 01 6 06全伸53 8 02 25 1全伸53 8 08 0图1 2 变幅液压缸铰孔处应力分布图图1 3 测点布置位置 表4吊臂强度测试与计算结果比较工况测点测量值M P a计算值M P a误差M P a工况测点测量值M P a计算值M P a误差M P a8 8 32 8 32 5 03 38 8 33 0 83 5 95

17、 1工8 8 42 4 52 9 2-4 7工8 8 44 9 24 1 97 3况况8 8 53 5 43 3 32 18 8 55 2 54 7 84 7I8 8 64 2 33 7 44 98 8 65 6 35 3 82 58 8 33 1 42 9 22 28 8 35 1 84 7 44 4工工8 8 44 0 83 4 06 8况8 8 45 3 75 5 2 一1 5况8 8 54 1 83 8 73 18 8 57 0 46 3 O7 48 8 65 1 54 3 48 18 8 68 1 27 0 81 0 4响(共振)的发动机转速r t 为17 4 0r m i n、35

18、 9 0r m i n(吊臂全缩状态)和15 2 0r m i n、22 2 0r m i n(吊臂全伸状态)。实际操作中，应尽量避免在这些转速附近工作。在变幅液压缸处有较大局部变形，设计时，应适当增加变幅液压缸铰接处的强度和刚度，以提高清障车的安全性和稳定性。M】北京：中国铁道出版社，2 0 0 3 2】蒋红旗，王繁生起重机吊臂结构有限元模态分析叨农业机械学报，2 0 0 6，3 7(3)：2 0 2 2,3】王凤丽，宋继良，谭光宇，等在A N S Y S 中建立复杂有限元模型叨哈尔滨理工大学学报，2 0 0 3，8 0)：2 2 2 4【4】刘朝辉，柳翼，李轶鹤A N S Y S 在结构稳

19、定性中的应用叨湖南工程学院学报，2 0 0 2，1 2(2)：3 3 3 5 参考文献通信地址：吉林省吉林市北华大学北校区机械工程学院机【1】李皓月，周田朋，刘相新A N S Y S 工程计算应用教程械工程系(1 3 2 0 2 1)(收稿日期：2 0 0 7-0 6 0 4)热再生沥青混凝土加热滚筒粘料处理方法徐州师范大学机电技术研究所凌杰p n“n“n“m“m“m“I“”“m“H“I“”“摘要：对沥青路面材料再生时，由于旧沥青混合料加热后具有黏性，在叶片和滚筒壁的夹角间会有严重的；i 积料现象，影响叶片的扬料能力，同时积料长时间受热也容易老化。为减少积料厚度，需要改善叶片和滚筒壁的连；接角

20、度，以使单位质量的混合料与叶片和滚筒内壁的接触面积最小。为此，可将叶片与滚筒壁的连接处设计为圆弧f；过渡，避免出现死角，并结合滚筒几何尺寸，适当增加过渡圆弧的半径，以减小积料弓高。对泰安岳首筑路机械有限j 公司生产的2 0 0 0 型间歇式沥青混凝土搅拌设备配套的样机叶片进行设计，该机滚筒直径为2m，转速为o 5 2r a d ti8，过渡圆弧半径为o 3 5m。完全利用回收料的各种级配材料(A C 一2 5I、A c 一2 0I、A c 一1 6I3 种规格)，再生料中回收 料的添加比例为3 0 进行试验，试验结果表明积料截面的最大厚度不超过o 0 5m，利用骨料完全可将积料清除。；三山-m

21、 m 岫_-嘶I，“”u 嘶嘶岬一嘶I-一岫一岫I 吣_-一m-哪m 吣m”m 关键词：沥青混凝土搅拌设备热再生滚筒设计粘结料处理对沥青路面材料进行再生时，由于沥青难以单独分离出来，因此沥青的再生只能在混合料的再生过程中完成。要得到高质量的再生沥青混凝土，除了必须对旧沥青混合料、新骨料、新沥青等进行准确的计量，保证级配和油一石比符合要求之外，还需要在加热状态下对各组分进行充分的搅拌【l-3 。由于混合料加热后具有黏性，若采用现有的滚筒内部叶片设计方法【4、5 1，叶片和滚筒的交接处会出现严重的混合料粘结现象，降低叶片的扬料能力，同时此处的积料因长时间受热极易老化，影响再生混凝土的生产质量。本文对混合料的粘结现象进行分析，并给出避免粘结料的设计方法。1 热再生加热滚筒粘料分析如图1 所示，当利用滚筒对旧沥青?昆合料加热时，混合料在滚筒旋转和筒内升料叶片搅动的作用一3 9