PLM1500I圆锥破碎机传动轴的动态特性分析

程　文， 沈　琛， 张梦莎， 杨　毅

(1 湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)2 武汉铁路职业技术学院机车车辆学院，湖北 武汉 430205；3 湖北铁道运输职业学院， 湖北 武汉 430064



PLM1500I圆锥破碎机传动轴的动态特性分析

程文1， 沈琛2， 张梦莎3， 杨毅1

(1 湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)2 武汉铁路职业技术学院机车车辆学院，湖北 武汉 430205；3 湖北铁道运输职业学院， 湖北 武汉 430064

利用ANSYS Workbench对PLM1500I圆锥破碎机的传动轴装配体进行模态分析和谐响应分析，得到传动轴在外部振源激励作用下的动态特性，为后续PLM1500I圆锥破碎机的优化设计提供理论基础。

ANSYS Workbench； PLM1500I圆锥破碎机； 模态分析； 谐响应分析

液压圆锥破碎机是矿山、建筑等行业的重要生产设备，具有生产效率高、破碎程度高的优点[1]。液压圆锥破碎机体积较大，质量重，工作环境粉尘、噪声、振动较大。传动轴是破碎机的动力输入部分，对破碎机整机性能有着直接的影响。破碎机在工作过程中，由于偏心套和动锥沿着轴线做偏心摆动，会产生剧烈振动，当振源频率等于或者接近传动轴固有频率时，就会引起共振现象，使破碎机的工作性能降低[2]。针对广东磊蒙机械制造有限公司生产的液压圆锥破碎机，采用ANSYS软件对传动轴进行模态分析，分析传动轴的固有频率，对传动轴的结构改进提供依据，防止生产中由于机械共振而产生安全事故。

1　有限元模型的建立

利用三维软件Solidworks建立传动轴的装配体模型。在建立传动轴模型时，将对于计算结果影响不大的圆角、倒角进行简化处理；将对计算结果几乎无影响，但对计算效率影响很大的棱角和凸起进行处理。把简化后的装配体模型导入到Workbench中(图1)，定义装配体中各零部件的材料属性(表1)，对装配体进行网格划分，共产生63 672个节点，33 591个单元。将传动轴两端的Z向位移固定，传动轴的轴身施加圆柱度约束，将切向方向固定，其他方向自由，并在传动轴的大带轮上施加一个扭矩载荷。

图 1　传动轴专配体

表1　装配体的材料属性

2　模态分析

模态分析可得到PLM1500I圆锥破碎机传动轴的各阶振型和固有频率，即各部位的相对振动情况，但是在外部载荷的激励下各阶振型对传动轴的振动影响是不同的，因此对传动轴进行谐响应分析就能更清楚的看出其在动态干扰激励下结构的抗振性能[3]。结构的振动可以表示为各阶固有振型的线性组合，其中低阶固有振型相对于高阶振型对结构的振动影响较大，低阶振型对结构的动态特性起决定性作用，故进行结构的振动特性分析计算通常取其前10阶即可[4]。利用ANSYS Workbench软件对传动轴的装配体进行模态分析，得到传动轴装配体的前6阶模态振型图(图2)，振型描述见表2。

(a)一阶振型

(b)二阶振型

(c)三阶振型

(d)四阶振型

(e)五阶振型

(f)六阶振型图 2　传动轴装配体的前6阶振型图

圆锥破碎机的偏心套的转速为330 r/min，所以PLM1500I型圆锥破碎机的固有频率f=5.5 Hz。从图2可见，传动轴一阶振型的固有频率为2.6502 Hz，而PLM1500I圆锥破碎机工作时的固有频率为5.5 Hz，所以传动轴在工作时肯定会经过共振区，导致振动加剧，从而产生共振现象。传动轴的二阶振型固有频率为276.23 Hz，远大于PLM1500I圆锥破碎机的固有频率。由振型云图可知传动轴的带轮部分沿ZY平面进行摆动，传动轴与带轮配合的位置有弯曲摆动，该振动模态对传动轴有一定的影响。传动轴三阶固有频率为291.2 Hz，油振型云图可知道传动轴的带轮部分沿ZX平面进行摆动，传动轴与带轮配合的位置有弯曲摆动，该振动模态对传动轴有一定的影响。传动轴的四阶振型固有频率为637.49 Hz，由振型云图可知道振型为沿Z轴的拉伸变形。传动轴的五阶振型固有频率为705.23 Hz，其振型为带轮部分沿X轴的转动。传动轴的六阶振型固有频率为722.28 Hz，其振型为带轮部分沿Y轴的转动。

表2　传动轴装配体的振型描述

通过对传动轴装配体的前6阶振型模态的分析可知，传动轴装配体的第一阶模态固有频率低于PLM1500I圆锥破碎机的工作频率，而其他阶数的模态固有频率远大于PLM1500I圆锥破碎机的工作频率，所以在工作过程中传动轴装配体会发生共振现象[5]。

3　谐响应分析

对传动轴的装配体进行谐响应分析，加载激振力为绕Z轴的扭矩负载，频率范围为0～800 Hz，将传动轴的中部选为谐响应分析面，得到其幅频特性如图3、图4所示。

图 3　传动轴中部沿X轴方向的幅频特性曲线

图 4　传动轴中部沿Y轴方向的幅频特性曲线

通过幅频特性曲线图可以知道，传动轴中部沿X轴方向在频率为40 Hz时，振幅达到最大值为0.004 75 mm；传动轴中部沿Y轴方向在频率为40 Hz时，振幅达到最大值0.000 933 mm。沿X轴方向，在频率为650 Hz时，也会产生较大幅值，幅值大小为0.0019 mm；沿Y轴方向，在频率为642 Hz时，也会产生较大幅值，幅值大小为0.000 32 mm。通过上述分析可知，位移响应最大值分别出现在传动轴的一阶模态频率和四阶模态频率上，所以PLM1500I圆锥破碎机在工作过程中，要避免外部激振频率落在上述频率范围。

5　结论

通过对PLM1500I圆锥破碎机的模态分析和谐响应分析，得出传动轴的一阶固有频率与 PLM1500I 圆锥破碎机的工作频率相近，在圆锥破碎机启动阶段会产生共振现象，且传动轴的一阶模态和四阶模态对其动态性能影响较大，在使用过程中要尽量避免，同时模态分析和谐响应分析的结果为后续对PLM1500I圆锥破碎机的传动轴优化设计提供了理论依据。

[1]梁国显.圆锥破碎机的工作机理和生产能力的优化设计研究[J].大科技,2015(35)：287-288.

[2]邵正宇,勾频,鞠远萍.考虑振动的传动轴可靠性优化设计[J].武汉科技大学学报(自然科学版),2002, 25(4):382-384.

[3]邵正宇, 勾频, 鞠远萍. 考虑振动的传动轴可靠性优化设计[J]. 武汉科技大学学报(自然科学版), 2002, 25(4):382-384.

[4]吕颖异,潘萍萍,邵帅,等.大型离心压缩机叶轮模态有限元分析[C]//2012年全国振动工程及应用学术会议论文集.

[5]闵希春. H8800圆锥破碎机关键部件的有限元分析[D]. 沈阳：东北大学, 2011.

[责任编校： 张众]

An Analysis of the Dynamic Characteristics of Cone Crusher

CHENG Wen1，SHEN Chen2， ZHANG Mengsha3, YANG Yi1

(1SchoolofMechanicalEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China;2WuhanRailwayVocationalCollegeofTech.,Wuhan430205,China;3HubeiVocationalCollegeofRailwayTransportation,Wuhan430064,China)

This paper reports modal and harmonic response analyses of the shaft assembly body of the PLM1500I cone crusher by using ANSYS Workbench.The analyses reveal the dynamic characteristics under the influence of external stimuli, which provide a theoretical foundation for subsequent PLM1500I cone crusher optimization design.

ANSYS Workbench；PLM1500I cone crusher；modal analysis; harmonic response analysis

2016-03-01

程文(1990-)， 男， 湖北咸宁人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为机械设计理论

1003-4684(2016)04-0027-03

TQ244.3

A