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本课题是河南省科技攻关项目(项目编号:0424260102)。主要是对汤姆洛克(洛阳)机械有限公司自行研制的TR1000凿岩机进行静动态分析和测试,以保证该机的强度和工作稳定性。
查阅国内外相关资料,对该机的工作状态和受力特点进行现场调查和测试,进一步了解了各荷载的性质和大小,为初步建立合乎实际的力学模型做好力学上的准备;同时参考现有国外同类机器的材料性质和几何尺寸,结合该机的初步设计方案,确定出该机构件的物理性质和几何尺寸,进而形成该机的力学模型;然后应用材料力学、结构力学等相关知识,对该机应力和变形进行静力方面的初步计算。
凿岩机伸缩臂由薄壁型钢焊接而成,由于载荷不通过薄壁型钢的弯曲中心,伸缩臂结构在复杂载荷作用下不仅要发生弯曲变形,而且还要发生严重的扭转变形,所以在分析计算伸缩臂的强度时,不仅要考虑弯曲变形,同时必须考虑扭转变形问题,这样才能得到符合实际的结果。根据弹性力学理论,非圆截面杆的横截面在扭转变形后要发生翘曲,必须考虑扇形惯性矩的影响,用两端翘曲约束影响的当量惯性矩代替扭转惯性矩。
通过对凿岩机工作时的几种工况进行分析,确定机器伸缩臂的最大受力区域与危险截面,然后对每种工况进行截面受力分析与强度校核。本机的最初设计采用16Mn钢,根据我们的计算该机的初步设计方案不能满足强度要求,建议改变设计,以提高该机的强度。改变后的设计方案,所给材料weldox为超高强度钢,σs=700MPa(屈服极限),按照形状改变比能理论(第四强度理论)校核,其强度都能够满足要求。
为进一步确保其强度,我们采用功能强大的、技术上非常成熟的商用有限元软件ANSYS8.0对机器伸缩臂进行静动态计算。由于伸缩臂是由薄板对焊起来的箱形结构,因此在计算时视为板壳模型。用节点自由度耦合技术来模拟滑块与各节臂之间的接触,这样更能符合两节臂之间的实际连接情况。通过对伸缩臂实体建模、划分网格、加载计算,得到了伸缩臂竖向位移图、伸缩臂结构应力云图、各测点应力值以及伸缩臂0~300Hz内的前四阶固频以及相应的振型。
课题组于2005年6月份对TR1000型凿岩机伸缩臂结构做了现场应力试验。试验中采用电阻应变片来进行应变和应力的测量,应变片的布置是在理论计算的基础上确定的,也考虑了汤姆洛克洛阳公司技术人员的需要和建议。由于理论计算中发现伸缩臂中间段应力值相对较低,而主要危险截面是在伸缩臂过度截面上,因此应变测点都集中在伸缩臂应力较高的部位。试验的测点均匀地布置在最危险截面处(其中应变花是按+45°、0°、-45°方向贴片):伸缩臂基本臂的根部正上面和两侧面、二节臂的根部正上和两侧面、距基本臂端部800mm截面处的正上和两侧面。为了使测量结果更加精确,特地在二节臂端部两侧面又布置了几个测点。用YE2537静态应变仪采集试验的数据。
动态测试采用模态分析技术,应用多点激励单点响应的加速度测量,对凿岩机伸缩臂在两种工况下(全伸、全缩)进行了结构动力特性试验,应用东方振动所的DASP程序进行参数识别,获得伸缩臂在两种工况下垂直振动、侧向振动的模态参数及振型;对结果进行相干性检验,保证了结果的可信度;并根据试验结果,分析其动态特性方面可能存在的缺陷,为进一步的改进设计提供试验依据。
通过理论计算、有限元计算和现场测试所得结果分析,可以得出以下结论:
1、用有限元法对伸缩臂结构进行强度、刚度计算分析,因其简化假设较少,其结果应该比常规的解析法更为准确、可靠,且可以获得解析法难以分析的局部区域应力分布,如伸缩臂与变幅液压油缸铰接处,而这些区域往往又是危险部位。有限元分析的结果可为实际设计提供有价值的参考。有限元法计算应力值较大的区域为:基本臂与变幅液压油缸铰接处、两节臂连接处以及伸缩臂与滑梁的连接处,应力最大值为530MPa,说明该机在静态工作情况下其强度足够。
2、本文运用节点自由度耦合技术来模拟滑块与伸缩臂的连接,应力计算结果与实测值较为吻合,最大误差不超过10%,说明计算结果是可靠的。
3、通过对伸缩臂进行了实际约束条件下两种工况的试验模态分析,并对其结果进行了相干性检验,相干系数均大于0.8(γ2>0.8),说明动态测试的结果可信。
4、获得了伸缩臂在0-300Hz内两种工况动态特性的各阶模态参数及振型,实测值与有限元计算值(前四阶)基本符合,说明所建力学模型合理,计算所得结果比较可靠,为进行结构优化设计提供了依据。但是由于计算中边界条件的选取不可能完全符合实际,两节臂之间的联结也做了一定的简化,并且伸缩臂上众多细微构件也被忽略,因此计算结果与实测结果存在一定的误差。在动态计算中以上原因引起的误差比在静态计算中要大许多。
5、试验结果分析表明两节臂连接处为伸缩臂薄弱环节,提高两节臂之间的连接刚度,可明显改善各阶振型,降低最大位移。扭转振型主要发生在第二节臂的前端,振型相对比较协调。此结果与实际情况相吻合。
6、在凿岩机工作频段内,全缩工况有一阶固频ω=54.368Hz,易引起结构共振。应适当调整结构参数,使该阶固频避开工作频段。
7、由于该机的动态荷载较为复杂,受各种工作环境和工况条件的影响,对其进行估算和实测都是困难的,因此该机的现场动态响应问题未能进行计算和测试,有待进一步研究。