石化机械：基于ANSYS的破碎机机架模态分析

吕廷1石秀东1张秋菊1方昊文2
（1江南大学 机械工程学院，无锡 214122）（2南京理工大学 机械工程学院，南京 210094）

【摘　要】利用HyperMesh软件对破碎机机架的CAD模型简化并进行面处理，建立以壳单元为基本单元的机架有限元分析模型。应用ANSYS有限元分析软件对机架进行模态分析，计算该车架自由状态下的固有频率及振型特性对整车动态性能的影响，为车架结构的优化设计提供参考依据。

关键词：有限元；机架；模态分析

【Abstract】A finite element model for the frame of the crusher is established using shell element as the basic element，through predigesting the CAD model and drawing out surfaces from the model of the crusher’s frame by Hyper Mesh.The modal analysis was studied by ANSYS，and analyzes the dynamic characteristics of the frame based on the natural frequencies，modal shapes.It also supplies foundation in theory to improve design of the frame.

＊来稿日期：2007-01-21　＊基金项目：江苏省交通厅科技基金项目（07C02）

机架是破碎机的关键承载部件，是破碎原件（板锤、反击板）、振动给料斗、发动机及传送带等总成的安装基础。目前，在破碎机的改进和研发过程中，机架的振动问题已成为企业关心的关键问题。因此对机架的振动特性分析就显得至关重要，为解决这一问题，需了解机架的动态特性，通过CAE分析可以全面了解机架各部件对整体刚度的影响并对其进行设计，保证机架有足够的刚度满足结构安装需要。模态是振动特性的一种表征，它是构成各种工程结构复杂振动的那些最简单或最基本的振动形态。通过模态分析可以得到结构的固有频率和振型，为机架结构获得更好的动态性能和优化设计提供依据。

破碎机机架主要是由破碎仓、前伸臂、进料口、侧传送带支撑门、机架上支撑、机架底板、观察平台、履带支撑梁、履带支撑座及不同起吊等组成，如图1所示。破碎机机架全长6924mm，最大宽度2110mm。

图1破碎机机架三维CAD图

该机架结构复杂，且为三维实体，建立有限元模型的过程中，要以符合结构主要的力学特性为前提，对结构做适当而合理的假设和简化，以进行有效的计算和分析。

其有限元模型建立过程如下：（1）去除机架上的装配孔，处理时只保留了相互连接处的重要孔及较大的工艺孔。（2）机架附件品种繁多，形状复杂，且对机架的刚度和强度影响不大，在计算模型中也忽略掉，比如说起吊。（3）为了划分网格的方便以及促使最终计算的收敛快速，应把倒角删除、大的圆形孔均改为方形孔、以及把圆弧面连接改为平面连接。（4）若此模型按照实体来进行划分网格和计算的情况下，计算量极大，收敛速度很慢。利用HyperMesh软件对其实体模型进行抽面处理，不仅达到简化模型的目的，而且准确地描述了形状复杂的机架结构使计算高速化。其抽面后的模型，如图2所示。（5）将利用HyperMesh进行抽面处理后的模型导入ANSYS中。采用二阶板壳单元SHELL93将机架进行离散化，用板壳单元的厚度来描述实体的厚度[1]，网格划分[2]后的机架，如图3所示。

在整个机架有限元模型中包括：Points：10848个，Edges：4112个，Faces：879个，划分网格后生成网格数23938个，生成节点数：71434个。

图2利用HyperMesh软件对实体模型进行抽面处理

图3经过网格划分的有限元模型

模态分析在动力学分析过程中是必不可少的一个步骤，用于确定设计机构或机器部件的振动特性，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，模态分析也可以作为其他动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析。

模态分析的核心内容是确定描述结构系统动态特性的参数。对于一个N自由度线性系统，其运动微分方程为：

式中：M—质量矩阵；

K—刚度矩阵；

X—位移向量；

F（t）—作用力向量；

t—时间。

当F（t）=0时，忽略阻尼C影响，方程变为：

自由振动时，结构上各点作简谐振动，各结点位

由式（2）、式（3）得：

求出特征值ω2和特征值Φ。

求得系统各阶固有频率即模态频率，固有振型即模态振型[3]。(www.xing528.com)

大型CAE通用有限元软件ANSYS提供了7种模态分析求解的方法，本文拟采用Block Lanczos法。机架的弯曲及扭转振动是其结构动态特性的主要表现形式。同时，由于扭转振动对机架强度的影响最大，而且机架的扭转振动主要受其横梁的影响，因此，要提高扭转刚度，需要知道机架的所有扭转模态。由于结构的振动可以表示为各阶固有振型的线性组合，其中低阶的振型对结构的动力影响程度比高阶振型大，因此，低阶振型决定了结构的动态特性。采用ANSYS软件计算该机架的前10阶振型[4]，其前10阶模态振型图，如图4所示。

机架的激励源主要来自于机架底板上的发动机、机架上支撑沿的振动给料斗和破碎腔里的板锤。该破碎机所使用发动机型号为BF4M1013FC，转速为2040r/min，即其激励频率为34HZ；振动给料斗上沿纵轴方向分布两台振动电机，型号为JV246-1161，其振动频率为50HZ；破碎腔内安装四个板锤，其转子转速为680r/min，其激振频率为11HZ。因此我们最关心的（10～60）Hz之间的频率。车架前10阶图有频率和振型，如表1所示。

图4车架前10阶模态振型图

由图4和表1可以看出，机架前10阶弹性模态频率分布在（18～63）Hz，机架的固有振型可分为两类：（1）机架的整体振动；（2）机架一个或几个部分振动为主的局部振动。

表1车架前10阶固有频率和振型

机架前10阶振型图可以看出，在其机架的整体振动中，第1阶振型是机架整体弯曲和扭转，其中以前伸臂和机架上支撑沿的弯曲、扭转变形最大；第5阶振型是机架上支撑沿沿水平方向反向弯曲；第6阶频率为45.350，其振型为机架整体弯曲和扭转，其变形量比一阶频率时的变形量还要大；第10阶振型是机架底板的弯曲变形。这四个振型虽然对整体机架都有较大的动态性能影响，但是在破碎机的机架上支撑处会安装振动给料斗，在破碎机的机架底板处会安装发动机。它们对机架整体刚度都有显著影响。当振动给料斗、发动机与机架的连接刚度较大且采用四点支撑时，会显著地提高该区域的机架（整体）刚度，尤其是扭转刚度，因而该机架的整体振动可以得到很大的弥补。

在机架局部振动中，第2、3、4阶振型均表现为机架前伸臂弯曲或扭转变形，这主要是由于机架前端的前伸臂和前伸臂肩板连接处会产生较大的交变应力，容易造成疲劳裂纹和断裂现象；第7、8、9阶振型均是侧输送带支撑门侧向弯曲或扭转，这主要是由于其梁的结构设计问题导致其应力集中，可以通过优化设计或者增加梁的厚度改变其性能。

研究表明，破碎机机架一般只需计算较低的几阶频率，因为高阶振型对结构的动力特性影响很小，所以，以上面的分析为基础，在对机架的设计和优化时，主要考虑：

（1）机架低阶频率（即一阶扭转和弯曲频率的值）应低于发动机怠速运转频率，以避免发生整体共振；

（2）扭转振动对机架强度的影响最大，要提高机架的扭转刚度。机架的扭转振动主要受其横梁影响，因此可通过调整横梁的位置或改变横梁的截面形状及尺寸来实现机架刚度的提高；

（3）该机架前伸臂的弯曲和扭转幅度较大，可通过增加其臂厚或改变其横梁位置，使其局部振型发生改变。

通过破碎机机架结构参数，建立了机架的三维几何模型和有限元模型，进行模态分析，得到了机架的前10阶固有频率和振型图，全方位地体现结构特性。发现了机架结构由于振动产生的弯曲、扭转等变形可能会造成相关部件疲劳破坏，甚至断裂等问题，同时利用机架模态参数的变化诊断和预报结构地故障及研究机架零部件或整机的振动情况。为做机架相应分析提供了重要的模态参数，为改进和提高车架的设计提供了理论依据，为深入研究振动、疲劳和噪声等问题奠定了基础，同时也为实际试验提供了参考和依据。

参考文献

1马迅，盛勇生.车架刚度及模态的有限元分析与优化［J］.客车技术与研究，2004（4）：8～11

2叶先磊，史亚杰.ANSYS工程分析软件应用实例［M］.北京：清华大学出版社，2004（4）

3王晖云，吕宝占等.基于ANSYS的轻型载货汽车车架模态分析［J］.煤矿机械，2007（3）：59～61

4陈德玲，陈效华，张建武.三段式大型客车车架模态分析［J］.南京理工大学学报，2004（4）：400～403

Modal analysis for the frame of crusher based on ANSYS

LV Ting1，SHI Xiu-dong1，ZHANG Qiu-ju1，FANG Hao-wen2
（1School of Mechanical engineering，Jiangnan University，Wuxi214122，China）（2School of Mechanical engineering，Nanjing University of Science&Technology，Nanjing 210094，China）

Key words：Finite element；Frame；Modal analysis

文章编号：1001-3997（2008）11-0099-03

中图分类号：TH16，TP391.7

文献标识码：A