基于有限元的傳動軸振動仿真與試驗的研究

李文軍

（中國煤炭科工集團 太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

隨著國內煤礦廣泛使用防爆柴油機鏟運車，雖提高了運輸生產效率，但由于鏟運車行駛的路況比較惡劣，路面起伏不平，車輛底盤經常會受到巨大的沖擊，尤其在工作面設備搬遷時，裝載、卸載和調車等工作量大而復雜，鏟運車的故障率也大大增加，傳動軸出現異響甚至斷裂的情況，為了提高車輛行駛的平順性，減小動載荷引起的零件損壞，提高車輛的使用壽命，對傳動軸的分析也顯得很有必要。

1 幾何建模

利用SolidWorks 軟件對傳動軸萬向節與齒輪軸進行三維實體建模，得到傳動軸（如圖1所示）的三維實體模型。為了有效地對傳動軸進行有限元分析，需要對實體模型進行合理的簡化，具體需要簡化的幾類特征包含殼體上的 LOGO、 設備型號、數字等；小的鉆孔；小的圓角、棱角；斜角以及螺紋等等。

圖1 防爆柴油機鏟運車傳動軸

2 傳動軸的有限元分析模型

為了保證有限元[1,4]模型的準確性，對花鍵接觸部分的網格進行局部細化。全局模型主要采用二階三角形殼單元劃分，經網格要求檢查后通過solid from shell 生成四面體實體單元。萬向節與齒輪軸的四面體網格模型如圖2所示，網格模型共有208744個單元，323121個節點。

圖2 傳動軸網格模型

3 模態分析

本文模擬傳動軸萬向節的自由狀態，不施加任何約束。因此零件的前六階模態均為剛體模態，即前六階模態固有頻率為零或接近零。萬向節的八階振型如圖3所示，齒輪軸的八階振型圖如圖4所示。根據模態分析結果，可得萬向節的八階固有頻率如表1所示。

由模態仿真分析結果可知，萬向節與齒輪軸在自由模態下的最小頻率分別為3712.6Hz，1242.5Hz，而該防爆柴油機鏟運車整體的頻率為58Hz，因此本文研究的單個零件不會與該轉向系統存在共振的可能性。

圖3 萬向節八階振型圖

圖4 齒輪軸振型圖

表1 萬向節前八階固有頻率

表2 齒輪軸前八階固有頻率

4 實驗模態分析

為了驗證有限元模型的正確性，基于現有的試驗條件和軟件條件，用單點激振法對該傳動軸進行自由狀態下的模態試驗。儀器包括：十八通道的PAK2 數據采集儀、PC 機、三軸向加速度傳感器等。試驗頻率提取采用單點設置，即欲選的測試點為轉向齒輪軸上的任一點。將傳動軸用柔索懸掛，模擬其處于自由狀態；然后在預選點用蜂蠟連接三軸向加速度傳感器；最后將各信號線與數據采集儀及PC 機相連接。儀器連接和數據變化如圖5所示。實驗結束后，將仿真結果與實驗結果進行對比，并計算其相對誤差，如表3所示。

從表3可以看出，根據模態仿真分析得到的固有頻率與實驗模態測到的頻率相對誤差在15%以內。說明仿真模型基本正確，同時也為對傳動軸的進一步分析提

供了有力的支持。

圖5 實驗過程儀器連接與數據變化

表3 模態計算與模態試驗對比

5 結論

本文分別對鏟運機傳動軸的齒輪軸和萬向節進行模態仿真分析，得到鏟運機傳動軸的前八階固有頻率及振型，證明傳動軸不存在與該車轉向系統共振的可能性。對齒輪軸進行模態實驗分析，并將實驗結果與仿真結果進行對比，結果表明誤差在可接受的范圍內，驗證有限元模型的正確性。也為傳動軸分析提供了一種可以借鑒的方法。

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