基于ADAMS的掘進機振動截割頭凸輪軸的性能分析

李 薇

（無錫職業技術學院 機械技術學院，江蘇 無錫 214121）

振動截割機構是沖擊振動掘進機的直接參與截割部分，在穩態截割的同時亦具有振動截割性能。為滿足截割機構工作的可靠性和整機的穩定性，凸輪軸作為主要動力軸，必要對其振動截割的性能進行研究。本研究旨在分析75KW振動截割頭凸輪軸固有頻率和共振情況（模態分析），研究其在截割端的振動情況和疲勞性能，同時，也為重型掘進機截割頭的設計提供參考依據和設計經驗。

1 凸輪軸的模態分析

凸輪軸承載著凸輪跟隨行星輪做高速旋轉，并且是振動截割機構中關鍵的零部件，因此，有必要對凸輪軸的固有頻率和振動疲勞情況做一下分析。

為保證計算速度和準確性，本章在PATRAN軟件中重新對凸輪軸建立有限元模型。凸輪軸有限元模型采用8節點六面體單元（Hex8），該單元每個節點有3個自由度。定義材料為線彈性材料，材料屬性設置為steel，即密度為：7.801×10-6kg/mm3，楊氏模量為：2.07×105N/mm3，泊松比：0.29。

對模型進行模態分析，并將有限元模型保存為“*.mnf”文件，以對凸輪軸做柔性振動分析使用。得到凸輪軸前8階頻率及振型特征如表1所示。

表1 凸輪軸模態分析前8階頻率、振型

經計算得到前8階振頻，從表1可以看出，凸輪軸的固有頻率很高，其一階固有頻率為3266.7Hz，遠大于振動截割的工作頻率（40Hz）。一階頻率振形圖如圖1所示。

圖1 凸輪軸一階頻率振形圖

因此，在截割工況下，凸輪軸具有較高可靠性，不會出現由于共振而產生凸輪振動機構的損壞現象。

2 凸輪機構的柔性振動仿真分析

為研究凸輪機構本身的振動特性，現取一對凸輪機構為研究對象，單獨對凸輪機構建立樣機仿真模型，運用ADAMS/Flex模塊對凸輪軸建立的柔性體“*.mnf”文件導入到凸輪機構模型中，替換原凸輪軸剛性體建立機構模型，加載運動和運動副。在此導入的柔性體實際上是存儲著材料屬性和模態屬性的文件，通過對該文件的計算可反映出該柔性體在機構運動過程中的振動特性。所得到的仿真模型如圖2所示。

圖2 凸輪機構動力學模型

以柔性體及相同運動的剛性體的同樣位置上的兩標記點為參照點，運用Function模塊中的DY函數，測量柔性體的振動曲線。DY函數定義格式為：

DY（INT_NODE_X，MARKER_Y，MARKER_Y）。

式中，INT_NODE_X為柔性體內部參照點，MARKER_Y為相同運動的剛性體上的參照點。其函數含義為：以MARKER_Y點為參考原點，INT_NODE_X相對于MARKER_Y的波動曲線。

取行星輪和凸輪軸裝配的中點作為柔性體內部參照點，在地面（Ground）的相同位置處創建剛性參照點，其振動曲線定義為：

DY（INT_NODE_2，MARKER_10，MARKER_10）

計算仿真出凸輪軸在安裝行星輪位置點的振動曲線。

圖3 凸輪軸輸出振動曲線

由行星輪位置點的振動曲線可見，凸輪軸振動成周期性，振頻為扭轉振動頻率，即40Hz；振幅亦成正弦曲線形式，值在（0.005～0.008）mm之間，其振幅主要取決于扭振頻率、凸輪軸的尺寸結構、裝配位置和凸輪的轉動慣量，為保證整機運動的平穩性和可靠性，根據設計經驗，扭轉振動機構的振動幅值一般控制在0.007mm～0.035mm范圍內，因此，75KW掘進機凸輪機構的設計符合要求。

3 凸輪軸的疲勞壽命分析

凸輪軸雖然具有較高的轉速，但并非細長軸且凸輪的偏重有限，因此理論上凸輪軸具有較高的疲勞壽命，然而經驗設計對凸輪軸的振動情況有較高的要求，且需要凸輪軸具有較高的可靠性，具有極高的壽命，因此，這里單獨針對凸輪機構的振動情況對凸輪軸作疲勞壽命分析，觀測凸輪軸疲勞壽命曲線和易破壞區域分布。

在ADAMS中調用Durability插件，向MSC.Fatigue中輸出凸輪機構柔性振動分析的.dac文件。在MSC.Fatigue中讀取結果文件.op2和載荷歷程文件，對凸輪軸進行壽命預測分析設置及材料設置等，選用全壽命法（S-N）對構件進行疲勞壽命分析，壽命云圖如圖4所示。

圖4 75KW掘進機凸輪軸壽命云圖

由分析結果可見，凸輪軸具有極高的使用壽命，其易損壞區域位于凸輪軸中段，即約為裝載凸輪的軸段。因此，對凸輪軸設計時應著重校核裝載凸輪的軸段的強度。

4 總結

本研究分析了振動截割頭凸輪軸的主要性能和工作情況，了解了振動截割的工作過程和力學性能，初步總結出掘進機沖擊振動截割機構的設計經驗和分析經驗，為后面對重型掘進機沖擊振動截割機構的設計和性能分析做準備。