基于ADAMS的掘進(jìn)機(jī)振動截割頭凸輪軸的性能分析

李 薇

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121）

振動截割機(jī)構(gòu)是沖擊振動掘進(jìn)機(jī)的直接參與截割部分，在穩(wěn)態(tài)截割的同時亦具有振動截割性能。為滿足截割機(jī)構(gòu)工作的可靠性和整機(jī)的穩(wěn)定性，凸輪軸作為主要動力軸，必要對其振動截割的性能進(jìn)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(tài)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(jìn)機(jī)截割頭的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

1 凸輪軸的模態(tài)分析

凸輪軸承載著凸輪跟隨行星輪做高速旋轉(zhuǎn)，并且是振動截割機(jī)構(gòu)中關(guān)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(jì)算速度和準(zhǔn)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(jié)點(diǎn)六面體單元（Hex8），該單元每個節(jié)點(diǎn)有3個自由度。定義材料為線彈性材料，材料屬性設(shè)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(jìn)行模態(tài)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(tài)分析前8階頻率、振型

經(jīng)計(jì)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(yuǎn)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(xiàn)由于共振而產(chǎn)生凸輪振動機(jī)構(gòu)的損壞現(xiàn)象。

2 凸輪機(jī)構(gòu)的柔性振動仿真分析

為研究凸輪機(jī)構(gòu)本身的振動特性，現(xiàn)取一對凸輪機(jī)構(gòu)為研究對象，單獨(dú)對凸輪機(jī)構(gòu)建立樣機(jī)仿真模型，運(yùn)用ADAMS/Flex模塊對凸輪軸建立的柔性體“*.mnf”文件導(dǎo)入到凸輪機(jī)構(gòu)模型中，替換原凸輪軸剛性體建立機(jī)構(gòu)模型，加載運(yùn)動和運(yùn)動副。在此導(dǎo)入的柔性體實(shí)際上是存儲著材料屬性和模態(tài)屬性的文件，通過對該文件的計(jì)算可反映出該柔性體在機(jī)構(gòu)運(yùn)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(jī)構(gòu)動力學(xué)模型

以柔性體及相同運(yùn)動的剛性體的同樣位置上的兩標(biāo)記點(diǎn)為參照點(diǎn)，運(yùn)用Function模塊中的DY函數(shù)，測量柔性體的振動曲線。DY函數(shù)定義格式為：

DY（INT_NODE_X，MARKER_Y，MARKER_Y）。

式中，INT_NODE_X為柔性體內(nèi)部參照點(diǎn)，MARKER_Y為相同運(yùn)動的剛性體上的參照點(diǎn)。其函數(shù)含義為：以MARKER_Y點(diǎn)為參考原點(diǎn)，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(diǎn)作為柔性體內(nèi)部參照點(diǎn)，在地面（Ground）的相同位置處創(chuàng)建剛性參照點(diǎn)，其振動曲線定義為：

DY（INT_NODE_2，MARKER_10，MARKER_10）

計(jì)算仿真出凸輪軸在安裝行星輪位置點(diǎn)的振動曲線。

圖3 凸輪軸輸出振動曲線

由行星輪位置點(diǎn)的振動曲線可見，凸輪軸振動成周期性，振頻為扭轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)、裝配位置和凸輪的轉(zhuǎn)動慣量，為保證整機(jī)運(yùn)動的平穩(wěn)性和可靠性，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，扭轉(zhuǎn)振動機(jī)構(gòu)的振動幅值一般控制在0.007mm～0.035mm范圍內(nèi)，因此，75KW掘進(jìn)機(jī)凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)速，但并非細(xì)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(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(dú)針對凸輪機(jī)構(gòu)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(qū)域分布。

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

圖4 75KW掘進(jìn)機(jī)凸輪軸壽命云圖

由分析結(jié)果可見，凸輪軸具有極高的使用壽命，其易損壞區(qū)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(shè)計(jì)時應(yīng)著重校核裝載凸輪的軸段的強(qiáng)度。

4 總結(jié)

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(xué)性能，初步總結(jié)出掘進(jìn)機(jī)沖擊振動截割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和分析經(jīng)驗(yàn)，為后面對重型掘進(jìn)機(jī)沖擊振動截割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和性能分析做準(zhǔn)備。