液压挖掘机工作装置的动特性灵敏度分析.pdf

建筑机械化199 7No.3液压挖掘机工作装置的动特性灵敏度分析关钱仲众童听冯培恩(浙 江大学CAI港C G国家重卢、实验室杭州)提要关键词应用振动模态灵敏度分析方法,对液压挖掘机工作装置动特性的影响因素进行分析,得到一些规律性认识,对液压挖掘机动态设计有重要的参考价值液压挖掘机模态灵敏度、,尹1l‘了、.厂八U了. ‘J、液压挖掘机的振动问题比较突出地存在于其工作部件的起动、制动,机身的回转起动、制动,挖掘时的碰撞等过程中,这使挖掘机工作装置构件产生早期断裂失效问题,导致机械零部件服役期短、备品率高全面开展液压挖掘机动态分析与设计是解决这一问题的根本办法,目前在这方面进行系统、全面的研究还较少见,且主要是对机械式挖掘机的研究〔‘、“〕液压挖掘机动态特性研究的最终目的是使结构的动态性能在满足一定约束条件下达到最优,其中一个关键问题是确定设计变量对动态特性的影响程度解决该问题最可靠的方法是对设计变量取值不同的多个实物模型进行动态试验,但由于试验成本过高,在工程上几乎不可能采用振动模态灵敏度分析是确定设计变量对动特性影响程度 的一种可靠而有效的方法,已被广泛应用于汽车、农业机械等各个工程领域 中,成为动态设计的有力手段即。

1振动模态灵敏度分析方法简介首先建立液压挖掘机工作装置的有限元分析模型,其广义特征值方程为:环(一呀〔M〕 +〔K〕){中1卜 以电}‘〔M〕{电}=1式 中〔M〕、〔K〕分别为质量阵和刚度 阵,叭、{龟}分别为第i阶固有频率和固有振型作者用上述模型计算实物样机工作装置的模态参数,并进行相应的实验,有限元方法计算固有频率与实验结果的对比(表1 )证明了该模型的合理性及计算精度表1计算与测试结果比较固固有频率(H z) ) )第一阶阶第二阶阶第三阶阶第四阶阶有有限元方法法7.3 7 7 6 6 626.0 043 3 355.2 8 65 5 58 8.45 1 5 5 5实实验值值73 7 5 5 526.125 5 55 6.125 5 582.125 5 5结构模态参数T对结构参数bJ的绝对灵敏度定义为打/ 击」,相对灵 敏度定义 为(盯/T)/a b j/bJ),一般来说相对灵敏度可用来比较各参数对动特性的影响,本文中的灵敏度指相对灵敏度由式(1 )求解模态参数的绝对灵敏度表达式为〔4〕:留一缸电、一时警+旦〔K〕 a b j{电}日{电) a b j一2{电}{电}T日〔M〕‘电}+客又蔺去硒{“} {、}·{一衅(2)子〔M〕日〔KJ1.二、一卜 一,石二 户一2气望2 口u j},国家自然科学基金资助项目.20·式中,n为所取模态的阶数,由式( 2)的计算结果可求得相对灵敏度。

2结构参数的选取部件组合成整机的过程是通过一定的藕合关系综合的过程(见图1),因而部件不外乎通过两种方式影响整机动特性:一是部件结构参数,二是部件间的藕合关系 譬譬譬譬譬譬譬譬譬譬譬譬譬譬譬譬州州州州藕暮羡系卜卜卜卜卜卜整整酬酬酬酬酬酬酬酬酬酬酬鬓纂 茬纂阵阵阵机机{ { {部 件1二二二二二一气藕暮护卜卜卜动动厂厂厂一一广,巍黎}‘: : : : :特特结结结结结结结结构参数修改改改性性 变变变变变变变变变变变变变变变整整舔- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -.动动李李李李李李李李李李李李李李{ { {部件2司司司司司司司司曰曰曰曰曰曰曰机机机机机机机机 ( ( (丽答奚泉卜卜卜卜卜卜卜卜( ( (_靓件_色)二二二二二二二二图1结构参数的选取灵敏度分析的目的着重于揭示部件影响综合模型动特性的能力及方式,为结构设计提供有创造性的参考意见甚至准则然而其结构参数非常繁杂,部件的主要结构参数总数超过7 0若对每个结构参数细致地进行灵敏度分析就会限制改进后部件的结构形式,无法全面系统地指导结构动态设计其次所有的结构参数有一个共性,即通过质量、刚度影响结构的动特性,如动臂的板厚b决定了动臂的平动质量、弯 曲惯矩、扭转极惯性矩和截面模量,前3项代表质量,后一项代表刚度。

同时从质量、刚度参数又可以返回到所有的结构参数如要增加动臂刚度可减小动臂曲率或增加动臂壁厚,因而可以选用质量、刚度代表所有的结构参数进行灵敏分析一般情况下可以质量密度作为结构质量参数,以弹性模量作为结构刚度参数液压挖掘机工作装置部件间的藕合关系由部件的铰点位置和部件间的夹角决定本文着重分析该装置的动特性对部件弹性模量和质量密度的灵敏度3灵敏度分析3.1对部件刚度的灵敏度表2综合模型前五阶固有频率对部件结构刚度参数灵敏度第第第第一阶阶第二阶阶第三 阶阶第四阶阶第五阶阶整整机机固有频率(比) ) )7.3 7 7 6 6 62 6.0 0 43 3 355.28 65 5 58 8.4 5 1 50 0 04 01.4 0 4 7 7 7动动臂臂灵敏度度O,01 19 3 3 3一0.00 1 2 3 3 30.0 0 01 1 1 10.4 3230 0 00.11 849 9 9斗斗杆杆灵敏度度一0.18 163 3 30.027 00 0 0一0.0 04 52 2 2一0.0 1 49 2 2 20.24206 6 6铲铲斗斗灵敏度度一0.0 0 13 6 6 6一0.0 1 3 2 3 3 3一0.00112 2 20. 0 01 6 3 3 30.00 1 7 3 3 3连连杆杆灵敏度度0.0 1193 3 3一0.0 0 3 38 8 8一0.0 023 9 9 90.0 0 0 47 7 70.0 0015 5 5摇摇杆杆灵敏度度一0.0 0 02 7 7 7一0.0 0 04 6 6 60.0 0 0 0 4 4 4一0.00002 2 20.0 0027 7 7动动臂油缸缸灵敏度度0.45977 7 70.0 0784 4 40.00 007 7 70.01309 9 90.00107 7 7斗斗杆油缸缸灵敏度度0.0 5 63 9 9 90.3 9 94 7 7 70.0722 1 1 10.05 4 52 2 20.0 7071 1 1铲铲斗油缸缸灵敏度度一0.2 2 04 0 0 00.0 6645 5 50.39 9 92 2 20.0 01 7 6 6 60.000 04 4 4注:¹金属构件如动臂、斗杆的灵敏度是对弹性模量的灵敏度;º 油缸的灵敏度是对油缸油路 系统刚度的灵敏度。

表2列出综合模型前五阶模态的固有频率对部件结构刚度的灵敏度在正常工况下,液压挖掘机一般承受低频动载荷,因而人们对低阶固有模态特别感兴趣表2说明:前三阶固有频率对油路系统刚度的灵敏度比对金属构件(动臂、斗杆、铲斗等)刚度的灵敏度大许多,前三阶固有模态主要由3组油缸的油路 系统刚度决定;第四阶及以上各阶固有频率对动臂、斗杆刚度的灵敏度较大;其固有模态主要 由动臂、斗杆的刚度决定,进一步验算(图2 )也证明了这 个结论另外铲斗刚度对前五阶固有模态影响很弱3.2对金属部件质量的灵敏度表3列出综合模型前五阶模态的固有频率对金属部件质量的灵敏度计算结果表明,连杆、摇杆和三组油缸由于质量相对于动臂、斗杆和铲斗较为悬殊,其对结构固有模态的影响可以不计表3说明:铲斗的质量对第四阶及以上各阶固有模态的影响较小,前五阶固有摸态受动臂和斗杆的质量影响较大3.3各种工况下的部件结构参数灵敏度图2、3显示了整机固有频率对部件结构参数灵敏度随斗杆油缸行程的变化图中曲线说明:工况的变动、姿态角的修改.上述结论总是成立,即在总的趋势上三组油缸油路 系统的刚度主要决定于前三阶固有模态;动臂、斗杆和铲斗通过质量因数影响前三阶固有振型。

表3前五阶固有频率对部件质量灵敏度固固固有频率率动臂质量量斗杆 质量量铲斗质量量 ( ( ( ( (Hz) ) )灵敏度度灵敏度度灵敏度度 第第一阶阶7.3 7 7 6 6 6一0.08 106 6 6一28 77 7 7一0.0 48 80 0 0第第二阶阶2 6.0 0 43 3 3一0.01 646 6 6.一().073 76 6 6一0. 146 5 1 1 1第第三阶阶5 5.2865 5 5一0.00109 9 9一0.06 7 18 8 8一0.1 1232 2 2第第四阶阶88.4 5 1 5 5 5一0.1 5787 7 7一0. 1 2468 8 8一0. 0 0 090 0 0第第五阶阶401. 40 47 7 7一0. 10 323 3 3一0.125 7 7 7 7一0.0209 3 3 3动臂油缸4结论4.1油知的油路 系统刚度在整机前三阶 模态中占有举足轻重的地位油路系统对整机第四阶及以上各阶模态影响不大,修改油路 系统刚度对改进前三阶模态的动特性较为有利同时,在测试挖掘机或类似的液压工程机械动特性时需重视油缸对整机的影响4.2动臂和斗杆的 刚度 对于整机第四阶 及以上各阶固有领率有重要意义动臂曲率和斗杆截面高度等结构参数可以入选为优化设计参数;动臂和斗杆等金属构件的刚度对于整机前三阶模态影响较小。

4.3动臂、斗杆和铲斗对前三阶固有模态的影响主要是质量 影响修改该三个部件的质量分布可以达到改进前三阶固有模态特性的目的;第四阶及以上各阶固有模态的质量因素主要来自动臂和铲牛油缸一一一动臂灵敏度灵敏度. 2 18l6 l4l2l/--一十-- -------一才--一斗-----一州一丁一:丈之三之抢一__. 10 8 0 60 40 20.门. ⋯0000 0 0 0 0:.; ;:;0 .1O一一 一 一 一 一-~~~一一一0. 1一0. 2一0. 3 一0.40. 201 50. 10. 0 50灵敏度 幸斗一一一 一~“二二,二r一一一一一一 一一一0 . 0 5{一、- --- -· -一二\一一U.1; 11.52角 度a第一阶固有频率5252角度b第二价固有频率角 度c第五阶固有频率图2固有频率对刚度的灵敏度随挖掘姿态的变化表2列出综合模型前五阶模态的固有频率对部件结构刚度的灵敏度在正常工况下,液压挖掘机一般承受低频动载荷,因而人们对低阶固有模态特别感兴趣表2说明:前三阶固有频率对油路系统刚度的灵敏度比对金属构件(动臂、斗杆、铲斗等)刚度的灵敏度大许多,前三阶固有模态主要由3组油缸的油路 系统刚度决定;第四阶及以上各阶固有频率对动臂、斗杆刚度的灵敏度较大;其固有模态主要 由动臂、斗杆的刚度决定,进一步验算(图2 )也证明了这 个结论。

另外铲斗刚度对前五阶固有模态影响很弱3.2对金属部件质量的灵敏度表3列出综合模型前五阶模态的固有频率对金属部件质量的灵敏度计算结果表明,连杆、摇杆和三组油缸由于质量相对于动臂、斗杆和铲斗较为悬殊,其对结构固有模态的影响可以不计表3说明:铲斗的质量对第四阶及以上各阶固有模态的影响较小,前五阶固有摸态受动臂和斗杆的质量影响较大3.3各种工况下的部件结构参数灵敏度图2、3显示了整机固有频率对部件结构参数灵敏度随斗杆油缸行程的变化图中曲线说明:工况的变动、姿态角的修改.上述结论总是成立,即在总的趋势上三组油缸油路 系统的刚度主要决定于前三阶固有模态;动臂、斗杆和铲斗通过质量因数影响前三阶固有振型表3前五阶固有频率对部件质量灵敏度固固固有频率率动臂质量量斗杆 质量量铲斗质量量 ( ( ( ( (Hz) ) )灵敏度度灵敏度度灵敏度度 第第一阶阶7.3 7 7 6 6 6一0.08 106 6 6一28 77 7 7一0.0 48 80 0 0第第二阶阶2 6.0 0 43 3 3一0.01 646 6 6.一().073 76 6 6一0. 146 5 1 1 1第第三阶阶5 5.2865 5 5一0.00109 9 9一0.06 7 18 8 8一0.1 1232 2 2第第四阶阶88.4 5 1 5 5 5一0.1 5787 7 7一0. 1 2468 8 8一0. 0 0 090 0 0第第五阶阶401. 40 47 7 7一0. 10 323 3 3一0.125 7 7 7 。