铜包装线升降台的动态力学性能研究

兰州资源环境职业技术学院 祁贤业

铜包装线升降台的动态力学性能研究

兰州资源环境职业技术学院 祁贤业

本文利用铜包装生产线升降台中的曲柄滑块机构为研究对象，首先利用0.618法对双杆曲柄滑块机构的压力角进行优 化，再基于ANSYS对升降台进行谐响应分 析、瞬态动力学分析。

压力角；ANS YS；谐响应 分析；瞬态动力学

1.升降台简述

1.1 升降台工作原理

升降台技术参数如下：额定承载量为2.5吨、平台最低高度为640mm、升降高度为200mm。根据工作要求，工作台只做垂直方向的运动运动，也就是一个自由度，根据其技术参数选择正置曲柄滑块机构，机构结构则是双杆同步结构。机构简图如图1.1。

该机构的工作原理是：液压缸1推动连杆2通过主轴带动曲柄3转动，再通过连杆4驱动升降台5作垂直方向直线运动。

1.2 基于0.618法的同步双杆曲柄滑块升降台的设计[1]

以连杆和工作台速度方向之间的夹角，即压力角为优化目标，优化该机构。

压力角的的约束函数为：

根据优化后的结果，取各杆件长度分别为连杆长度553mm，曲柄长度为200mm，压力角的的变化范围为10°——20°，同步杆长度为750mm，同步杆与曲柄之间的压力角变化为15°——0°——34°，在许用压力角范围之内。

根据图1.1所示机构简图和优化后的实际尺寸，此双杆同步升降台结构设计如图1.2和1.3 。

2.动态力学性能研究

2.1 升降台谐响应分析[2]

谐响应分析是分析结构在不同频率的简谐荷载作用下的动力响应，是与结构所受荷载相关的，只是结构所受荷载的都是简谐荷载，而且荷载频率的变化范围在谐响应分析时要给出来。任何持续的周期载荷将在结构系统中产生持续的周期响应（诣响应）。谐响应分析使设计人员能预测结构的持续动力特性，从而使设计人员能够验证其设计能否成功地克服共振、疲劳及其他受迫振动引起的有害后果。谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时间按正弦（简谐）规律变化的载荷时的稳态响应的一种技术。分析的目的是计算出结构在几种频率下的响应，并得到一些响应值（通常是位移）对频率的曲线。从这些曲线上可以找到“峰值”响应，并进一步观察峰值频率对应的应力。

2.2 求解及分析

在ANSYS中对升降台施加激振力，其频率范围为0-130Hz，加载方式为Ramped法，激振力的作用方向为Y轴负方向，加载方式为Ramped法，图5.12-图5.15显示了X、Y、Z三个方向的振幅的变化曲线。

从图2.1可以清楚的看到升降台在不同频率下的X方向振幅，当给升降平台施加了激振力后，分别在26Hz，63Hz，110Hz的激振力较为敏感，升降平台振幅出现三个峰值，激振力频率约为26Hz时响应幅值最大，升降台在这个方向上发生较大的变形，因此应尽量避开此频率值。

从图2.2可以清楚的看到升降台在不同频率下的Y方向振幅，当给升降平台施加激振力之后，分别在63Hz，110Hz的激振力较为敏感，升降台出现了两个峰值，因此在这两个频率都会产生共振，激振力频率约为110Hz时响应幅值最大，升降台在这个方向上发生较大的变形，因此应尽量避开此频率值。

从图2.3可以清楚的看到升降台在不同频率下的Z方向振幅，当给升降平台施加激振力之后，分别在24Hz，63Hz，74Hz，110Hz，119Hz的激振力较为敏感，升降台出现了五个峰值，因此在这五个频率都会产生共振，但频率为63Hz，74Hz，110Hz响应幅值振幅较小，对升降台影响较小，其中频率约为24Hz，120Hz时响应幅值最大，升降台在此方向上变形较大，因此应尽量避开此频率值。

从图2.4可以看出当对升降台施加激振力之后，X方向和Z方向升降台响应曲线峰值都比较小，对升降台影响较小。而升降台在Y方向的响应曲线的峰值最大，这就是升降台共振是由Y方向受载荷引起的，可能对升降台产生较大的危害。

2.3 瞬态动力学分析[3]

2.3.1 分析求解

铜包装线配重工位需通过对铜板进行加减，使每垛铜板的重量满足要求（2430kg-2580kg）。在谐响应分析的基础上，按铜包装生产线工作实际承载情况对升降平台加载，分析升降平台的位移响应、速度响应和加速度响应。配重工位工作过程为：升降平台在最低位置得信号后升起到达传动链高度，托起铜板继续升起至最高位置后停止。升降台底下安装有电子秤，对铜板进行称重，如果铜板重量为2430kg至2580kg，控制系统给出信号使升降平台下降；如果小于2430kg，控制系统给出加一片信号，直到铜板重量达到2430kg至2580kg范围；如果大于2580kg，控制系统给出减一片信号，直到铜板重量达到2430kg至2580kg，一片铜板重量约150kg。加减片数量由一垛铜板的重量和辅料台上每片铜板重量决定，因此每次配重升降平台承载情况往往不同，本章取升降平台承载较复杂的一种工况（加两片铜板）进行分析。

以一垛铜板重2250kg为例，由于重量要求需加两片铜板，每片重150kg，加载过程如图2.5所示：

2.3.2 求解并查看结果

对升降台施加载荷，进行求解，可以得到时间位移变化曲线，如下图2.6-2.9

升降台在承受冲击载荷时，从XYZ位移时间对比图可以看出，位移与分析结果吻合，Y方向位移最大，X方向由于约束板约束，X方向位移最小。说明主要是静态特性起作用，由加减片引起的振动相对静态变形值较小。

3.结论

本文首先利用0.618法对双杆曲柄滑块机构的压力角进行优化，其次对谐响应分析、瞬态动力学做了简要概述，对升降台整体建立有限元模型，然后进行谐响应分析、瞬态动力学分析，通过分析得到以下结果：

得到了X、Y、Z三个方向的谐响应曲线，通过分析得到，升降台对Y方向激振力频率为26 Hz，110 Hz，119 Hz时较为敏感，应尽量避开这三个频率。在得到配重工位的升降台平台的位移曲线。位移响应曲线分析结果相吻合，升降平台速度和加速度较小，说明升降台起升、下降及加减片引起的振动幅相对静态变形值小得多。

[1]刘少学.优选法与试验设计初步[M].人民教育出版社,2007:9.ISBN978-7-107-18682-0.

[2]张朝晖.ANSYS8.0结构分析及实例分析[M].北京:机械工业出版社,2005,3.

[3]尚晓江,邱峰,赵海峰.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].中国水利水电出版社,2008,5.