基于ANSYS的智能振动压路机调频机构的动态特性分析

陈疆，张晓春，胡兰岐，张启裕

（1.长安大学工程机械学院，陕西西安710064；

2.山推工程机械股份有限公司道路机械有限公司，山东济宁272000)

基于ANSYS的智能振动压路机调频机构的动态特性分析

陈疆1，张晓春2，胡兰岐1，张启裕2

（1.长安大学工程机械学院，陕西西安710064；

2.山推工程机械股份有限公司道路机械有限公司，山东济宁272000)

智能振动压路机能够正常工作的关键是其调频机构可以实现稳定长久的工作，为了确定调频机构传动零件的振动特性，避免调频机构在工作过程中被共振破坏造成对智能振动压路机的危害，通过CREO软件对调频机构传动零件进行三维建模，并导入到ANSYS软件中，进行模态分析，得到各传动零件的前8阶固有频率，为振动压路机的调频机构在选择工作频率的过程中，避开共振区域提供了参考，同时也为新的调频机构的设计提供了理论依据。

智能振动压路机；调频；模态分析；固有频率

压路机作为重要的压实施工机械，广泛地应用于土建工程和市政工程，随着我国运输业的蓬勃发展，公路施工工程要求达到更高的压实质量，以延长公路的使用寿命。国内外道路工程机械制造企业为了提高压实机械的施工质量，投入了大量的精力和财力研发出了能够实现无级调频的智能振动压路机[2]。智能振动压路机与传统振动压路机的调频机构相比较结构更加复杂，装配零件更多。由于智能振动压路机的这些特点，在其工作过程中，可能会出现外界所加的激励频率和调频机构中的一个或者多个零件的固有频率相接近的情况，就会产生共振现象。随着共振的加剧，会引起结构件产生很大的变形和动应力，造成机器的破坏和人员的受伤[11]。为了防止这种情况的发生，在结构件设计过程中，必须考虑其固有频率和振型。机械结构的固有频率和振型可以利用模态计算确定[6]。因此，在调频机构的设计过程中，确定其传动零件的固有频率和振型是避免调频机构失效的一个有效途径。本文利用ANSYS软件分析智能振动压路机调频机构的传动零件的模态，为调频机构的设计和优化提供依据。

1智能振动压路机调频机构工作原理

智能振动压路机与传统振动压路机的主要不同在于采用齿轮组控制两偏心轴的运动。智能振动压路机实现无级调频的工作原理图如图1所示，调频机构的输出轴与变量液压泵通过联轴器连接，将动力传递到齿轮组上，齿轮组由五个齿轮组成，齿轮组再将动力传递到两偏心轴上，使两偏心轴作方向相反的旋转运动，产生激振力。由于变量液压泵可以实现输出转速的无级调整，因而调频机构可以实现振动频率的无级调整。

图1 调频机构工作原理图

针对这种调频机构，在工作过程中，传动零件作高速旋转运动，易产生共振现象，并且外界激励仅作用于传动零件的特点，选择提取调频机构的主要传动零件，而不是选取调频机构整体，然后利用ANSYS软件进行有限元分析。首先，利用CREO对调频机构的传动零件进行三维建模，然后导入到ANSYS软件中，并分别进行有限元分析，得到该调频机构的各传动零件的前8阶固有频率，然后对结果进行分析[1]。该分析结果对调频机构的优化设计有着重大的意义，同时也为新的调频机构的结构设计提供了理论依据。

2调频机构零部件有限元建模

智能振动压路机的调频机构所包括的零件较多，首先要提取出其中的主要传动零件，包括调频机构中的输入轴、输出轴、偏心轴和传动齿轮，然后利用CREO软件建模[12]。轴的模型的建立相对比较简单。但是传动齿轮的模型建立就相对比较复杂，可依照文献[13]的方法进行建模。将已创建的智能振动压路机调频机构的传动零件（包括输入轴、输出轴、偏心轴、传动齿轮）的三维模型导入到ANSYS中，为下一步的有限元分析做好准备。

3模态分析

模态分析技术从上世纪60年代后期发展至今已趋于成熟，模态分析技术与有限元分析技术一起，已成为结构动力学中的两大支柱。其分析方法是先建立物理参数模型，然后求得特征值和特征矢量，最后就可以得到研究结构的模态的参数模型，即得到其固有频率和振型[3]。进行准确的模态分析将对结构动态特性的优化设计和结构系统的振动特性分析提供依据。

3.1 模态分析理论基础

根据多自由度系统复模态分析理论，对于N自由度的线性系统，其振动微分方程为：

式中，[M]、[C]、[K]分别是系统的质量、阻尼、刚度矩阵，分别为系统各点的位移相应向量和激励向量。

对式（1）两边进行拉氏变换，得：

令s＝jω，则式（2）变换为：

根据振型矩阵对于质量矩阵、刚度矩阵的正交性关系，若阻尼矩阵也近似被对角化，对式（4）前乘[Φ]T可得：

这样，相互耦合的N自由度系统的方程组经处理，解耦后的第i个方程为：

式中，Ki、Mi、Ci分别为模态刚度、模态质量、模态阻尼，Φi为模态振型。由于要对激振装置进行模态分析，要求解得是固有频率和振型参数固有模态，与外载荷无关，故可令F=0；因此式（6）可以简化为无阻尼自由振动方程：

采用归一方法，使模态质量归一，记模态质量归一化振型为Φ，即：

3.2 ANSYS模态分析

本文涉及到多个零件的模态分析，分析步骤类似。鉴于此，本文仅对齿轮模态分析的具体步骤进行详细的介绍。

3.2.1 定义材料属性

首先要为导入到ANSYS中的传动齿轮模型定义材料属性，根据传动齿轮选用的材料为20CrMnTi，通过查询，可知传动齿轮的弹性模量为E=212 GPa，泊松比为μ=0.289，密度为ρ=7 860 kg/m3.

3.2.2 网格划分

为了获得较好的计算精度，在建立有限元模型时采用高阶3维10节点固体结构单元SOLID187，并利用扫掠方法，对模型进行网格划分，可以对齿轮的齿根与齿顶部分进行较精细的扫掠网格划分，得到质量较高的有限元模型[10]。

3.2.3 施加约束和求解

模态分析是为了确定振动压路机调频机构的振动特性，即传动零件的固有频率和振型。在模态分析过程中，机构所受的外加载荷例如压力、离心力等，可以在分析中设定，但是在模态提取过程中这些载荷都将被忽略，DOF（自由度）是唯一需要约束的，所以只要对端面施加径向对称约束，对x、y、z轴方向的位移量进行约束。模态提取方法采用Block Lanczos法，得到传动齿轮的前8阶固有频率和振型，如图2和表1所示。

图2 传动齿轮的1阶~8阶临界转速对应的振型图

表1 传动齿轮、输入轴、输出轴、偏心轴的前8阶固有频率

对于应用ANSYS软件得到的前8阶的固有频率，如表1所示，进行分析可得，传动齿轮的第1阶、第2阶、第3阶的固有频率是大致相同的，其余各阶的固有频率也大致相同，且它们振型正交，可以将其视为同根，这些固有频率较大，而外载荷的固有频率较小，产生共振的可能性比较小。对于传动齿轮的1 ~8阶临界转速对应的振型图，如图2所示，前三阶振型为轮齿圆周振动，剩余的其他振型为扭振，并且变形量均符合安全变形标准。由于低阶固有振型对传动齿轮的振动影响比高阶固有振型更大，因此轮齿圆周振动是齿轮发生共振可能性最大的振型。对得到的传动齿轮的固有频率和振型进行充分的分析，可以使传动齿轮在工作过程中避免发生共振。

依照同样的方法对激振装置的其他传动零件进行模态分析，可以分别得到输入轴、输出轴、偏心轴的固有频率和相应的各阶振型图。由于本文主要探讨传动零件在受到外部激励的情况下是否产生共振的问题，而零件是否产生共振主要取决于零件的固有频率和外界所加的激励频率，因此本文中仅列出输入轴、输出轴、偏心轴的固有频率，分别如表1所示。

根据ANSYS模态分析得出的各传动零件的固有频率，通过公式，可以得到调频机构各传动零件的各阶临界转速。因为调频机构的传动零件的转速是在0~3 000 rpm的范围内进行无级调节的。因此，只要各传动零件的各阶临界转速不在0~3 000 rpm的范围内，就可以避免共振现象的发生。经计算可知调频机构的各传动零件的最小临界转速为21 830 rpm，这要远远大于激振装置的最大转速，可以得到调频机构在进行无级调频的过程中是十分安全的，不会发生共振现象。

4结束语

本文以调频机构中的传动齿轮为例，介绍了零件进行模态分析的详细步骤。并利用ANSYS对调频机构的传动零件进行了模态分析，得到了调频机构的传动零件的前8阶固有频率，实践证明该分析具有结果直观、求取速度快、便于选择的特点[9]。通过对所得结果的分析说明智能振动压路机的调频机构的结构是合理的，能够稳定长时间工作，同时根据求解出的固有频率和振型，可以使设计人员制定的设计方案更加科学合理。还说明了在施工过程中，施加于振动压路机的激振力不会使调频机构的传动零件和操作者产生共振，从而保证了机器的工作寿命合乎规定，并且提高了操作人员的舒适度。

[1]但斌斌，李功义，周鼎，等.基于ANSYS的压路机振动轴的动态特性分析[J].机械设计与制造，2012（10）：193-195.

[2]李冰，焦生杰.振动压路机与振动压实技术[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]刘雪艳.基于ANSYS的渐开线直齿行星齿轮有限元分析[D].咸阳：西北农林科技大学，2009.

[4]曹巨江，李龙刚.基于ANSYS软件的弧面凸轮分度箱输出轴的模态分析[J].轻工机械，2010，28（3）：41-47.

[5]许俊如，徐建宁，屈文涛.基于ANSYS的潜油行星减速器齿轮轴的有限元分析[J].内蒙古石油化工，2006（10）：64-66.

[6]冯霏，李祥松，刘杨，等.基于传递矩阵法的压路机振动轴动态特性分析[J].中国工程机械学报，2009（6）：127-130.

[7]万汉驰，胡春军.振动压路机振动轴结构浅析[J].建筑机械，2001（12）：34-35.

[8]高勇.基于ANSYS的筛煤机振动轴模态计算[J].煤矿机械，2014（01）：10-11.

[9]张向东.完全掌握ANSYS14.5有限元分析超级手册[M].北京：机械工业出版社，2014.

[10]林建龙.模态分析与实验[M].北京：清华大学出版社，2011.

[11]刘杰民.材料力学[M].北京：中国电力出版社，2011.

[12]韩炬，曹利杰，王宝中.中文版CREO2.0完全自学教程[M].北京：人民邮电出版社，2013.

[13]张培彦，张凯.基于Creo2.0的余弦齿轮参数化建模研究[J].CAD/CAM与制造业信息化，2013（10）：56-63.

Dynam ic Property Analysis on Ad just Frequency Com ponent of Intelligent Vibratory Roller Based on ANSYS

CHEN Jiang1，ZHANG Xiao-chun2，HU Lan-qi1，ZHANG Qi-yu2
（1.School of Construction Machinery，Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710064，China；
2.Road Machinery Co.，Ltd.，Shantui Construction Machinery Co.，Ltd，Jining Shandong 272000，China)

The key to work normally of the intelligent vibratory roller is that the adjusted frequency component can realize the long-term and stability working.This dynamic property analysis can be proposed in order to ascertain the vibration characteristics of the adjusted frequency component’s transmission parts and to avoid the harm to the intelligent vibratory roller which caused by the resonance damages that happened in the working process of the adjusted frequency component.By modeling the adjusted frequency component’s parts in three-dimensional with CREO and making model analysis with ANSYS，the first eight order natural frequency and the vibration mode can be got.This will provide the reference to avoid the resonance of the operating frequency of adjust frequency component and theoretical basis for the design of the new adjust frequency component.

intelligentvibratory roller；adjusted frequency；model analysis；natural frequency

U415.52

A

1672-545X（2016）12-0163-04

2016-09-22

陈疆（1977-），男，陕西咸阳人，博士研究生，讲师，研究方向为机电一体化系统开发及设计方法研究。