基于ADAMS的掘进机振动截割头凸轮轴的性能分析

李 薇

（无锡职业技术学院 机械技术学院，江苏 无锡 214121）

振动截割机构是冲击振动掘进机的直接参与截割部分，在稳态截割的同时亦具有振动截割性能。为满足截割机构工作的可靠性和整机的稳定性，凸轮轴作为主要动力轴，必要对其振动截割的性能进行研究。本研究旨在分析75KW振动截割头凸轮轴固有频率和共振情况（模态分析），研究其在截割端的振动情况和疲劳性能，同时，也为重型掘进机截割头的设计提供参考依据和设计经验。

1 凸轮轴的模态分析

凸轮轴承载着凸轮跟随行星轮做高速旋转，并且是振动截割机构中关键的零部件，因此，有必要对凸轮轴的固有频率和振动疲劳情况做一下分析。

为保证计算速度和准确性，本章在PATRAN软件中重新对凸轮轴建立有限元模型。凸轮轴有限元模型采用8节点六面体单元（Hex8），该单元每个节点有3个自由度。定义材料为线弹性材料，材料属性设置为steel，即密度为：7.801×10-6kg/mm3，杨氏模量为：2.07×105N/mm3，泊松比：0.29。

对模型进行模态分析，并将有限元模型保存为“*.mnf”文件，以对凸轮轴做柔性振动分析使用。得到凸轮轴前8阶频率及振型特征如表1所示。

表1 凸轮轴模态分析前8阶频率、振型

经计算得到前8阶振频，从表1可以看出，凸轮轴的固有频率很高，其一阶固有频率为3266.7Hz，远大于振动截割的工作频率（40Hz）。一阶频率振形图如图1所示。

图1 凸轮轴一阶频率振形图

因此，在截割工况下，凸轮轴具有较高可靠性，不会出现由于共振而产生凸轮振动机构的损坏现象。

2 凸轮机构的柔性振动仿真分析

为研究凸轮机构本身的振动特性，现取一对凸轮机构为研究对象，单独对凸轮机构建立样机仿真模型，运用ADAMS/Flex模块对凸轮轴建立的柔性体“*.mnf”文件导入到凸轮机构模型中，替换原凸轮轴刚性体建立机构模型，加载运动和运动副。在此导入的柔性体实际上是存储着材料属性和模态属性的文件，通过对该文件的计算可反映出该柔性体在机构运动过程中的振动特性。所得到的仿真模型如图2所示。

图2 凸轮机构动力学模型

以柔性体及相同运动的刚性体的同样位置上的两标记点为参照点，运用Function模块中的DY函数，测量柔性体的振动曲线。DY函数定义格式为：

DY（INT_NODE_X，MARKER_Y，MARKER_Y）。

式中，INT_NODE_X为柔性体内部参照点，MARKER_Y为相同运动的刚性体上的参照点。其函数含义为：以MARKER_Y点为参考原点，INT_NODE_X相对于MARKER_Y的波动曲线。

取行星轮和凸轮轴装配的中点作为柔性体内部参照点，在地面（Ground）的相同位置处创建刚性参照点，其振动曲线定义为：

DY（INT_NODE_2，MARKER_10，MARKER_10）

计算仿真出凸轮轴在安装行星轮位置点的振动曲线。

图3 凸轮轴输出振动曲线

由行星轮位置点的振动曲线可见，凸轮轴振动成周期性，振频为扭转振动频率，即40Hz；振幅亦成正弦曲线形式，值在（0.005～0.008）mm之间，其振幅主要取决于扭振频率、凸轮轴的尺寸结构、装配位置和凸轮的转动惯量，为保证整机运动的平稳性和可靠性，根据设计经验，扭转振动机构的振动幅值一般控制在0.007mm～0.035mm范围内，因此，75KW掘进机凸轮机构的设计符合要求。

3 凸轮轴的疲劳寿命分析

凸轮轴虽然具有较高的转速，但并非细长轴且凸轮的偏重有限，因此理论上凸轮轴具有较高的疲劳寿命，然而经验设计对凸轮轴的振动情况有较高的要求，且需要凸轮轴具有较高的可靠性，具有极高的寿命，因此，这里单独针对凸轮机构的振动情况对凸轮轴作疲劳寿命分析，观测凸轮轴疲劳寿命曲线和易破坏区域分布。

在ADAMS中调用Durability插件，向MSC.Fatigue中输出凸轮机构柔性振动分析的.dac文件。在MSC.Fatigue中读取结果文件.op2和载荷历程文件，对凸轮轴进行寿命预测分析设置及材料设置等，选用全寿命法（S-N）对构件进行疲劳寿命分析，寿命云图如图4所示。

图4 75KW掘进机凸轮轴寿命云图

由分析结果可见，凸轮轴具有极高的使用寿命，其易损坏区域位于凸轮轴中段，即约为装载凸轮的轴段。因此，对凸轮轴设计时应着重校核装载凸轮的轴段的强度。

4 总结

本研究分析了振动截割头凸轮轴的主要性能和工作情况，了解了振动截割的工作过程和力学性能，初步总结出掘进机冲击振动截割机构的设计经验和分析经验，为后面对重型掘进机冲击振动截割机构的设计和性能分析做准备。