驾驶室随机振动.docx

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1、综合训练一：随机振动钻机驾驶室的随机振动分析课程名称： 随机振动与模态分析姓 名：班 级： 学 号:成 绩:钻机驾驶室的随机振动分析摘要：露天矿钻机在工作中由于路面的高低不平会受到持续不断的激励作用，在这种方式的 作用下，钻机会产生随机振动。本文首先对某型号的露天矿钻机的驾驶室进行随机振动分析， 通过有限元方法对驾驶室动态分析，得到传感器在不同工况卜的振动信号。使用mat lab软 件对数据进行处理，结果表明经过模态分析和功率谱分析，找到了驾驶室中应力集中的主要 位置。为了使此位置的振动程度减小，对驾驶室的结构进行改进并提出了 些建议。分析得 出该型露天矿钻机驾驶室底部梁与支架的连接采用合理的

2、橡胶块的结构，可以加强隔振效果, 保证驾驶室驾乘的舒适性。关键词：随机振动分析；有限元分析；功率谱密度0引言钻机驾驶室在工作时会随着工作环境的改变及机器运行过程中会产生随机振动，而驾驶 室是驾驶者的工作环境，其质量和环境的好坏直接影响到了人的工作条件。因此对驾驶室 进行随机振动响应分析很重要。近些年来国内外许多研允者在驾驶室的研窕领域取得了显著 成果，研究的方法大部分采用计算出驾驶室隔振装置的固有频率，使固有频率避开主要激振 力频率，从而减小驾驶室的振动响应2叫 通过建立了驾驶室悬置系统的自由度线性模型， 进行实验验证模态正确性，通过对驾驶室悬置系统的刚度、阻尼进行优化设计，提高驾驶室 的动态

3、舒适性向。钻机驾驶室在工作时会随着工作环境的改变及机器运行过程中会产生随机 振动，随机振动无法用确定性函数来描述，但又有一定统计规律的振动。本文采用有限元 法和功率谱密度法对钻机驾驶室的随机振动进行分析并通过分析结果提出改进方法提升驾 驶室的稳定性、舒适性。1钻机的工作原理钻机是在地质勘探中，带动钻具向地下钻进，获取实物地质资料的机械设备。又称钻探 机。主要作用是带动钻具破碎孔底岩石，下入或提出在孔内的钻具。可用于钻取岩心、矿心、 岩屑、气态样、液态样等，以探明地下地质和矿产资源等情况。牙轮钻机钻孔时，依靠加压、回转机构通过钻杆，对钻头提供足够大的轴压力和回转扭 矩，牙轮钻头在岩石上同时钻进和

4、回转，对岩石产生静压力和冲击动压力作用。牙轮在孔底 滚动中连续地挤压、切削冲击破碎岩石，有一定压力和流量流速的压缩空气经钻杆内腔从钻 头喷嘴喷出，将岩渣从孔底沿钻杆和孔壁的环形空间不断地吹至孔外，直至形成所需孔深的 钻孔。2工作时的随机激励露天矿钻机在行驶运行中产生的振动运动，其规律显示出相当的随机性而不能用确定性 的函数来表达，使得只能用概率和统计的方法来描述，这种振动被称为随机振动。随机振动 在多数情况卜主要由激振源的随机性引起,汽车方面的典型例子是路面的随机凸凹不平使行 驶的汽车产生随机振动。露天矿钻机的驾驶室在行驶过程中受到路面激励作用下产生随机振动，随机振动影响到 汽车行驶平顺、乘坐

5、舒适、货物完好、零部件随机疲劳寿命以及运输效率、能板油构等各个 方面面。对随机振动的响应分析不但关系到整车质量，而且对人的舒适性程度也可以作-定 的评价。驾驶室是驾驶者主要的工作环境，其质量和环境的好坏直接影响到了人的工作条件。 因此对驾驶室进行随机振动响应分析很重要。3钻机驾驶室的随机振动分析3.1钻机结构如图1所示钻机的主要部件有：底盘（行走机构、底架、上车回转）、工作装置（变 幅机构、桅杆总成、主卷扬、辅卷杨、动力头、随动架、钻杆、钻具等加压）。钻机实物图 如图2o1、底盘2、变幅机构3、桅杆总成4、随动架5、动力头6、钻杆7、钻具8、主卷扬9、辅卷 扬9图3. 2驾驶室的结构模型的简化

6、露天矿用钻机是一个复杂的振动系统，应根据所分析的问题进行简化。根据实际分析, 本文把驾驶室系统的结构振动简化为一个单质量系统的振动I叫驾驶室作为一个质量系统、 驾驶室与支架之间的连接橡胶块考虑为弹性阻尼模型其理论模型如图3所示mz + C(z - q) + K(z - q) = 0式中，为车身质量，K为橡版块等效的弹黄刚度，C为橡胶块等效的阻尼系数，g为 输入随机激励函数，z为输出的随机振动响应。对振动方程的求解后，可以通过己知的振动 激励求得振动响应。实体模型的简化则要考虑露天矿钻机的实际构造和布置情况。露天矿钻机驾驶室通过支 架安装在车架的左上方，驾驶室与支架之间用螺栓与橡胶块连接。车辆行

7、驶的随机振动通过 路面经轮胎、悬架、车架、橡胶块传到驾驶室中。支架以卜的部分不是本文研究的主要内容、 因此选取支架以上的驾驶室作为主要研究对象，建立其三维的立体模型。对驾驶室的动态分 析主要考虑其骨架模型，用shell63单元模拟。车门，座椅，仪表，方向盘和其余附件作为 质量块加在骨架模型中，用mass21单元模拟，并且布置在其相应的位置。驾驶室下部的橡 胶块用弹性阻尼单元combin 14单元来模拟，布置在驾驶室与支架相连的位置川仍。将建立的驾驶室的三维模型经过有限元网格划分后，模型有14832个shell63单元，12 个combin 14单元和5个mass2l单元模拟。分别在驾驶室与车架

8、的四个连接处建立XYZ三 个方向的Combin 14弹簧阻尼单元来模拟橡胶块的运动状态。4振动数据的采集和处理在驾驶室与车架的连接处分别应用四个传感器来测试振动信号，以此作为激励输入到模 型中。本露天矿钻机的工作时车速比较低，根据实际行驶工况，主要采集的是空载30km/h 和40km/h以及重载20km/h和30km/h四个工况下的振动信号。经过计算，得出的四个点的计算谱值如表1。由表一可以看出当空载时车辆以不同速度 进行工作时频率值发生改变。在这种情况下当处于相同的加速度功率谱密度时不同的运行速 度会导致不同的频率发生。如表1中当加速度功率谱密度处于相同值0.0003 (m/s2) 2时，

9、钻机分别以30 (km/h)和40 (km/h)运行时频率不相同对应其频率值分别为52 (Hz)和 94 (Hz)。当处于相同加速度功率谱密度时相同运行速度时不同的工作载荷会导致不同的频 率发生。由表1中观察到当面积处于相同值0.0004 (m/s2) 2钻机分别以空载30 (km/h)和重载30(km/h)运行即相同运行速度工作载荷不同时各自对应的频率值不相同分别为1103 (Hz)和360 (Hz)o当处于相同频率、相同运行速度但钻机工作载荷不同时会导致不同的 加速度功率谱密度。观察表I当钻机以3() (km/h)的速度，以7 (Hz)的频率但工作载荷 分别以空载和重载时发现此时的加速度功

10、率谱密度不相同。分别是0.003 (m/s2) 2和0.0001(m/s2) 2。表l四个点的计算谱值空裁(30knVh)空栽(40kiwh)重栽(2()kin/h)重载（30knvh）Frequency Hz)PS.Dim/s2)1FrequencyiHz)P.S.D(m/s2)2Frcquency(Hz)1)2ErequencyiHz2)270.0034().(XM)36().0000170.0001520.0003940.00032870.00001332O.CXJOl8400.00035500.00013200.000023600.000410050.0029030.00015210.

11、000025970.000110510.0029890.0035980.00029250.000111030.000410770.001622().000049940.00412170.00041155O.()(X)2854().000041（略（）().(XX)i12550.0031586().(XM)29140.00125000.000 12880.00317050.00089600.000313010.000218340.000210150.000325000.000220790.000210550.0000521770.000925000.000052500().00015模态分析模态

12、分析用于确定设计结构或机器部件的振动特有的固有频率和振型，即结构的固有频 率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时也可以作为其他动力学分析问 题的起点。ANSYS中模态分析是线性分析，任何非线性单元将被忽略。本文中的驾驶室结构模型 主要由壳单元组成，适合用分块lanczos方法和子空间法。经过模态分析，将前10阶的计算结果列表2如下：表2前10阶固有频率阶数1234567891()固有频率12.48127.89730.98137.34639.75249.7453.7358.11558.3060.37振型由表2分析可得随着阶数的增加固有频率值也增加，但相邻两阶数之间固有频率增长幅

13、度各不相同。第一阶和第二阶之间增长幅度差值最大，第八阶与第九阶之间增长幅度最小儿 乎维持不变。前三阶阵型图如图4、图5、图6所示。从图中可以看出，第一阶固有振型为侧向扭转，第二阶为纵向振动，第三阶为局部上下 振动。6功率谱分析功率谱密度是一种概率统计方法，是对随机变量均方值的量度。功率谱密度是结构在随 机动态载荷激励下响应的统计结果，是一条功率谱密度值一频率值的关系曲线，其中功率谱 密度可以是位移功率谱密度、速度功率谱密度、加速度功率谱密度、力功率谱密度等形式。将振动信号采集结果以画图的方法进行表示。对比钻机分别在不同的载荷情况和不同的 运行速度情况下驾驶室的随机振动强度。根据图7、图8、图9

14、显示，当钻机在40km/h空 我情况下各个响应结果的图像都处曲线的峰值。如图7所示，图中曲线的走势在030km/h 之间值接近于0,在3040km/h之间曲线走势开始上升，在40km/h时到达峰值，之后走势 开始下降，在60km/h时之后趋于平稳。如图8所示，图中曲线的走势在03()km/h之间值 接近于0,在3040km/h之间曲线走势开始上升，在40km/h时到达峰值，之后曲线走势开 始下降，在60km/h时曲线出现低谷,后期趋于平衡。如图9所示，图中曲线的走势在030kni/h 之间值接近于0,在3040km/h之间曲线走势开始上升，在40km/h时到达峰值，之后曲线走势开始下降，在50

15、km/h时曲线出现低谷，之后曲线走势上升。向应结果结果7改进的方法通过分析，发现驾驶室结构的应力集中部位在驾驶室底部梁与后支架的连接部位见图9, 需要对这个部位进行改进。图9驾驶室底部梁与后支架的连接部位根据经验可知，影响这个部位结构的强度主要有如下几个方面，这些方法的采用需要进 一步研究：1. 部件的结构尺寸直接影响着结构的强度，改变该部位的结构，增加底部梁的厚度，可 以有效地增加结构的强度。2. 橡胶块对减弱振动有很大的作用、改变橡胶块的尺寸将直接影响到橡胶块的刚性和阻 尼。因此在底部梁与支架的连接之间采用合理的橡胶块的结构，可以加强隔振效果，减小振 动的破坏。3. 橡胶垫位置的布置也会影响到驾驶室的振动响应，合理布置底部梁与支架的连接部位 的位置，使振动的影响最小。8结论本文通过对驾驶室的随机振动响应分析，将驾驶系统通过模型简化的方法简化为一个单 质量系统的振动