蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院 祁賢業(yè)

銅包裝線升降臺的動態(tài)力學(xué)性能研究

蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院 祁賢業(yè)

本文利用銅包裝生產(chǎn)線升降臺中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為研究對象，首先利用0.618法對雙桿曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的壓力角進(jìn)行優(yōu) 化，再基于ANSYS對升降臺進(jìn)行諧響應(yīng)分 析、瞬態(tài)動力學(xué)分析。

壓力角；ANS YS；諧響應(yīng) 分析；瞬態(tài)動力學(xué)

1.升降臺簡述

1.1 升降臺工作原理

升降臺技術(shù)參數(shù)如下：額定承載量為2.5噸、平臺最低高度為640mm、升降高度為200mm。根據(jù)工作要求，工作臺只做垂直方向的運(yùn)動運(yùn)動，也就是一個自由度，根據(jù)其技術(shù)參數(shù)選擇正置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)則是雙桿同步結(jié)構(gòu)。機(jī)構(gòu)簡圖如圖1.1。

該機(jī)構(gòu)的工作原理是：液壓缸1推動連桿2通過主軸帶動曲柄3轉(zhuǎn)動，再通過連桿4驅(qū)動升降臺5作垂直方向直線運(yùn)動。

1.2 基于0.618法的同步雙桿曲柄滑塊升降臺的設(shè)計(jì)[1]

以連桿和工作臺速度方向之間的夾角，即壓力角為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化該機(jī)構(gòu)。

壓力角的的約束函數(shù)為：

根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)果，取各桿件長度分別為連桿長度553mm，曲柄長度為200mm，壓力角的的變化范圍為10°——20°，同步桿長度為750mm，同步桿與曲柄之間的壓力角變化為15°——0°——34°，在許用壓力角范圍之內(nèi)。

根據(jù)圖1.1所示機(jī)構(gòu)簡圖和優(yōu)化后的實(shí)際尺寸，此雙桿同步升降臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1.2和1.3 。

2.動態(tài)力學(xué)性能研究

2.1 升降臺諧響應(yīng)分析[2]

諧響應(yīng)分析是分析結(jié)構(gòu)在不同頻率的簡諧荷載作用下的動力響應(yīng)，是與結(jié)構(gòu)所受荷載相關(guān)的，只是結(jié)構(gòu)所受荷載的都是簡諧荷載，而且荷載頻率的變化范圍在諧響應(yīng)分析時要給出來。任何持續(xù)的周期載荷將在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中產(chǎn)生持續(xù)的周期響應(yīng)（詣響應(yīng)）。諧響應(yīng)分析使設(shè)計(jì)人員能預(yù)測結(jié)構(gòu)的持續(xù)動力特性，從而使設(shè)計(jì)人員能夠驗(yàn)證其設(shè)計(jì)能否成功地克服共振、疲勞及其他受迫振動引起的有害后果。諧響應(yīng)分析是用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受隨時間按正弦（簡諧）規(guī)律變化的載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種技術(shù)。分析的目的是計(jì)算出結(jié)構(gòu)在幾種頻率下的響應(yīng)，并得到一些響應(yīng)值（通常是位移）對頻率的曲線。從這些曲線上可以找到“峰值”響應(yīng)，并進(jìn)一步觀察峰值頻率對應(yīng)的應(yīng)力。

2.2 求解及分析

在ANSYS中對升降臺施加激振力，其頻率范圍為0-130Hz，加載方式為Ramped法，激振力的作用方向?yàn)閅軸負(fù)方向，加載方式為Ramped法，圖5.12-圖5.15顯示了X、Y、Z三個方向的振幅的變化曲線。

從圖2.1可以清楚的看到升降臺在不同頻率下的X方向振幅，當(dāng)給升降平臺施加了激振力后，分別在26Hz，63Hz，110Hz的激振力較為敏感，升降平臺振幅出現(xiàn)三個峰值，激振力頻率約為26Hz時響應(yīng)幅值最大，升降臺在這個方向上發(fā)生較大的變形，因此應(yīng)盡量避開此頻率值。

從圖2.2可以清楚的看到升降臺在不同頻率下的Y方向振幅，當(dāng)給升降平臺施加激振力之后，分別在63Hz，110Hz的激振力較為敏感，升降臺出現(xiàn)了兩個峰值，因此在這兩個頻率都會產(chǎn)生共振，激振力頻率約為110Hz時響應(yīng)幅值最大，升降臺在這個方向上發(fā)生較大的變形，因此應(yīng)盡量避開此頻率值。

從圖2.3可以清楚的看到升降臺在不同頻率下的Z方向振幅，當(dāng)給升降平臺施加激振力之后，分別在24Hz，63Hz，74Hz，110Hz，119Hz的激振力較為敏感，升降臺出現(xiàn)了五個峰值，因此在這五個頻率都會產(chǎn)生共振，但頻率為63Hz，74Hz，110Hz響應(yīng)幅值振幅較小，對升降臺影響較小，其中頻率約為24Hz，120Hz時響應(yīng)幅值最大，升降臺在此方向上變形較大，因此應(yīng)盡量避開此頻率值。

從圖2.4可以看出當(dāng)對升降臺施加激振力之后，X方向和Z方向升降臺響應(yīng)曲線峰值都比較小，對升降臺影響較小。而升降臺在Y方向的響應(yīng)曲線的峰值最大，這就是升降臺共振是由Y方向受載荷引起的，可能對升降臺產(chǎn)生較大的危害。

2.3 瞬態(tài)動力學(xué)分析[3]

2.3.1 分析求解

銅包裝線配重工位需通過對銅板進(jìn)行加減，使每垛銅板的重量滿足要求（2430kg-2580kg）。在諧響應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，按銅包裝生產(chǎn)線工作實(shí)際承載情況對升降平臺加載，分析升降平臺的位移響應(yīng)、速度響應(yīng)和加速度響應(yīng)。配重工位工作過程為：升降平臺在最低位置得信號后升起到達(dá)傳動鏈高度，托起銅板繼續(xù)升起至最高位置后停止。升降臺底下安裝有電子秤，對銅板進(jìn)行稱重，如果銅板重量為2430kg至2580kg，控制系統(tǒng)給出信號使升降平臺下降；如果小于2430kg，控制系統(tǒng)給出加一片信號，直到銅板重量達(dá)到2430kg至2580kg范圍；如果大于2580kg，控制系統(tǒng)給出減一片信號，直到銅板重量達(dá)到2430kg至2580kg，一片銅板重量約150kg。加減片數(shù)量由一垛銅板的重量和輔料臺上每片銅板重量決定，因此每次配重升降平臺承載情況往往不同，本章取升降平臺承載較復(fù)雜的一種工況（加兩片銅板）進(jìn)行分析。

以一垛銅板重2250kg為例，由于重量要求需加兩片銅板，每片重150kg，加載過程如圖2.5所示：

2.3.2 求解并查看結(jié)果

對升降臺施加載荷，進(jìn)行求解，可以得到時間位移變化曲線，如下圖2.6-2.9

升降臺在承受沖擊載荷時，從XYZ位移時間對比圖可以看出，位移與分析結(jié)果吻合，Y方向位移最大，X方向由于約束板約束，X方向位移最小。說明主要是靜態(tài)特性起作用，由加減片引起的振動相對靜態(tài)變形值較小。

3.結(jié)論

本文首先利用0.618法對雙桿曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的壓力角進(jìn)行優(yōu)化，其次對諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學(xué)做了簡要概述，對升降臺整體建立有限元模型，然后進(jìn)行諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析，通過分析得到以下結(jié)果：

得到了X、Y、Z三個方向的諧響應(yīng)曲線，通過分析得到，升降臺對Y方向激振力頻率為26 Hz，110 Hz，119 Hz時較為敏感，應(yīng)盡量避開這三個頻率。在得到配重工位的升降臺平臺的位移曲線。位移響應(yīng)曲線分析結(jié)果相吻合，升降平臺速度和加速度較小，說明升降臺起升、下降及加減片引起的振動幅相對靜態(tài)變形值小得多。

[1]劉少學(xué).優(yōu)選法與試驗(yàn)設(shè)計(jì)初步[M].人民教育出版社,2007:9.ISBN978-7-107-18682-0.

[2]張朝暉.ANSYS8.0結(jié)構(gòu)分析及實(shí)例分析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005,3.

[3]尚曉江,邱峰,趙海峰.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用[M].中國水利水電出版社,2008,5.