李文軍

（中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

隨著國內(nèi)煤礦廣泛使用防爆柴油機(jī)鏟運車，雖提高了運輸生產(chǎn)效率，但由于鏟運車行駛的路況比較惡劣，路面起伏不平，車輛底盤經(jīng)常會受到巨大的沖擊，尤其在工作面設(shè)備搬遷時，裝載、卸載和調(diào)車等工作量大而復(fù)雜，鏟運車的故障率也大大增加，傳動軸出現(xiàn)異響甚至斷裂的情況，為了提高車輛行駛的平順性，減小動載荷引起的零件損壞，提高車輛的使用壽命，對傳動軸的分析也顯得很有必要。

1 幾何建模

利用SolidWorks 軟件對傳動軸萬向節(jié)與齒輪軸進(jìn)行三維實體建模，得到傳動軸（如圖1所示）的三維實體模型。為了有效地對傳動軸進(jìn)行有限元分析，需要對實體模型進(jìn)行合理的簡化，具體需要簡化的幾類特征包含殼體上的 LOGO、 設(shè)備型號、數(shù)字等；小的鉆孔；小的圓角、棱角；斜角以及螺紋等等。

圖1 防爆柴油機(jī)鏟運車傳動軸

2 傳動軸的有限元分析模型

為了保證有限元[1,4]模型的準(zhǔn)確性，對花鍵接觸部分的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化。全局模型主要采用二階三角形殼單元劃分，經(jīng)網(wǎng)格要求檢查后通過solid from shell 生成四面體實體單元。萬向節(jié)與齒輪軸的四面體網(wǎng)格模型如圖2所示，網(wǎng)格模型共有208744個單元，323121個節(jié)點。

圖2 傳動軸網(wǎng)格模型

3 模態(tài)分析

本文模擬傳動軸萬向節(jié)的自由狀態(tài)，不施加任何約束。因此零件的前六階模態(tài)均為剛體模態(tài)，即前六階模態(tài)固有頻率為零或接近零。萬向節(jié)的八階振型如圖3所示，齒輪軸的八階振型圖如圖4所示。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，可得萬向節(jié)的八階固有頻率如表1所示。

由模態(tài)仿真分析結(jié)果可知，萬向節(jié)與齒輪軸在自由模態(tài)下的最小頻率分別為3712.6Hz，1242.5Hz，而該防爆柴油機(jī)鏟運車整體的頻率為58Hz，因此本文研究的單個零件不會與該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在共振的可能性。

圖3 萬向節(jié)八階振型圖

圖4 齒輪軸振型圖

表1 萬向節(jié)前八階固有頻率

表2 齒輪軸前八階固有頻率

4 實驗?zāi)B(tài)分析

為了驗證有限元模型的正確性，基于現(xiàn)有的試驗條件和軟件條件，用單點激振法對該傳動軸進(jìn)行自由狀態(tài)下的模態(tài)試驗。儀器包括：十八通道的PAK2 數(shù)據(jù)采集儀、PC 機(jī)、三軸向加速度傳感器等。試驗頻率提取采用單點設(shè)置，即欲選的測試點為轉(zhuǎn)向齒輪軸上的任一點。將傳動軸用柔索懸掛，模擬其處于自由狀態(tài)；然后在預(yù)選點用蜂蠟連接三軸向加速度傳感器；最后將各信號線與數(shù)據(jù)采集儀及PC 機(jī)相連接。儀器連接和數(shù)據(jù)變化如圖5所示。實驗結(jié)束后，將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，并計算其相對誤差，如表3所示。

從表3可以看出，根據(jù)模態(tài)仿真分析得到的固有頻率與實驗?zāi)B(tài)測到的頻率相對誤差在15%以內(nèi)。說明仿真模型基本正確，同時也為對傳動軸的進(jìn)一步分析提

供了有力的支持。

圖5 實驗過程儀器連接與數(shù)據(jù)變化

表3 模態(tài)計算與模態(tài)試驗對比

5 結(jié)論

本文分別對鏟運機(jī)傳動軸的齒輪軸和萬向節(jié)進(jìn)行模態(tài)仿真分析，得到鏟運機(jī)傳動軸的前八階固有頻率及振型，證明傳動軸不存在與該車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)共振的可能性。對齒輪軸進(jìn)行模態(tài)實驗分析，并將實驗結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明誤差在可接受的范圍內(nèi)，驗證有限元模型的正確性。也為傳動軸分析提供了一種可以借鑒的方法。

[1]曹妍妍，等.有限元模態(tài)分析理論及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動化，2007，1.

[2]田楊.地下鏟運機(jī)變矩器傳動軸的模糊優(yōu)化設(shè)計[J].煤礦機(jī)械，2012，2.

[3]趙三星，肖涵，劉云濤，喬棟，等.十字軸萬向節(jié)動力分析和扭矩測試研究[J].冶金自動化，2009.

[4]王寅曉.汽車轉(zhuǎn)向傳動軸萬向節(jié)與轉(zhuǎn)向齒輪軸有限元分析[D].江蘇大學(xué)，2012，7.