复杂刚柔耦合系统模态参数识别与振动分析研究

复杂刚柔耦合系统模态参数识别与振动分析研究

Research on modal Parameters identification and vibration analysis

of complexed rigid-flex coupled system

赵丽娟，王乘云

ＺＨＡＯ　Ｌｉ－ｊｕａｎ，　ＷＡＮＧ　Ｃｈｅｎｇ－ｙｕｎ

（辽宁工程技术大学　机械工程学院，阜新　１２３０００）

摘　　要：基于Ｐｒｏ／Ｅ、ＭＡＴＬＡＢ、ＡＤＡＭＳ和ＡＮＳＹＳ联合建立了采煤机截割部的刚柔耦合振动模

型，将截割部在截割含硬结核或夹矸煤层时碰到包裹体而受到的冲击载荷作为力激励，利用ＡＤＡＭＳ的Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ模块计算系统在受迫振动下的频响，通过ＡＤＡＭＳ的　Ｐｏｓｔｐｒｏｃｅｓｓｏｒ模块进行模态参数识别和分析仿真结果，确定了对系统整体性能不利的模态振型和频率，判断出系统在本研究所假定工况的载荷冲击下不会发生共振，同时也从模态频率角度验证出壳体在此冲击频率下不会与系统发生共振，而滚筒转速的设计却不符合振动性能要求，通过查看模态振型对壳体结构提出了修改意见。本文解决了输入负载的精确量化模拟及建模与仿真边界条件等关键技术问题，为采煤机截割部的优化设计和可靠性研究创造了条件。

关键词：ＡＤＡＭＳ；刚柔耦合；采煤机；截割部；模态识别；振动中图分类号：ＴＰ３９１　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１００９－０１３４（２００９）０４－０１０５－０４

收稿日期：２００８－１０－２２

作者简介：赵丽娟（１９６４－），女，辽宁阜新人，教授，工学博士，研究方向为数字制造与信息化、复杂机电系统的建模

与仿真。

０　　　引言

采煤机是综采的主要设备之一，它能否安全可

靠地连续工作已成为人们日益关注的课题，而截割部是采煤机上的重要部件，采煤机的大部分功率都消耗在截割部的滚筒上。

采煤机截割部的振动具有非线性和强耦合性，它的振源很多，如安装精度不高；螺旋滚筒上截齿分布不均；硬结核或夹矸对滚筒有冲击等，直接影响着采煤机截割部的寿命和工作性能，特别是在含有硬结核或夹矸的煤层中，滚筒截齿和煤壁发生复杂的力学耦合作用，产生不间断的载荷冲击，导致截割部的急剧振动，影响其内部传动系统的传动质量，并且会导致截割部零部件的疲劳破坏。

本研究主要考虑煤层中的硬结核或夹矸对采煤机的冲击振动影响，将复杂工况下的模拟冲击载荷定义为力激励，在频域范围内计算模型测试点的响应，确定对系统整体性能不利的模态振型和频率，为降低或抑制系统的振动响应提供科学依据，进而改善其振动性能。

１　　　ＡＤＡＭＳ振动分析原理

ＡＤＡＭＳ振动分析采用动态子结构法来求解多

自由度系统的特征值问题，其基本思路是按照工程观点把大型复杂结构抽象为若干个子结构进行模态分析，根据各子结构交界面的位移协调条件求解总体系统方程，以此获得系统的固有频率和模态坐标下的主振型，最后进行坐标变换求得系统的位移等动态响应。

对于刚柔耦合系统，则先解除柔性构件的约束，然后求解系统动力学方程，将子结构的自由度分成内部自由度和界面自由度两个集合，分别得到正则主模态和约束模态。柔性体使用标记坐标点（Ｍａｒｋｅｒ）来添加约束，施加作用力以及测量动态特性，用矩阵的形式表示某一标记点（Ｍａｒｋｅｒ）的位

移向量为：

式中，—柔性体相对地面坐标的位置向量；—从局部坐标到地面坐标的变换矩阵；Ｇ　—地面坐标；　Ｂ—柔性体上局部坐标；　—标记坐标点未变形时相对局部坐标的位置向量；　—变形向量。在本研究中输出通道均使用标记点（Ｍａｒｋｅｒ）的位移来度量振动响应的大小。

２　　　力激励的获取

由于煤层的物理机械性质是随机的，滚筒参与截割的齿数是变化的，所以采煤机受到的振动冲击也是不断变化的，为了精确模拟采煤机截割部所受的冲击，需要选取某一较恶劣工况并量化采煤机工作时截割部的受力情况。

假设在某一时刻，滚筒（截齿为顺序式排列）有４个镐齿同时碰到２个包裹体，建立滚筒的力学模型，将其受到的截割阻力、牵引阻力、侧向力和装煤反力以及在切入煤壁的过程中截齿受到的附加轴向力进行量化，运用Ｍａｔｌａｂ软件转化为对时间的复杂函数并通过ｔｘｔ文本形式输出；利用ＡＤＡＭＳ的Ｖｉｅｗ模块导入文本格式文件；通过Ｐｏｓｔｐｒｏｃｅｓｓｏｒ模块将时域样条曲线转化为频域样条曲线，即可获取振动仿真所需的力激励曲线。

在本研究中，为了缩短仿真时间，时域样条曲线输出时间取为３秒（包括电机稳定时间及完整截割和剥落一个包裹体所需时间），在此过程中，滚筒正好转过３转，截齿完整截割包裹体６次，即滚筒受到的峰值冲击为６次。Ｍａｔｌａｂ输出的时域样条曲线以及通过ＡＤＡＭＳ转换得到的频域样条曲线见图１～图３，从图中可以计算出载荷峰值冲击频率为

３．０４Ｈｚ。

图１　　冲击载荷ｘ

向分力及其傅里叶变换曲线

图２　　冲击载荷ｙ

向分力及其傅里叶变换曲线

图３　　冲击载荷ｚ向分力及其傅里叶变换曲线

３　　　振动分析模型的建立

本研究中，要建立基于刚柔耦合的采煤机截割部振动分析模型需要利用三维实体建模软件Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ、机械系统自动动力学分析软件ＡＤＡＭＳ和有限元分析软件ＡＮＳＹＳ联合实现。先使用Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ软件建立采煤机截割部的三维实体模型，然后通过ＡＮＳＹＳ软件把壳体、行星架、行星轴等易损坏件转变为柔性体，再利用Ｐｒｏ／ＥＮＧＩ－ＮＥＥＲ与ＡＤＡＭＳ之间的无缝连接接口工具ＭＥＣＨＡＮＩＳＭ／Ｐｒｏ根据实际装配关系添加运动副、接触、阻尼和柔性连接等约束，并导入到ＡＤＡＭＳ中，进行柔性体替换，最后利用ＡＤＡＭＳ的Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ模块，添加输入通道及输出通道，其中输入通道为模拟载荷得到的ｘ、ｙ、ｚ向三分量力激励，如表１所示，输出通道为壳体质心处、下耳处和行星架等几处的ｘ、ｙ、ｚ向三分量位移响应，如表２所示，最终建立的复杂刚柔耦合虚拟样机振动模型如图４所示。

表

１　　输入通道添加项列表

表

２　　输出通道添加项列表

图４　　刚柔耦合虚拟样机振动模型

４　　　仿真分析

采煤机截割部工作时，其各部分的振动是一个

强迫振动，使用ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ模块的强迫振动分析（Ｆｏｒｃｅｄ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ）进行仿真，然后基于Ｐｏｓｔｐｒｏｃｅｓｓｏｒ模块对仿真结果进行研究。

１）系统的主要模态参数识别

模态振型是每一结构所固有的振动表现型态，它不随测试条件和测试方法而改变。对模态振型进行分析，可以确定结构的振动型态及薄弱环节，为进一步修改结构提供依据。

通过ＡＤＡＭＳ的动画播放功能，可以很直观地观察到结构在各阶模态下的振动型态，由于高阶振型为局部振型，在实际应用中一般不会被激发，因此本研究只对前２４阶振型进行分析，通过观察比较发现第１０阶振型对系统影响比较大，如图５所示。从振型图上可以看出，第１０阶振型为壳体的扭转振动，主要是上耳和下耳端向外翻转，滚筒端绕ｘ轴向里弯曲，壳体整体发生扭曲，危险区域在壳体输出端拐角处（在图５中以椭圆标记），说明此处容易发生裂纹或折断，在结构修改时输出端应该沿－ｘ方向移动，以使此拐角与左边六轴孔边缘距离增大，提高其抗扭强度，同时拐角处过渡应该尽量平滑，同时此阶振型也会影响壳体内整个传动系统的稳定性，在实际工作中应该结合模态试验采取贴阻尼片等措施抑制此阶模

态的激发。

图５　　　壳体的第１０阶振型图

模态频率是又一种重要的模态参数，对于一般结构，要求受激频率要远离该结构的各阶模态频率或使工作频率不落在某阶模态的半功率带宽内。

图６为ＡＤＡＭＳ输出的系统模态，利用它可以很方便的查到系统的各阶模态频率及其对应阻尼，为进一步的振动分析、故障诊断和预测等提供依据，其中表３为系统前２４阶模态对应的频率。

　　表３　　系统前２４

阶模态对应的频率

图６　　系统模态

本研究中载荷的峰值冲击频率为３．０４Ｈｚ，而与此频率最接近的是系统第６阶模态频率，其数值为１．１２　Ｈｚ，且载荷冲击频率不在此阶模态频率的半功率带宽内，所以系统在本研究所假定的工况载荷冲击下不会发生共振。

另外滚筒的设计转频为１．５Ｈｚ，由表３可知，此频率与系统第５阶和第６阶模态频率接近，可以判定此滚筒转速容易引起系统共振，不满足振动设计要求，应根据滚筒装煤能力、煤的块度、截齿磨损和采煤机单位能耗等因素重新确定，且使滚筒的转频尽量远离系统的各阶模态频率。

图７为利用ＡＤＡＭＳ／Ｌｉｎｅａｒ模块计算出的壳体模态及约束模态频率，求解模态频率时壳体与大地施加的约束关系如图８所示，表４为壳体的各阶模态频率，通过表４可以看出壳体各阶模态频率不与载荷频率３．０４　Ｈｚ接近，说明壳体不会与系统发生

共振。

图７　　壳体的模态及频率表

４　　壳体各阶模态频率

图８　　　壳体与大地（Ｇｒｏｕｎｄ）的约束关系

２）系统的Ｘ向和Ｙ向位移模态分析沿行星架中心轴线（即总体坐标系的Ｘ向），由滚筒端面到煤壁面依次取行星架柔性体的３个外联点并定义为ｎｏｄｅ１点、ｎｏｄｅ２点和ｎｏｄｅ３点（如图９所示），其位移输出响应如图１０

所示。

图９　　行星架ｎｏｄｅ１点、ｎｏｄｅ２点和ｎｏｄｅ３

点位置图

图１０　　Ｘ向ｎｏｄｅ１点、ｎｏｄｅ２点和ｎｏｄｅ３点位移输出响应

取壳体下耳处、质心处和伸出端３处，其Ｙ向输出位移响应如图１１

所示。

图１１　　壳体下耳处、质心处和伸出端

３处的Ｙ向位移输出响应

从图１０和图１１可以看出，ｎｏｄｅ３点（图１０以短虚线标记）和下耳处（图１１以长虚线标记）位移响应最大，ｎｏｄｅ１点（图１０以实线标记）和伸出端处（图１１以短虚线标记）位移响应最小，即离滚筒载荷施加位置处（即滚筒质心处）距离越远，振动响应越大，这说明在特殊情况下可以采用缩小壳体伸出端尺寸或调整传动系统的传动比等方式来缩短摇臂长度以满足采煤机截割部的振动性能要求。

５　　　结论

１）基于Ｐｒｏ／Ｅ、ＭＡＴＬＡＢ、ＡＤＡＭＳ和ＡＮＳＹＳ联合建立了采煤机截割部刚柔耦合振动模型，解决了输入负载的精确模拟及建模与仿真边界条件等关键技术问题，为采煤机截割部的优化设计和工作可靠性研究创造了条件；

２）基于虚拟样机技术，将ＡＤＡＭＳ引入到复杂刚柔耦合系统的振动分析中，使设计工作更快速、更简单，避免了实际检测只能在设计后期进行且费用高昂等弊病，缩短了设计周期，降低了研发成本；

３）通过对系统进行模态参数识别，可知系统在本研究工况的载荷冲击下不会发生共振，同时也从模态频率角度验证出滚筒转速的设计不符合振动性能要求，但壳体在此冲击频率下不会与系统发生共振，通过查看壳体振型对壳体局部结构提出了修改意见；

４）通过对系统进行位移模态分析，发现截割部工作时离滚筒载荷施加位置处越远的部位振动越大，说明在某些情况下可以通过缩小壳体伸出端尺寸或调整传动系统的传动比等方式来缩短截割度以满足其振动设计要求，进而改善其振动性能。参考文献：

［１］　　李增刚．ＡＤＡＭＳ入门详解与实例［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００６．

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