綜合實驗裝置工作平臺固有振動特性研究

1、綜合實驗裝置工作平臺固有振動特性研究【摘要】本文應用ansys軟件對高溫高壓物理研 究所研制的綜合實驗裝置（以下簡稱微鉆臺）中工作平臺的 固有振動特性進行了模態(tài)分析。建立了工作平臺有限元模 型，計算得出了相應振型并進行了相應分析。結果表明：微 鉆臺上dj2235b-ziz-qc1-235型鉆機在鉆進巖石時，工作平 臺不會因共振而側翻?！娟P鍵詞】微鉆臺；振動；有限元法；模態(tài)分析微鉆臺是為金剛石鉆頭對鉆石的可鉆性提供分級方法 的主要硬件設備，是多種技術結合的機電產(chǎn)品，也是進行科 學鉆探技術研究的重要設備。現(xiàn)在微鉆臺正朝著移動性好， 功能全面，可靠性高，安全性能好等方向發(fā)展1。本文所涉及的微鉆臺是為

2、模擬實際鉆機的鉆進過程及 其研究錨桿鉆頭的使用壽命而設計的。在工作平臺的工進過 程中，由于工作平臺受到鉆壓及扭矩的綜合作用，振動會很 大。但結構的設計上，由于工作臺面是套在軸承上的，連接 不牢靠，如果鉆機產(chǎn)生的激振頻率與工作平臺的固有頻率相 近就可能產(chǎn)生共振，這樣工作平臺就會產(chǎn)生較大振幅的振 動，可能出現(xiàn)工作平臺的側翻，導致嚴重事故；同時也為了 通過振動分析驗證所設計的微鉆臺上工作平臺結構的可靠 性，因此，對工作平臺進行了模態(tài)分析。1工作平臺有限元模型的建立工作平臺的分析：其在工作時產(chǎn)生的振動主要來自于鉆 頭鉆進過程中豎直方向鉆壓以及鉆頭旋轉(zhuǎn)對工作平臺產(chǎn)生 扭矩的綜合影響，但由于扭矩產(chǎn)生的影響

3、較小，可忽略不計, 主要考慮鉆壓的影響。在鉆進過程中，由文獻2通過計算 得到鉆壓大概為474&1n。在加邊界條件時，由于工作平臺 下部孔與軸承之間是過渡配合，且下底面在軸承底座之上， 且左邊三側孔的作用為平衡鉆頭在鉆進過程中工作平臺的 扭矩，故在進行模態(tài)分析時邊界條件為工作平臺下部孔的徑 向約束，孔下底面豎直方向的約束及側面三孔沿徑向的約 束。模型采用solid92單元計算，工作平臺材料為45鋼， 彈性模量2. 06x1011pa,泊松比u=0. 3,密度為7850kg/m3。2計算結果與分析在ansys中經(jīng)過建立模型，加載求解，擴展模態(tài)，結果 后處理幾個步驟可得到工作平臺前十階載荷步

4、固有頻率及 振型，由于模型的對稱性，第一子步和第二子步頻率相同， 均為第一階頻率，依此類推。計算所得到的固有頻率值如下 表1所示，取20個子步分析6階模態(tài)，振型如下圖1圖4 所示。一般情況下共振頻率主要發(fā)生在低、中頻段，因此只需 要提取模態(tài)分析的低中頻段的各階模態(tài)基本上能滿足對工作平臺動力學研究的要求。本文指定的擴展模態(tài)數(shù)為20階, 即提取20階模態(tài)數(shù)的10階振型來研究工作平臺的振動特 性。查閱鼎堅dj2235b-ziz-qc1-235型微型鉆機的相關資 料，可知該微型鉆機空載轉(zhuǎn)速為700/min,輸入功率3. 5kw, 額定頻率為50hz。由于該鉆機的轉(zhuǎn)速不可調(diào)，只能在額定的 轉(zhuǎn)速下工作，故

5、產(chǎn)生的激振頻率為其額定頻率50hzo由表1所得前20階載荷步的頻率值范為 1.8709hz11.781hz 之間，遠小于微型鉆機的激振頻率50hz,故工作平臺在工作時 不會產(chǎn)生共振，也不會因共振而側翻。由以上各階振型圖可知，第一階振型頻率1.871hz,表現(xiàn)為沿中心面的扭轉(zhuǎn)變形；第二階振型頻率為2. 397hz,表 現(xiàn)為前后方向的上下振動變形；第三階振型頻率為4.212hz, 表現(xiàn)為前后左右四個方向的上下振動變形；第四階振型頻率 為6. 832hz,表現(xiàn)為前后左右四個方向的上下振動變形；最 小振幅均發(fā)生在工作平臺的下部的圓柱體上即振型圖的上 面mn所示處，最大振幅在各階振型中的地方各不相同在各圖所示mx所示處，其值在0. 176e-40. 512e-4（單位：mm）,最大振幅值比較小基本可以忽略。第三、四階振型工作平臺 變形較大，其它振型工作平臺變形較小，但整體來都講不會 影響工作平臺的正常工作，相對共振來說基本可以忽略，整 體結構設計基本合理。3結論3. 1通過頻率的分析可知，工作平臺在工作時不會產(chǎn)生 共振，也不會因共振而側翻。3.2從各階振型可以看出，工作平臺整體結構設計比較 合理，無明顯的薄弱部位。【參考