混凝土喷射机出料管总成有限元分析.pdf

第 1期 ( 总第 1 4 6 期 ) 2 0 0 8年 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG & AUTOM ATI ON No1 F e b 文章编 号： 1 6 7 2 6 4 1 3 ( 2 0 0 8 ) 0 1 0 0 4 5 0 3 混凝土喷射机 出料管总成有限元分析 刘爱 军 ，傅彩 明 ( 1 湖南科技 大学 机电工程学院，湖南 湘潭4 1 1 2 0 1 ；2 湖 南工程学院 机械系，湖南 湘潭4 1 1 1 0 1 ) 摘要 ： 采用有 限元分析软件分析混凝土喷射机 出料管与 出料管总成的固有频率 ， 分别获得出料管、 出料管总成 的前 1 5阶固有 频率。仿真结果表明 ： 单纯出料管频率较高 ， 频率范围在 7 0 0 Hz 3 5 5 0 Hz 之间 其变形较为严 重 的部位是 出料管端部 最大应力 出现于螺栓处 ； 而出料管总成 与单纯 出料管相 比， 其频率虽然有所下降 ， 但 频率仍然 比较 高。 通过修改模型连接方式 ， 频率 已大大降低 ， 基本满足振动要 求。 由于出料管总成频率 的改变 从而使 出料管总成具有 了较好的 自洁功能 。 关键词 ：出料 管总成 ；固有频率 ；有限元 中图分类号 ：U4 1 5 5 2 4 文献标识码 ：A 0 引言 出料管总成是混凝土喷射机的关键部件 ，它负责 将搅 拌均 匀 的混凝 土从转 子直接 输送 至喷 管 ，再 通过 喷头喷射出去。因而它的顺畅直接关系到混凝土喷射 机 的效率 和质量 。而混凝 土喷射 机在 实际工 作 过程 中 由于混凝 土具有 黏性 很容 易粘结在 出料 管上 ，从 而造 成了出料管堵塞 。为了减轻混凝土的粘结现象 ，对现 有结构采取了一系列防止堵塞的措施 ，如采用出料管 衬 套和二 次 出料 管衬 套 ，当粘结 混凝 土过重 时及 时更 换出料管衬套 ； 此外， 还采用了钢筒来改变气流方 向， 使混凝土难 以粘结在管壁上 。这一系列措施虽然较好 地解决了混凝土的粘结现象 ，但是其操作仍然比较繁 杂 。因此 ，本文通 过对 出料 管进行 自由模态 分析 ，了 解 出料 管 总成 的动态 特性 ，从而 改进 出料管 总成 的结 构，使其具有良好 的自洁功能。 1 实体 模 型的建 立 1 1 出料 管总成 模型 的建 立 出料管总成是 由出料管以及二次出料管组成 ，其 总成实体模型见图 1 。 图 1 出料管总成实体模 型 出料管主要 由左端 4个螺栓与机体固定 ，进料 口 与机体固定 ，因此 ，简化后需在 4个螺栓端面上施加 收稿 日期 2 0 0 7 0 5 0 9 l修 回日期 ：2 0 0 7 0 9 一 l O 作者简介：刘爱军 ( 1 9 7 1 一 ) ， 女 湖南新化人 ， 工程师 硕士研究生。 4个固定约束，在进料口与机体固定面上施加固定约 束 ，总共 5 个 固定约束 。出料管总成约束的施加方式 同出料管约束施加方式一样 。经检验 ，模型的转动惯 量满足其基本条件。 1 2 材料 参数及 有 限元 网格 划 分 出料管及其出料管总成的有限元分析中的材料为 S t e e l A NS I C1 0 2 0 ，其参数见表 1 。 表 1 材料特性数据表 弹性模量 ( MP a ) 1 9 9 9 2 8 泊松 比 0 2 9 剪切模量 ( MP a ) 7 7 4 9 2 密度 ( k g m。 ) 7 8 5 0 热膨胀系数( - 1 ) 0 0 0 0 O 1 1 3 最大许用应力 ( MP a ) 3 3 1 出料 管总 成 的有 限元 网格划 分模 型 见 图 2 ，在 模 型 中， 出料管单元平均尺寸取 1 0 mm， 细化的平均尺寸 取 0 0 2 4 mm，出料管总成单元平均尺寸取 1 5 mm，以 下所有的有限元分析 中，如无特殊说明，许用网格偏 差 都取 1 O 。 图 2 出料管有 限元 网格划分 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 6 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 0 8年第 1期 出料管的有限元模型网格划分的实际最大偏差值 为 4 8 ， 在允许的偏差范围内。 该有限元模型中共有 1 5 2 7 1 个 单元 和2 9 9 2 3 个 节点 。 出料管总成的有限元模型网格划分的实际最大偏 差值为 4 7 ， 在允许的偏差范围内， 该有限元模型中 共有1 O 4 9 6 个单元和2 0 1 4 8 个节点。 2模态 仿真结 果及其 分析 2 1 出料 管模 态仿 真 出料管模态仿真只考虑在 自由状态下的 自振频 率，所以没有施加任何载荷，其前 1 5阶频率见表 2 。 从分 析结果 来看 ，出料 管 的频率 比较大 ，主 要是 因为本身的结构参数、端面的约束和与机体结合处的 面约束所致。模态仿真的前 3阶应力云图和位移云图 见图 3 、图 4 。 从仿真结果可以看出， 1阶模态的频率是 7 6 7 Hz ， 主要振 动方 向是水平 方 向 ，变形 最大 的方 向为远 离螺 栓部分 ； 2阶模态的频率是 8 9 7 Hz ， 主要的振动方向是 上下， 变形最大的仍然是出料管端面； 3阶模态的频率 是1 1 5 0 Hz ， 主要 的振 动方 向是左右 ， 变形最 大的仍 然 是端面。 在前 3阶模态 中应力最大的部位是螺栓部分； 第 4阶模 态主要 振动方 向是上 下 以及 左右 ，变形 最大 的是靠近螺栓部位；第 5阶主要是靠近螺栓部分的斜 振( 双 向) ，变形最大的是靠近螺栓部分 ；第 6阶模 态 主要是靠近螺栓部分的斜振( 单 向) ，变形最大的是靠 近螺栓部分； 第 7阶、 8阶模态主要振动方向是螺栓部 分的上下和左右 ；第 9阶模态主要是末端的斜振。 表 2 出料管前 1 5阶振动频率Hz 阶数 频率 l 7 6 7 2 8 9 7 3 l l 5 O 4 l 7 3 O 5 l 8 i o 6 2 i 3 0 7 2 i 9 0 8 2 2 6 O 9 2 5 4 0 l O 2 6 3 o l l 2 9 2 O l 2 3 2 6 O l 3 3 3 2 O l 4 3 5i o l 5 3 5 5 o _-警 誊 ( a ) 第 1 阶振型 ( b )第 2 阶振型 ( c )第 3 阶振型 图 3 出料管前 3阶振型应力云图 誊 叠 月 重 蓥 ( a ) 第 t 阶振型 总 的 来 看 ，出 料 管 的 频 率 较 高 ， ( b)第 2阶振 型 图 4 出料管前 3阶振型位移云 图 主 要 分 布 在 表 3 7 0 0 Hz 3 5 5 0 Hz 之 间 ，其 主 要 变 形 部 位 是 出 料 管 端 部 ，应 力最 大处是 螺栓 部位 。为 了更 进一 步地分 析 出 料管的动态性能，以下是对出料管总成的分析探讨。 2 2 出料 管总成模 态分 析 出料管总成前 I 5阶模态振动频率见表 3 。 从表 3来 看，出料 管 总成 的 频 率 主要 分 布在 3 0 0 Hz 2 5 0 0 Hz 之 间 ，频 率仍 然 比较高 ，但是 与出料 管相比频率有所下降，主要是因为出料管总成增大了 零件质量，改变了质量的空间分布。其前 3阶模态振 型应力云 图和位 移 云图见 图 5 、图 6 。 从仿 真结 果来看 ， 第 1阶频率 为 3 1 0 Hz 。 主要 振 动 方 向为垂直 方向 ； 第 2阶频 率为 3 1 7 H z ， 主要振 动方 向 是左 右方 向 ； 第 3阶频率 是 8 4 3 Hz ， 主要振 动是与 机体 ( C )第 3 阶振型 出料 管总成前 l 5阶振动频 率 Hz 阶数 频率 l 3 i o 2 3 l 7 3 8 4 3 4 l 3 o o 0 i 3 6 0 6 l 6 2 O 7 i 6 9 0 8 i 7 8 0 9 i 8 2 0 i o 2 0 3 0 l l 2 l 2 O l 2 2 l 8 0 l 3 2 2 40 i 4 2 3 i o l 5 2 5o o 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 8年第 1 期 刘 爱军，等 ：混凝土喷射机 出料管总成有限元分析 4 7 连接处的斜向摆动以及末端的左右振动 ；第 4阶频率 是1 3 0 0 Hz ， 主要是 左右两端绕机 体连接处的左右摆 动 ； 第 5阶频率是1 3 6 0 Hz ， 其主要是首端的上下振动； 第 6阶主要是首端下部和末端的扭动；第 7阶主要是 首端的斜摆和末端的左右摆动；第 8阶主要是机体连 接处与末端之间部分的上下、左右摆动 ；第 9阶主要 是机体连接处与末端之间部分的斜向摆动 ； 第 1 O阶主 要是首端的斜 向振动( 双向) 。 低 低潮一 重 低 窝 向 嬲 高 簿 商 ( a j 第 i 阶振型 ( b ) 第 2阶振型 ( C )第 3 阶振型 图 5 出料管总成前 3阶振型应力云图 精 蚕 低 嬲 向 高 强 商 ( a j 第 l 阶振型 ( b )第 2 阶振型 ( c ) 第 3 阶振型 图 6 出料 管总成前 3阶振型位移 云图 从以上来看 ，如果将出料管总成做成一个整体将 表4 出料管总成改进后前 1 5 阶振动频率H z 明显降低系统的频率 ，因而可以将出料管总成作以下 改进 ：将 出料管右端与二次出料管之间的 2 个螺栓 固定改为 4 个螺栓 固定 ；出料管与机体连接处 的 4 个螺 栓 紧固改 为用弹性 元件 固定 ，并加 以辅 助 固定装 置；将出料管总成做成一个整体 ，以降低出料管总 成 的频率 。 出料管 总成 改进后前 1 5阶振 动频率 ，见 表 4 。 从表 4可以看出，改进后模型的频率主要集中在 2 0 3 Hz 1 8 6 0 Hz 之间 ， 频率已基本满足振动要求 。 从 仿真结果来看， 第 1阶频率为 2 0 3 Hz ，主要是上下方 向的振动 ； 第 2阶频率是 7 2 4 H z ，主要是左右方向的 振动； 第 3阶频率为 1 7 1 Hz ， 主要是进料部分绕轴线的 旋转； 第 4阶频率是 2 6 4 Hz ， 主要是出料管的斜摆 ； 第 5阶主要是出料管的反方向斜摆 ；第 6阶主要是轴线 方向的振动 ； 第 7阶主要是绕进料部分的扭动 ； 第 8阶 主要是两端绕 中心部分的上下扭动 ；第 9阶主要是进 料部分的摆动 ； 第 1 O阶主要是进料部分的上下、 左右 摆 动 。 3结论 综上所述 ，通过对出料管及其总成进行 自由模态 分析 ， 分别得出其前 1 5阶频率， 并对其 频率进行对比 研究 ；之后 对 出料管 连接及 连 接形式 进行 改进 ，再进 行仿真分析，获得如下结论 ：修改连接后出料管总成 固有 频率 主要 集 中在 2 0 3 Hz 1 8 6 0 Hz 之 间 ，与没有 修改连接方式之前的出料管总成 固有频率相比，其数 值已大大降低 ，基本能满足振动要求 。如果在出料管 某处加一振动电机就可使出料管跟振动电机作周期性 振动，因而混凝土将很难粘结在 出料管上 ，从而使出 料 管总成具 有 良好 的 自洁功 能 。 阶数 频率 1 2 O 3 2 7 2 4 3 1 7 1 4 2 6 4 5 2 6 8 6 5 7 7 7 7 6 O 8 7 7 3 9 1 3 00 1 O 1 4 50 1 1 1 6 00 1 2 1 6 40 1 3 1 8 1 0 1 4 1 8 30 1 5 1 8 60 参考文献 ： 1 马宝祥 湿式 混凝 土喷射 机 的发展及应 用 J 河北 建筑 科技学院学报 ， 2 0 0 0 ， 1 7 ( 3 ) ： 4 9 5 1 2 刘爱军 ， 傅彩 明 混凝土喷射机料斗 自由模 态的仿真研究 J 机械研究与应用 ， 2 0 0 6 ， 1 9 ( 6 ) ： 1 0 1 2 3 陈向 阳 公路 隧道湿 喷混凝 土施 工技术 与研究 J 公 路 交通科技 ， 2 0 0 3 ， 2 0 ( 1 ) ： 7 6 7 8 4 胡汉 月 ， 张 明， 朱菊 根 ， 等 湿式 喷射 混凝 土 设备 的研 究 J 探矿工程 ， 2 0 0 0 ( 1 ) ： l O 一 1 3 5 Z h a n g L M， Ka n d a H， B r o wn D L， e t a 1 A p o l y r e f e r e n c e f r e q u e n c y d o ma i n m e t h o d f o r mo d a l p a r a me t e r s C ASM E Pa pe r， 2 003： 85 1 06 6 S a e e d Mo a v e n i F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s ： t h e o r y a n d a p p l i c a t i o n wi t h ANS YS M N J ： P r e n t i c e Ha l l ， 1 9 9 9 ： 2 8 35 ( 英 文摘要 转 第 5 O页 ) 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 O 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 0 8年第 1 期 定 的操 作权 限，不 同角 色下 的用 户权 限不 同。如 A d mi n i s t r a t o r 用 户拥有 系统 管理员 角 色 ， 进而拥 有所 有权 限 ； 而一 般互联 网用 户拥 有 We b浏览 者角 色 ， 所 以只能拥 有查询 权限 。 当用户请求到 R B AC授权模块时 ， RB AC授权模 块 找到 与用 户拥 有角色 相应 的权 限 ，核对 用户 所访 问 的数据的操作权限，如果该操作权限高于用户角色的 操作权限，则系统拒绝执行操作 ，返回错误信息；如 果该操作权限低于或者等于用户角色的操作权限，则 系统执行用户请求，进入数据库服务器完成操作；数 据库服务器把满足请求的明文数据返回给数据加密模 块 ，该模 块根据 数据 的安全 标记 来决定 是否对 明文 数 据 进行加 密 ，最 后才 把数据 ( 明文 数据或 密文 数据 ) 发 送 给客 户端 ，以此来保 证访 问 的合法性 和数据 的完 整 性 。 2 3 日志记 录模块 的工作 日志记 录模 块负 责记 录来访 者 的 I P地址 、 到访 时 间、身份认 证结 果 、RB AC授权 结果 和数据 加密模 块 处 理结果 等 。 We b服务器收到的来访者请求 中包括对方的 I P 地址、到访时间、身份信息、操作请求等内容，这些 信息会首先被服务器的 日志记录模块保存到数据库服 务器 中 ，为 可能 的跟 踪定 位保 留线索 。如果 来访者 的 身份信息得到认证 ，那么 日志记录模块也要保存用户 的 身 份 认 证 成 功 或 者 失 败 结 果 以 及 失 败 原 因 。在 RB AC授权模块对该来访者进行认证 、授权后，其认 证 结果 如用户 角色 、用户 角色权 限 、用户访 问 的数 据 的操作权限、操作成功与否等信息也要被 日志模块记 录保存 。日志记录是系统中登录、访问、离开等各种 操作的唯一线索信息 ，任何用户或者角色 ，只能进行 查询操作 ，而没有修改权限 ，系统管理员角色可以拥 有删 除权 限 以保证 日志记 录的合理 有效 。 本 系 统 的数 据 库 服 务 器 由 S QI S e r v e r 2 0 0 0的 DB MS实现 ， 接受 We b服务器提出的 S QI 请求， 完成 数据的存储 、访问和完整性约束，实现网络数据库的 相应 功能 。 3结束语 本 文在 分析 目前 R B AC模 型的基础 上 ， 将 R B AC 理论应用于 we b环境下的数据库访 问中， 既保证了数 据库的合法存取 ，又实现了用户权限的灵活分配，体 现了很强的实用性。 同时也存在一些没有解决的问题 ， 如角色层次的合理划分、约束条件的加入等 ，还有待 于更 加深 入 的研 究 。 参 考 文 献 ： 1 吕锋 ， 刘 晓东 基 于 We b的 网络数 据 库 安 全 系统 研究 口 武汉工业学院学报， 2 0 0 3 ， 2 2 ( 2 ) ： 4 3 4 5 r 2 Ra v i S S a n d h u Ro l e h i e r a r c h i e s a n d c o n s t r a i n t s f o r l a t t i c b a s e d a c c e s s c o n t r o l E J C o mp u t e r S e c u r i t y ， 1 9 9 6 ， 15 ( 2)： 1 1 4 1 31 E 3 刘启原 ， 刘怡 数据库与信息 系统 的安全E M 北 京 ： 科学 出版社 ， 2 0 0 0 4 R a v i S S a n d h u ， E d wa r d J C o y n e R o l e b a s e d a c c e s s c o n t r o l mo d e l s E J C o mp u t e r ， 1 9 9 6 ， 2 9 ( 2 ) ： 3 8 - 4 7 App l i c a t i o n o f RBAC i n W e b Da t a b a s e Ac c e s s YANG Kai ， W AN G Ai l i n g ( Co l l e g e o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g Au t o ma t i z a t i o n， No r t h Un i v e r s i t y o f Chi n a ， Ta i y u a n 0 3 0 0 5 1， Ch i n a ) Ab s t r a c t： The ar t i c l e di s c u s s e d t he b a s i c c o nc ep t s an d pr i n c i p l e s of t he RBAC mo de l s， an d r e s e ar c he d t he ke y t e c hno l o gy o f t he W e b d a t a b a s e a c c e s s Th e n， 8 13 e x a mp l e wa s g i v e n t O i l l u s t r a t e t h e wa y o f u s i n g RBAC mo d e l s i n t h e i mp l e me n t a t i o n o f W e b d a t a b a s e a c c e s s s y s t e m Ke y wo r d s ： RB AC mo d e l s ； W e b； a c c e s s c o n t r o l (I- 接 第 4 7页) Fi ni t e El e me nt An a l y s i s o f Di s c ha r g i ng Pi p e As s e m b l y o f Ho p p e r o f S h o t c r e t e M a c hi ne LI U Ai j u n ， F U Ca i mi n g ( 1 S c h o o l of El e e t r o m e c ha n i c a l En g i n e e r i n g， Hu n a n U n i v e r s i t y o f Sc i e n c e a n d Te c h n o l o g y、 Xi a n g t a n 4 1 l 2 0 1， Ch i n a： 2 De p a r t me n t o f M e c ha n i c a l En g i n e e r i n g， Hu n a n I n s t i t u t e o f En g i n e e r i n g， Xi a n gt a n 4 1 l 1 01 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： S h o t c r e t e ma c h i n e s a r e wi d e l y us e d i n t he un de r gr ou nd mi ni ng a nd t h e t u nne l c o ns t r uc t i on I n t hi s pa p er v i s ua l Na s t r a n s o f t wa r e i s a d o p t e d t O a n a l y z e t h e i n h e r e f r e q u e n c y o f t h e s h o t c r e t e ma c h i n e S h o p p e r S i m u l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t d i s c h a r g i n g p i p e s f r e q ue nc y ha s be e ni ng c ha ng e d f r o m 7 0 0 Hz t O 3 55 0 Hz， t he ma xi ma l d i s t o r t i on i s l oc a t e d i n t h e e nd o f t he pi pe a nd t he ma xi ma l s t r es s s i t ua t e d on b ol t s Ke y wo r d s ： d i s c h a r g i n g p i p e a s s e mb l y； i n h e r e f r e q u e n c y； f i n i t e e l e me n t 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m