大型水平滑臺的驅動試驗方案研究

王振洋,朱江峰,楊 鵬,張雷雷,李 晨

(蘇州蘇試試驗集團股份有限公司,江蘇 蘇州 215019)

1 引 言

水平滑臺作為振動臺連接的輔助試驗設備,用于安裝固定試件和傳遞運動[1],按照功能可以分為安裝固定試件的工作區域和與連接器連接的連接區域。進行水平振動試驗時,參與運動的部件主要為水平滑臺、滑塊、連接器和動圈[2]。

目前準備設計一個工作區域的長度、寬度和高度分別為3000mm、3000mm和60mm的水平滑臺,材料為鎂合金,其工作區域質量達到972kg,49個導軌組件的T形滑塊的總質量約為250kg。針對此水平滑臺的某個考核指標為在空載和加速度為10g的試驗狀態條件下,試驗工作頻率上限必須達到400Hz?？紤]到動圈和連接器的質量,結合試驗要求,本文初定采用單臺160kN電動振動臺驅動水平滑臺和雙臺75kN電動振動臺驅動水平滑臺兩種試驗方案,然后設計了兩種不同結構的水平滑臺和連接器。

由于采用了不同結構的連接器、動圈和水平滑臺,所以兩種試驗方式下水平滑臺的動態特性必然不一樣。然而,水平滑臺的動態特性又是實現振動臺水平振動性能的關鍵,因此本文從承載能力和水平滑臺的橫向一階共振頻率兩方面對比分析上述兩種試驗方案,從而確定一種較優的試驗方案。

2 有限元模型建立

2.1 運動系統的機械結構

采用單臺160kN電動振動臺驅動的水平滑臺、連接器、滑塊和動圈及采用雙臺75kN電動振動臺驅動的水平滑臺、連接器、滑塊和動圈等運動部件組成的運動系統分別定義為運動系統1和運動系統2,每個運動系統模型和坐標系的定義如圖1所示。

(a)運動系統1

兩個運動系統采用相同結構的導軌組件和相同的導軌組件布置方案,導軌組件的模型如圖2所示,其材料均為鋁合金,每個滑塊的質量約為5.14kg,水平滑臺與滑塊的連接方式均采用螺栓緊固連接。導軌的上下蓋內側和導軌邊框內側開設油腔,潤滑油流入到油腔,形成油膜,實現純流體摩擦。49個導軌組件中,只有4個導軌組件在上下蓋內側和導軌邊框內側開設油腔,用于限制水平滑臺的y向和z向運動以及承受z向的外界載荷,剩下的45個導軌組件由于只在上下蓋內側開設油腔,因而無法用于限制水平滑臺的y向運動。

圖2 導軌組件模型

兩個運動系統的水平滑臺材料均為鎂合金,運動系統1和運動系統2采用的水平滑臺的質量分別為1010.71kg和1012.61kg,只有與連接器連接的連接區域不同。將運動系統1和運動系統2的水平滑臺分別標記為水平滑臺1和水平滑臺2。

運動系統1和運動系統2的連接器的材料均為鎂合金,其質量分別為62.3kg和52.3kg。將運動系統1和運動系統2的連接器分別標記為連接器1和連接器2。

運動系統1和運動系統2的動圈只保留骨架和繞組主要機械結構,材料均為鋁合金,其質量分別為107.5kg和56.5kg。將運動系統1和運動系統2的動圈分別標記為動圈1和動圈2。鎂合金和鋁合金的材料性能參數如表1所示。

表1 材料性能參數

2.2 網格劃分

由于水平滑臺和連接器的尺寸較大,選擇20mm的2階四面體網格劃分,保證水平滑臺沿厚度方向有3層網格。然而,動圈的某些結構特征參數和滑塊的尺寸較小,因此選擇10mm的2階四面體網格劃分。每個運動系統及運動部件的網格數量和節點數量如表2所示。

2.3 連接關系設置

滑塊與水平滑臺的連接、動圈與連接器的連接和水平滑臺與連接器的連接在實際中均采用螺栓緊固連接,并且螺釘不屬于研究對象,因此建立水平滑臺與滑塊、連接器以及連接器與動圈的接觸對,接觸類型設置為綁定接觸,簡化螺栓緊固連接。

3 試驗方案對比

3.1 靜強度對比

靜強度表征結構在常溫下承受載荷的能力[3,4]。由于動圈和連接器只負責提供動力和傳遞運動,因此,靜強度分析的對象為水平滑臺和滑塊。

在水平振動試驗中,試件的尺寸往往很大,并且以水平滑臺工作區域的中心為參考點進行擺放。以水平滑臺工作區域的中心作為圓心,在半徑為1000mm圓的區域施加19600N的力模擬質量2000kg的試件作用于水平滑臺上的壓力,在49個滑塊與油膜接觸的區域施加對應的z向約束和y向約束。

圖3為運動系統1的應力云圖,可以看出,水平滑臺1產生的最大壓應力為0.26987MPa,49個滑塊中產生的最大壓應力為0.68371MPa。圖4為運動系統2的應力云圖,可以看出,水平滑臺2產生的最大壓應力為0.28958MPa,49個滑塊中產生的最大壓應力為0.6315MPa。對比圖3和圖4可以看出,運動系統1和運動系統2的應力水平接近,但運動系統2的滑塊最大壓應力小于運動系統1的滑塊最大壓應力。

(a)水平滑臺1

(a)水平滑臺2

3.2 靜剛度對比

靜剛度表征結構在靜態載荷下抵抗變形的能力[5,6],即引起單位位移所需的力。以單自由度彈簧系統為例,靜剛度公式定義如下:

(1)

式中,F為外界激勵載荷;x為彈簧的位移變化量。

圖5為運動系統1的位移云圖,可以看出,最大位移為0.0011685mm。由式(1)可知,運動系統1的最小靜剛度為1.6773×1010N/m。圖6為運動系統2的位移云圖,可以看出,最大位移為0.0011709mm,由式(1)可知,運動系統2的最小靜剛度為1.6739×1010N/m。運動系統1和運動系統2的最小靜剛度相差很小,相差約0.20%。

圖5 運動系統1的位移云圖

圖6 運動系統2的位移云圖

3.3 一階橫向共振頻率對比

一階橫向共振頻率[7]是水平滑臺的重要指標之一。當外界激勵頻率接近系統的固有頻率時,系統可能會發生大幅度的振動。固有頻率[8]的公式定義如下:

(2)

式中,k為系統整體結構的剛度,m為系統整體結構的質量,δ為系統整體結構的阻尼。

較高的一階橫向共振頻率可以避免試件在試驗頻率范圍內發生共振。水平滑臺1和水平滑臺2的一階橫向共振頻率分別為480.12Hz和550.75Hz。因此,水平滑臺2在水平振動試驗時,試件可以擁有更高的試驗頻率范圍上限。圖7和圖8分別為水平滑臺1和水平滑臺2共振頻率下的運動系統1和運動系統2的模態振型。單向雙軸驅動的水平滑臺的實測一階橫向共振頻率為552.94Hz,遠大于考核指標的頻率上限。

圖7 運動系統1的模態振型

圖8 運動系統2的模態振型

4 結 論

本文針對采用單臺160kN電動振動臺驅動水平滑臺和雙臺75kN電動振動臺驅動水平滑臺兩種試驗方案,從承載能力和水平滑臺的一階橫向共振頻率兩方面進行了對比,得出以下結論:

(1)在相同負載下,運動系統1和運動系統2產生的壓應力水平和位移變化相差很小,表明兩個系統的承載能力接近。

(2)水平滑臺2相較于水平滑臺1擁有更高的一階橫向共振頻率,同一試件做水平振動試驗就會擁有更高的試驗頻率范圍上限。