陳 慧，劉海岷，楊 群

(武漢輕工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430023)

直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)環(huán)抱式制動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析*

陳 慧，劉海岷，楊 群

(武漢輕工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430023)

對(duì)環(huán)抱式制動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、工作原理進(jìn)行了分析研究，給出了薄壁制動(dòng)套最小壁厚的計(jì)算方法，并采用Ansys Workbench分析軟件對(duì)制動(dòng)套做了靜力學(xué)分析，為環(huán)抱式制動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種方法。

直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)；環(huán)抱式制動(dòng)；彈性變形；有限元

Abstract: The structure and operation principle of the ambient braking mechanism are analyzed and a method calculated the minimum thickness is presented. And ANSYS Workbench software is used to analyze the statics of the brake, which puts forward an optimal design method.

Key words: direct drive rotary table; ambient braking; elastic deformation; FEA

0 引 言

直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)以其零傳動(dòng)、無(wú)傳動(dòng)誤差、無(wú)傳動(dòng)件的磨損、精度高等顯著特點(diǎn)近年來(lái)得到相關(guān)行業(yè)的高度重視，連續(xù)被列為國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)[1-3]。主要應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，也廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、炮塔、陀螺儀等的轉(zhuǎn)角自動(dòng)控制。直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)相關(guān)技術(shù)中，重要的一項(xiàng)技術(shù)即為轉(zhuǎn)臺(tái)的制動(dòng)技術(shù)，目前主要的制動(dòng)方式有采用蝶形彈簧或液壓動(dòng)力的端面制動(dòng)和采用液壓為動(dòng)力的環(huán)抱式制動(dòng)兩類(lèi)[4-5]，前者在制動(dòng)力較大時(shí)，會(huì)引起轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面的變形，影響轉(zhuǎn)臺(tái)的精度，因而環(huán)抱式制動(dòng)技術(shù)成為主流的制動(dòng)技術(shù)。筆者對(duì)環(huán)抱式制動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、工作原理進(jìn)行分析，并采用Ansys Workbench分析軟件對(duì)制動(dòng)套做了靜力學(xué)分析，為環(huán)抱式制動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種方法。

1 制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

液壓環(huán)抱式制動(dòng)方式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。(圖為內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)制動(dòng)套在轉(zhuǎn)子的外側(cè)。)

圖1 制動(dòng)部分結(jié)構(gòu)圖1.轉(zhuǎn)子 2.制動(dòng)套 3.密封腔 4.剛性支撐體 5.緊固螺栓

制動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由薄壁制動(dòng)套、轉(zhuǎn)子內(nèi)表面和剛性支撐體組成，薄壁制動(dòng)套上下兩端部用螺釘聯(lián)接在剛性支撐體上，制動(dòng)套中間部分內(nèi)凹，與剛性支撐體外表面間形成一個(gè)密封油腔。薄壁制動(dòng)套上下兩端用O型密封圈密封。薄壁制動(dòng)套與轉(zhuǎn)子間的間隙控制在0.1 mm左右。制動(dòng)套與剛性支撐間采用小間隙配合。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)需制動(dòng)時(shí)，液壓油進(jìn)入密封油腔，制動(dòng)套受到油壓的作用發(fā)生彈性變形產(chǎn)生外凸，與電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)壁緊緊抵合，產(chǎn)生的摩擦力矩即為制動(dòng)力矩，進(jìn)而使轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)。在工程實(shí)際中，制動(dòng)力矩應(yīng)該滿(mǎn)足使轉(zhuǎn)臺(tái)即刻制動(dòng)的要求。當(dāng)直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，要求液壓裝置即刻卸壓，制動(dòng)套就會(huì)彈性恢復(fù)初始狀態(tài)[6]。該制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可靠性高，最主要是可以解決端面制動(dòng)帶來(lái)的工作臺(tái)面變形問(wèn)題。

在制動(dòng)套材料的選用上，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，最終采用了QSn4-3錫青銅(材料參數(shù)見(jiàn)表1)，這種青銅材料彈性模量比較小，相對(duì)易產(chǎn)生彈性變形，熱膨脹系數(shù)比同類(lèi)錫青銅小，耐磨性好，能夠滿(mǎn)足數(shù)控直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)的精度以及經(jīng)濟(jì)性要求。

表1 QSn4-3材料性能表[7]

2 制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)計(jì)算

該制動(dòng)裝置制動(dòng)過(guò)程主要利用制動(dòng)套的彈性變形與電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)壁之間形成靜摩擦力矩實(shí)現(xiàn)，制動(dòng)時(shí)制動(dòng)套處于彈性變形狀態(tài)，制動(dòng)套的壁厚對(duì)液壓系統(tǒng)的壓力有直接影響[8-9]。若壁厚過(guò)大，制動(dòng)套不易產(chǎn)生彈性變形，若要使其達(dá)到制動(dòng)要求的變形，則必須提高系統(tǒng)壓力，進(jìn)而對(duì)液壓裝置和制動(dòng)裝置的密封性要求提高，增加了工程的難度和成本；若壁厚過(guò)小，輕則制動(dòng)部分易由于受到過(guò)大的應(yīng)力產(chǎn)生塑性變形，卸壓后變形不易恢復(fù)，影響轉(zhuǎn)臺(tái)的精度，重則使制動(dòng)部分容易磨損穿透產(chǎn)生磨蝕失效，因此壁厚尺寸的確定就顯得尤為重要。其核心問(wèn)題是在約3 MPa的系統(tǒng)壓力下，使制動(dòng)套產(chǎn)生彈性變形而不發(fā)生塑性變形的最小壁厚。分析制動(dòng)套的工況，可以認(rèn)為制動(dòng)套整體是一個(gè)軸對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，制動(dòng)套在工作時(shí)主要承受周向的壓力。

由于制動(dòng)套壁厚較小，而制動(dòng)套的軸向尺寸相對(duì)較大，因此，可以參照管道壁厚的計(jì)算方式對(duì)公式進(jìn)行修正后計(jì)算制套的最小壁厚為：

式中：t為制動(dòng)部分的壁厚，mm；P為系統(tǒng)壓力，MPa；Df為制動(dòng)部分與轉(zhuǎn)子內(nèi)壁接觸部分的摩擦圓直徑，mm；K為安全系數(shù)；δs為材料的屈服極限，MPa。

制動(dòng)套的材料為QSn4-3錫青銅，由表1知：錫青銅材料的屈服極限δs=402 MPa，摩擦圓半徑由轉(zhuǎn)子內(nèi)徑可以獲得，Df=304 mm，系統(tǒng)壓力P=3 MPa，取安全系數(shù)K=1.4，根據(jù)上式求得制動(dòng)部分壁厚的最小值為：

t≥3.04 mm

綜合考慮，最終確定制動(dòng)部分的壁厚t=4 mm。

3 制動(dòng)套的有限元分析

ANSYS軟件是一種融結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁、聲學(xué)于一體的應(yīng)用十分廣泛的通用有限元分析軟件。靜力學(xué)分析是結(jié)構(gòu)有限元分析的基礎(chǔ)，通過(guò)靜力學(xué)分析、設(shè)計(jì)人員可以校核結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求[10]。

3.1 制動(dòng)套的三維建模

用Workbench自帶的建模軟件進(jìn)行制動(dòng)套的三維建模。為便于分析，對(duì)制動(dòng)套的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)主要承載部分均保留其結(jié)構(gòu)原型，以反映其力學(xué)特性。對(duì)不會(huì)明顯影響制動(dòng)套結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的螺栓孔、圓角均予以簡(jiǎn)化，仍保留了密封溝槽，簡(jiǎn)化后的模型如圖2。

3.2 制動(dòng)套網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，有限元結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)量的多少直接影響到最后的分析結(jié)果。一般來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格數(shù)量的增加，計(jì)算精度會(huì)有所增加，但計(jì)算規(guī)模增大。筆者僅僅校核制動(dòng)套的剛度，因此網(wǎng)格劃分采取了自動(dòng)劃分的方式，制動(dòng)套的有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖2 制動(dòng)套的模型 圖3 制動(dòng)套的有限元模型

3.3 邊界約束和載荷條件

制動(dòng)套的上端面和下端面通過(guò)螺栓與剛性支撐體固聯(lián)，可以看做兩個(gè)端面的所有節(jié)點(diǎn)自由度為0。制動(dòng)套所受載荷來(lái)自于系統(tǒng)壓力，方向沿圓柱面的法向，液壓系統(tǒng)提供的系統(tǒng)壓力為3 MPa，均布載荷。

3.4 分析驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)有限元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，確定邊界約束和載荷條件后，計(jì)算制動(dòng)套的應(yīng)力、總變形云圖分別如圖4、5所示。通過(guò)應(yīng)力云圖可以看到制動(dòng)套沒(méi)有產(chǎn)生應(yīng)力突變的部位，最大應(yīng)力為139.38 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，說(shuō)明制動(dòng)套的制動(dòng)部分在工作時(shí)處于彈性變形階段，結(jié)構(gòu)的剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。由總變形云圖可以看到，制動(dòng)套的最大變形為0.2 mm，且變形均勻，說(shuō)明制動(dòng)套制動(dòng)部分符合變形要求，且接觸均勻。

圖4 制動(dòng)套的應(yīng)力云圖 圖5 制動(dòng)套的總變形云圖

4 結(jié) 語(yǔ)

詳細(xì)論述了制動(dòng)套的結(jié)構(gòu)，及工作原理，給出了制動(dòng)套制動(dòng)部分的壁厚的計(jì)算，并用有限元分析驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)部分的優(yōu)化分析提供了方法。

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Design and FEA Analysis for Ambient Braking in Direct Drive Rotary Table

CHEN Hui，LIU Hai-min，YANG Qun

(SchoolofMechanicalEngineering,WuhanPolytechnicUniversity,WuhanHubei430023,China)

2014-06-10

陳 慧(1990-)，男，湖北棗陽(yáng)人，在讀碩士，研究方向:數(shù)控技術(shù)與裝備。

TH122

A

1007-4414(2014)04-0080-02