王振洋,朱江峰,楊 鵬,張雷雷,李 晨

(蘇州蘇試試驗(yàn)集團(tuán)股份有限公司,江蘇 蘇州 215019)

1 引 言

水平滑臺(tái)作為振動(dòng)臺(tái)連接的輔助試驗(yàn)設(shè)備,用于安裝固定試件和傳遞運(yùn)動(dòng)[1],按照功能可以分為安裝固定試件的工作區(qū)域和與連接器連接的連接區(qū)域。進(jìn)行水平振動(dòng)試驗(yàn)時(shí),參與運(yùn)動(dòng)的部件主要為水平滑臺(tái)、滑塊、連接器和動(dòng)圈[2]。

目前準(zhǔn)備設(shè)計(jì)一個(gè)工作區(qū)域的長(zhǎng)度、寬度和高度分別為3000mm、3000mm和60mm的水平滑臺(tái),材料為鎂合金,其工作區(qū)域質(zhì)量達(dá)到972kg,49個(gè)導(dǎo)軌組件的T形滑塊的總質(zhì)量約為250kg。針對(duì)此水平滑臺(tái)的某個(gè)考核指標(biāo)為在空載和加速度為10g的試驗(yàn)狀態(tài)條件下,試驗(yàn)工作頻率上限必須達(dá)到400Hz?？紤]到動(dòng)圈和連接器的質(zhì)量,結(jié)合試驗(yàn)要求,本文初定采用單臺(tái)160kN電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)水平滑臺(tái)和雙臺(tái)75kN電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)水平滑臺(tái)兩種試驗(yàn)方案,然后設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)的水平滑臺(tái)和連接器。

由于采用了不同結(jié)構(gòu)的連接器、動(dòng)圈和水平滑臺(tái),所以兩種試驗(yàn)方式下水平滑臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性必然不一樣。然而,水平滑臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性又是實(shí)現(xiàn)振動(dòng)臺(tái)水平振動(dòng)性能的關(guān)鍵,因此本文從承載能力和水平滑臺(tái)的橫向一階共振頻率兩方面對(duì)比分析上述兩種試驗(yàn)方案,從而確定一種較優(yōu)的試驗(yàn)方案。

2 有限元模型建立

2.1 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

采用單臺(tái)160kN電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)的水平滑臺(tái)、連接器、滑塊和動(dòng)圈及采用雙臺(tái)75kN電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)的水平滑臺(tái)、連接器、滑塊和動(dòng)圈等運(yùn)動(dòng)部件組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分別定義為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)1和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2,每個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)模型和坐標(biāo)系的定義如圖1所示。

(a)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)1

兩個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用相同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軌組件和相同的導(dǎo)軌組件布置方案,導(dǎo)軌組件的模型如圖2所示,其材料均為鋁合金,每個(gè)滑塊的質(zhì)量約為5.14kg,水平滑臺(tái)與滑塊的連接方式均采用螺栓緊固連接。導(dǎo)軌的上下蓋內(nèi)側(cè)和導(dǎo)軌邊框內(nèi)側(cè)開設(shè)油腔,潤(rùn)滑油流入到油腔,形成油膜,實(shí)現(xiàn)純流體摩擦。49個(gè)導(dǎo)軌組件中,只有4個(gè)導(dǎo)軌組件在上下蓋內(nèi)側(cè)和導(dǎo)軌邊框內(nèi)側(cè)開設(shè)油腔,用于限制水平滑臺(tái)的y向和z向運(yùn)動(dòng)以及承受z向的外界載荷,剩下的45個(gè)導(dǎo)軌組件由于只在上下蓋內(nèi)側(cè)開設(shè)油腔,因而無(wú)法用于限制水平滑臺(tái)的y向運(yùn)動(dòng)。

圖2 導(dǎo)軌組件模型

兩個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的水平滑臺(tái)材料均為鎂合金,運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)1和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2采用的水平滑臺(tái)的質(zhì)量分別為1010.71kg和1012.61kg,只有與連接器連接的連接區(qū)域不同。將運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)1和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2的水平滑臺(tái)分別標(biāo)記為水平滑臺(tái)1和水平滑臺(tái)2。

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)1和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2的連接器的材料均為鎂合金,其質(zhì)量分別為62.3kg和52.3kg。將運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)1和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2的連接器分別標(biāo)記為連接器1和連接器2。

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)1和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2的動(dòng)圈只保留骨架和繞組主要機(jī)械結(jié)構(gòu),材料均為鋁合金,其質(zhì)量分別為107.5kg和56.5kg。將運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)1和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2的動(dòng)圈分別標(biāo)記為動(dòng)圈1和動(dòng)圈2。鎂合金和鋁合金的材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料性能參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分

由于水平滑臺(tái)和連接器的尺寸較大,選擇20mm的2階四面體網(wǎng)格劃分,保證水平滑臺(tái)沿厚度方向有3層網(wǎng)格。然而,動(dòng)圈的某些結(jié)構(gòu)特征參數(shù)和滑塊的尺寸較小,因此選擇10mm的2階四面體網(wǎng)格劃分。每個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)部件的網(wǎng)格數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量如表2所示。

2.3 連接關(guān)系設(shè)置

滑塊與水平滑臺(tái)的連接、動(dòng)圈與連接器的連接和水平滑臺(tái)與連接器的連接在實(shí)際中均采用螺栓緊固連接,并且螺釘不屬于研究對(duì)象,因此建立水平滑臺(tái)與滑塊、連接器以及連接器與動(dòng)圈的接觸對(duì),接觸類型設(shè)置為綁定接觸,簡(jiǎn)化螺栓緊固連接。

3 試驗(yàn)方案對(duì)比

3.1 靜強(qiáng)度對(duì)比

靜強(qiáng)度表征結(jié)構(gòu)在常溫下承受載荷的能力[3,4]。由于動(dòng)圈和連接器只負(fù)責(zé)提供動(dòng)力和傳遞運(yùn)動(dòng),因此,靜強(qiáng)度分析的對(duì)象為水平滑臺(tái)和滑塊。

在水平振動(dòng)試驗(yàn)中,試件的尺寸往往很大,并且以水平滑臺(tái)工作區(qū)域的中心為參考點(diǎn)進(jìn)行擺放。以水平滑臺(tái)工作區(qū)域的中心作為圓心,在半徑為1000mm圓的區(qū)域施加19600N的力模擬質(zhì)量2000kg的試件作用于水平滑臺(tái)上的壓力,在49個(gè)滑塊與油膜接觸的區(qū)域施加對(duì)應(yīng)的z向約束和y向約束。

圖3為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)1的應(yīng)力云圖,可以看出,水平滑臺(tái)1產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力為0.26987MPa,49個(gè)滑塊中產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力為0.68371MPa。圖4為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2的應(yīng)力云圖,可以看出,水平滑臺(tái)2產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力為0.28958MPa,49個(gè)滑塊中產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力為0.6315MPa。對(duì)比圖3和圖4可以看出,運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)1和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2的應(yīng)力水平接近,但運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2的滑塊最大壓應(yīng)力小于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)1的滑塊最大壓應(yīng)力。

(a)水平滑臺(tái)1

(a)水平滑臺(tái)2

3.2 靜剛度對(duì)比

靜剛度表征結(jié)構(gòu)在靜態(tài)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(tǒng)為例,靜剛度公式定義如下:

(1)

式中,F為外界激勵(lì)載荷;x為彈簧的位移變化量。

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

圖5 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)1的位移云圖

圖6 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2的位移云圖

3.3 一階橫向共振頻率對(duì)比

一階橫向共振頻率[7]是水平滑臺(tái)的重要指標(biāo)之一。當(dāng)外界激勵(lì)頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時(shí),系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生大幅度的振動(dòng)。固有頻率[8]的公式定義如下:

(2)

式中,k為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的剛度,m為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,δ為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的阻尼。

較高的一階橫向共振頻率可以避免試件在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)發(fā)生共振。水平滑臺(tái)1和水平滑臺(tái)2的一階橫向共振頻率分別為480.12Hz和550.75Hz。因此,水平滑臺(tái)2在水平振動(dòng)試驗(yàn)時(shí),試件可以擁有更高的試驗(yàn)頻率范圍上限。圖7和圖8分別為水平滑臺(tái)1和水平滑臺(tái)2共振頻率下的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)1和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2的模態(tài)振型。單向雙軸驅(qū)動(dòng)的水平滑臺(tái)的實(shí)測(cè)一階橫向共振頻率為552.94Hz,遠(yuǎn)大于考核指標(biāo)的頻率上限。

圖7 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)1的模態(tài)振型

圖8 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2的模態(tài)振型

4 結(jié) 論

本文針對(duì)采用單臺(tái)160kN電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)水平滑臺(tái)和雙臺(tái)75kN電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)水平滑臺(tái)兩種試驗(yàn)方案,從承載能力和水平滑臺(tái)的一階橫向共振頻率兩方面進(jìn)行了對(duì)比,得出以下結(jié)論:

(1)在相同負(fù)載下,運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)1和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2產(chǎn)生的壓應(yīng)力水平和位移變化相差很小,表明兩個(gè)系統(tǒng)的承載能力接近。

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