动静万能试验机中直线电机技术应用研究_杨帆.pdf

动静万能试验机中直线电机技术应用研究杨帆，杨阳（吉林省产品质量监督检验院，吉林长春130000）摘要：基于有限元分析方法，对动静万能试验机中直线电机进行有限元模型构建，并以此进行直线电机有限元仿真分析，具体包括输出端连接杆静力学分析、胀套静力学分析及整机动力学分析三部分，可有效获取当前直线电机中存在的静力学和动力学问题，进而提出针对性优化措施，并将优化措施应用于工程实践，保障优化措施的有效性。关键词：动静万能试验机直线电机技术有限元分析零部件加工中图分类号：TM359.4；TH87文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0040-02引言疲劳试验机作为零部件测试中不可或缺的重要设备组成，其性能将会直接影响到试验精准性。然而结合实际情况来看，传统的疲劳试验机存在输出频率及应力控制难度大、能耗高等问题，所以必须要进行有效优化完善。相对来说，直线电机控制技术具有精度高、行程大、传动效率高等优势，将其应用于动静万能试验机将可以有效弥补传统试验机存在的诸多不足1-5。为验证直线电机技术在动静万能试验机中的应用价值，解决应用中存在的问题，对其进行仿真分析，进而提出针对性优化措施将有着一定的价值。1动静万能试验机中直线电机有限元模型构建在动静万能试验机中直线电机有限元模型构建过程中主要采用 ABAQUS 有限元分析软件，此软件可通过将连续性模型系统分割成为诸多细小单元结构，再将各单元节点相互连接，构成模型体，形成一个包含求解变量及施加载荷的有限元关系模型。本文所构建的动静万能试验机中直线电机有限元模型将会根据直线电机实际结构进行合理构建。此过程中需要对各类关键部件的相关参数进行设置说明，保障有限元分析中各类参数的精准性，为后续有限元分析提供重要数据支持。其中输出端连接杆和胀套的材料属性包括材料密度、杨氏模量及泊松比分别为 2 850 kg/m3、74.2 GPa、0.36。在设置参数属性以后，还需要对关键部件进行网格划分，具体网格划分结果如图 1 所示。2动静万能试验机中直线电机有限元仿真分析2.1输出端连接杆静力学分析在有限元分析中，为输出端连接杆施加 y 方向垂直向下的 30 kN 静载荷，然后对输出端连接杆实施静力学有限元分析，获取到图 2 的仿真分析结果。如图 2-1 所示，仿真结果中变形分布主要集中在输出端连接杆的上部横杆部分，最大应变值为1.70410-8，而输出端连接杆的下部圆筒区域的应变值近似于 0。总体来说，输出端连接杆的应变较小，基本上不会对输出端连接杆的正常应用造成影响。如图 2-2 所示，仿真结果中应力分布主要集中在输出端连接杆的顶部横杆区域，同变形主要分布区域保持一致，最大应力值为 73 MPa，其他区域虽然也存在一定的应力分布，但整体应力较小。而连接杆所采用材料的最大许用应力值为 310 MPa，所以输出端连接杆的最大应力值远小于最大许用应力值，说明输出端连接杆的设计符合性能要求。收稿日期：2022-06-29作者简介：杨帆（1988），男，吉林长春人，毕业于长春理工大学机电一体化专业，专科，工程师，从事设备管理方面的工作；杨阳（1981），男，吉林长春人，毕业于吉林农业大学食品加工与安全专业，硕士研究生，高级工程师，从事行政管理方面的工作。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.0151-1输出端连接杆1-2胀套图 1输出端连接杆和胀套有限元网格划分模型2-1等效应变2-2等效应力（MPa）图 2输出端连接杆等效应力及应变分布云图试验研究+1.704e-08+1.562e-08+1.420e-08+1.278e-08+1.136e-08+9.940e-09+8.520e-09+7.100e-09+5.680e-09最小：+0.000e+00+7.309e+01+6.700e+01+6.091e+01+5.481e+01+4.872e+01+4.263e+01+3.654e+01+3.045e+01+2.436e+01+1.827e+01+1.218e+01+6.091e+00+3.110e-042023 年第 2 期2.2胀套静力学分析在有限元分析中，为胀套加载 y 方向垂直向下的30 kN 静载荷，然后对胀套实施静力学有限元分析，获取到图 3 的仿真分析结果。如图 3-1 所示，仿真结果中变形分布主要集中在胀套的内部顶端，最大应变值为 7.55810-10，而胀套的外部圆筒区域的变形量近似于 0。总体来说，胀套的变形量较小，基本上不会对胀套的正常应用造成影响。如图 3-2 所示，仿真结果中应力分布主要集中在胀套的内部顶端，同变形主要分布区域保持一致，最大应力值为 14 MPa，其他区域虽然也存在一定的应力分布，但整体应力较小。而胀套所采用材料的最大许用应力值为 310 MPa，所以胀套的最大应力值远小于最大许用应力值，说明胀套的设计符合性能要求。2.3整机动力学分析初步确认动静万能试验机中直线电机技术的应用可行性，还需要对直线电机实施动力学分析。具体动力学分析主要采用谐响应分析，具体结果如图4所示。由图 4 可知，动静万能试验机中直线电机在295.579 Hz，力值为 430 242 N。具体分析结果中的直线电机频率与直线电机的固有频率 301.66 Hz较为接近，为避免出现同频率共振情况，需要对整机进行隔振处理。3整机隔振及零部件加工问题优化措施3.1整机隔振在动静万能试验机中，直线电机的实际振动频率通常处于 300 Hz左右，此频率极易与直线电机的固有频率达成同频率共振情况，进而对机械设备的正常运行和使用寿命造成影响。因此，为能够有效缓解乃至解决此问题，在设计中需要为直线电机配置弹簧或者橡胶圈等阻尼零部件进行隔振处理。通过计算可知，想要有效降低整机向地面传递的振动及力，需要为整机设置一个较大的频率比。但整体质量相对较大，导致底座的固有频率相对较低，所以仅需要在高频率工作状态下进行减震处理。因此在综合考虑后，本设计中将会采用加装轮胎的方式进行整机隔振处理。3.2零部件加工及安装动静万能试验机中直线电机技术的有效应用需要散热外壳作为支持。设计中散热外壳采用对称式弧形结构，其不仅可以保障直线电机应用后动静万能试验机的美观性，还可以通过在对称散热外壳内部设置“工”字梁等方式来保证动静万能试验机的整体状态。此外，在直线电机技术应用过程中，直线电机初级线圈与次级永磁体之间存在一个较大的吸引力，并且随着两者之间距离的持续缩短，吸引力也会持续增加，以至于直线电机技术应用时的安装难度较大。对此，可将动子永磁体通过动子连接件安装在动横梁上，然后再将初级线圈通过螺钉固定在散热外壳上。最后，在初级线圈和次级永磁体之间另设一条顶丝，通过持续拧紧顶丝的方式来缩短初级线圈和次级永磁体之间的距离，待达到适合距离后取下顶丝，实施其他零部件安装操作。4优化措施的工程应用总体来说，虽然在动静万能试验机中应用直线电机技术具有较强的应用优势，但由于相关技术较不成熟，所以在应用时仍然存在诸多问题。本文通过有限元分析方法初步验证动静万能试验机中直线电机技术的应用可行性，并分别从整机隔振和零部件加工及安装两个角度对动静万能试验机中直线电机技术的应用措施进行介绍说明。但考虑到本研究均在实验室内完成，可能会与实际情况存在差异，所以为保障研究结果的精准性，还需要将优化措施应用于工程实践。具体工程实践应用过程中，根据应用优化措施进行具体动静万能试验机的零部件加3-1等效应变3-2等效应力（MPa）图 3胀套等效应力及应变分布云图图 4整机谐响应分析1060.400.300.200.100.00-0.10-0.20-0.30力/N100150200250300500频率/HzXY295.579430242（下转第 44 页）杨帆，等：动静万能试验机中直线电机技术应用研究+7.558e-10+6.928e-10+6.298e-10+5.668e-10+5.039e-10+4.409e-10+3.779e-10+3.149e-10+2.519e-10+1.890e-10+1.260e-10+6.298e-11+0.000e+00+1.441e+01+1.321e+01+1.201e+01+1.081e+01+9.610e+00+8.409e+00+7.209e+00+6.009e+00+4.809e+00+3.609e+00+2.409e+00+1.209e+00+8.931e-0341机械管理开发第 38 卷4结语本文通过对采煤机端部姿态变化的相关研究，对扩展截割路径的记忆方式进行了系统的总结和研究，为满足向量机的实际需求，将非线性的映射方式结合在更高维的线性空间里，通过最佳的分类方式，采集到了采煤机各个部位的工作状态信息，并作归一化处理；之后通过跟踪方法研究了采煤机的扩展截割路线，将各个离散型点使用了专门的空间插值计算加以模型拟合处理，这样也就获得了立体的三维拟合值曲线模型。另外，文章中还具体分析了追踪方法，并把研究方向细分成两个部分，即轨迹追踪和动态跟踪。经过一系列研究，在一定程度上增长了采煤机运行时的平稳度，提高了工作面的生产效率，同时也为相关研究提供了理论依据。参考文献1王左生.基于扩展截割路径的采煤机端头记忆截割方法探索J.江西煤炭科技，2018（4）：67-69；72.2史岩鹏.采煤机截割部扭转轴优化设计研究J.机械管理开发，2020，35（9）：51-52；55.3刘斌.采煤机端头记忆截割负载动态平衡方法研究J.煤炭与化工，2018，41（6）：72-74；77.（编辑：李俊慧）图 5采煤机油缸调节示意图Research on Memory Cutting Method of Coal Mining Machine End Based on ExtendedCutting PathZhang Xiaoya（Guandi Coal Mine,Shanxi Coking Coal Group Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030022）Abstract:Based on the study of the posture of the coal miners end,a systematic analysis of the extended cut-off path memory cut-offmethod was carried out,and the information on the working state of each part of the coal miner was collected and normalized;afterwards,the extended cut-off path of the coal miner was studied by tracing,and each discrete point was modeled and fitted using a specialinterpolation calculation to obtain a three-dimensional fitted curve model The model is designed to increase the smoothness of the coalminers operation and improve the productivity of the working face.Key words:coal mining machine;end head;extended cut-off path;memory cut-offddaaccbb（x0，y0，z0）O11221工及安装措施，并将优化后的动静万能试验机进行实际工程应用，检验优化后的动静万能试验机的实际应用效果。结合实际情况来看，相较于优化前，优化后的动静万能试验机可有效降低能耗、提高模拟精度，进而保障试验模拟结果的精准性。5结语本文通过有限元分析方法，对动静万能试验机中直线电机技术的应用可行性进行仿真分析模拟，进而初步确认动静万能试验机中直线电机技术的应用价值。同时，针对动静万能试验机中直线电机技术应用时存在的问题，本文分别从整机隔振和零部件加工及安装两个角度提出优化措施，并通过工程应用验证优化措施的有效性，确认相关方法可在后续动静万能试验机中直线电机技术应用时进行参考使用。参考文献1姜昊志.无铁芯永磁直线电机动态加载技术及其应用研究D.长春：吉林大学，2019.2周旋.现代直线电机关键控制技术及其应用研究J.中国科技纵横，2017（2）：72；76.3刘洁.机械自动化中运动控制新技术应用研究J.科技展望，2015（21）：57.4韩广卓，丁国龙，王暖春，等.电液伺服动静万能试验机主要试验功能及方法J.工程与试验，2010（1）：18-20.5王易非.动磁铁式直线振荡电机控制系统设计与应用技术研究D.长春：吉林大学，2018.（编辑：李俊慧）Application of Linear Motor Technology in Dynamic and Static Universal Testing MachineYang Fan,Yang Yang（Jilin Provincial Product Quality Supervision and Inspection Institute,Changchun Jilin 130000）Abstract:Based on the finite element analysis method,the finite element model of the linear motor in the dynamic universal testingmachine is constructed,and the finite element simulation analysis of the linear motor is carried out,including the static analysis of theconnecting rod at the output end,the static analysis of the expansion sleeve and the kinetic analysis of the whole machine.The optimizationmeasures will be applied to engineering practice to ensure the effectiveness of the optimization measures.Key words:static and dynamic universal testing machine;linear motor technology;finite element analysis;component processing（上接第 41 页）44