电动振动台动圈约束环境的分析与优化.pdf

电动振动台动圈约束环境的分析与优化朱江峰杨 鹏钟琼华(苏州苏试试验集团股份有限公司江苏 苏州)摘 要:针对某 推力电动振动台工作频率上限有限的问题分析了导向杆及导向杆和活塞串联对动圈动态特性的影响研究了导向杆、活塞、动圈和互相串联组成的系统的横向和纵向动刚度特性确认导向杆和活塞串联组成的系统的横向动刚度特性减弱了动圈的横向刚度 提出采用导轮约束动圈竖直筋板背面的方案代替导轮约束导向杆的方案并进行了实际测试 结果表明该电动振动台工作频率可达到 关键词:电动振动台动圈动刚度工作频率中图分类号:文献标志码:./.(.):.:收稿日期 作者简介 朱江峰()男汉族学士主要研究方向:机械振动 引 言振动试验设备能够在特定的频率范围内产生振动模拟现实中的各种复杂环境对产品进行环境试验 随着航空航天、汽车等领域的快速发展环境试验对振动试验设备提出了更高的要求如更宽的测试频率范围、更大的推力和位移 提高振动台的工作频率可以更精确地模拟实际环境同时缩短产品的振动试验周期节省大量的人力和物力具有重要的工程价值国内在提升振动试验设备的工作频率方面进行了大量的研究 由于伺服阀的频响特性限制了电液振动台工作频率的提升李伟荣采用 激振阀和数字伺服阀联合控制大幅度提升了单轴电液振动台的工作频率 在设计大尺寸高频振动台时吴昌聚采用筋板结构代替实心结构同时选择阶梯结构形式的动圈从而满足了共振频率大于 的试验要求 田军委提出了一种对称式曲柄滑块振动方案该方案能够有效抵挡机械振动台工作时的惯性冲击仿真试验结果表明机械振动台的工作频率上限得到了有效提升与液压振动台和机械振动台相比电动振动台拥有更宽的测试频率范围、较好的波形和更大的加速度等优势 对于大推力和高频率的要求大部分电动振动台只能满足其中一个 针对目前 推力电动振动台工作频率上限有限的问题本文提出了一种新型动圈导向方案在满足推力的情况下提升 推力电动振动台工作频率 问题描述在试验条件为加速度 空载状态下某电动振动台在 时停止工作图 所示为驱动电压频谱 可以看出驱动电压在 频带上快速上升最终达到功率放大器的保护电压值 图 所示为无下导向组件在恒定电压驱动试验下的驱动电压频谱测试频率可达 图中没有出现共振峰 对比图 和图 可初步认为下导向组件影响了动圈的动态特性导致动圈在高频工作时出现反共振峰从而影响该电动振动台的工作频率上限图 驱动电压频谱.工程与试验 .图 没有下导向组件的驱动电压频谱 动圈组件与导向组件的机械结构.动圈组件动圈是电动振动台台体最重要的部件其结构设计决定了振动台的工作性能一般由台面螺钉、动圈侧板、竖直筋板、台面板和驱动线圈绕组组成结构示意如图 所示 台面板上有 圈台面螺钉安装孔动圈侧板、竖直筋板和台面板采用镁合金浇铸而成驱动线圈绕组采用铝制导线、环氧树脂和钢片浇铸结构成分复杂图 动圈机械结构.导向组件导向组件包括上导向组件和下导向组件用来阻止动圈发生横向运动和扭转运动保证动圈在垂直方向上往复运动 推力电动振动台的动圈约束环境(如图 所示)包括:()利用 个导轮约束动圈滚轮板的横向运动()导向杆与动圈中心圆筒底端的静压轴承安装孔刚性连接利用 个滚轮约束导向杆的横向运动从而约束动圈的横向运动()动圈上导向约束环境 ()动圈下导向约束环境图 动圈约束环境 影响动圈动态特性的因素分析振动试验仿真可以对尚未进行的振动台试验进行预试和指导 谐响应分析又称扫频分析可计算结构在正弦激励作用下的稳态振动 本节将分别研究导向杆及导向杆和活塞串联对动圈动态特性的影响.导向杆对动圈动态特性的影响首先对没有下导向约束环境的动圈进行谐响应分析图 为其动圈内圈台面螺钉垂向加速度频谱垂向一阶共振频率为 与实测无下导向约束环境的动圈垂向一阶共振频率 接近因此该结果可用来进行参照对比图 无下导向约束环境的动圈内圈台面垂向加速度频谱为了研究导向杆对动圈动态特性的影响首先将导向杆和动圈串联 导向杆的材料为铝合金有限元建模时将导向杆与动圈的连接关系设置为绑定约束 驱动线圈绕组的主要结构为铝制导线可把驱动线圈绕组简化为铝合金的实体绕组与动圈骨架的连接关系也设置为绑定约束然后约束滚轮板和导向杆的横向自由度保留垂向自由度在动圈绕组底端施加正弦激振力图 为带有导向杆的动圈内圈台面螺钉垂向加速度频谱从图中可以看出在 频带上没有出现反共振峰 对比图 和图 可以看出导向杆对动圈的动态影响较小图 带有导向杆的动圈螺钉垂向加速度频谱.活塞对动圈动态特性的影响由上文分析可知导向杆对动圈动态特性的影响很小因此可将活塞、导向杆和动圈耦合研究活塞对动圈动态特性的影响 活塞的材料为铝合金有限元建模时将活塞与导向杆的连接关系设置为绑定约束限制导向杆的横向自由度保留其垂向自由度在动圈绕组底端施加相同正弦激振力图 为仿真的台面螺钉垂向加速度频谱从图中可以看出在 频带上出现反共振峰与带有下导向约束环境的动圈实测情况相吻合 因此活塞改变了动圈在 频带上的动态特性可进一步认为活塞和动圈串联组成的系统影响了动圈的动态特性工程与试验 .图 带有导向杆和活塞的动圈台面螺钉加速度频谱.动圈、导向杆和活塞的动刚度分析系统抵抗动态载荷下变形的能力称为动刚度公式定义如下:()()()()式中 为系统的质量 为系统的阻尼 为系统的静刚度图 为导向杆、动圈和活塞的横向和纵向动刚度 从图中可以看出:在 频带上导向杆的横向动刚度和纵向动刚度变化趋势具有同步性动圈的横向动刚度和纵向动刚度在 频带上变化趋势具有同步性最小横向动刚度和最小纵向动刚度在 频带上对应的频率都是 活塞的纵向动刚度在 频带上呈现上升趋势其横向动刚度在 频带上呈现下降趋势最小横向动刚度对应的频率为 横向动刚度相对于纵向动刚度在 频带上提早减小()导向杆()动圈()活塞图 部件动刚度 当两个单自由度弹簧串联成一个系统时系统的刚度定义如下:()式中为系统的刚度和 分别为两个单自由度弹簧的刚度由式()可知刚度较小的弹簧对系统刚度的影响很大导向杆和活塞刚性连接呈上下分布状态因此可将导向杆和活塞定义为一个由两个单自由度弹簧串联的系统 由于活塞的横向动刚度在 频带呈现先上升后下降趋势纵向动刚度呈现上升趋势因此活塞和导向杆串联组成的系统的纵向动刚度呈现上升趋势横向动刚度会受到活塞横向动刚度的显著影响呈现下降趋势由图()可以得到证明导向杆和活塞串联组成的系统的横向动刚度在 频带上呈现下降趋势纵向动刚度在 频带和 频带上呈现上升和下降趋势因此导向杆、活塞和动圈串联时动圈的横向动刚度特性必然受到导向杆和活塞的动刚度特性显著影响动圈的纵向动刚度基本不会受到影响 由图()可以看出在 频带上动圈横向动刚度上升的速率远小于纵向动刚度上升的速率甚至在 时动圈的纵向动刚度超过了动圈的横向动刚度使得动圈更容易发生横向运动导致动圈在 频带的纵向运动响应减弱 动圈的约束环境优化针对上文分析的活塞和导向杆串联组成系统的横向和纵向动刚度特性本文采用 个导轮约束动圈 个间隔的竖直筋板背面的方案代替之前 个导轮约束导向杆的方案新方案具有以下优势:增加了动圈的横向刚度避免了活塞和()导向杆和活塞()动圈导向杆活塞图 系统动刚度导向杆对动圈动态特性的影响避免了导向杆在工作时发生(下转第 页).朱江峰等:电动振动台动圈约束环境的分析与优化作支承条件下工作转速以外的高阶模态在平衡机上落入平衡试验转速范围内为平衡工作增添复杂性甚至对平衡结果带来负面影响 因此在平衡之前对滑动轴承设计应引起足够重视不应将滑动轴承简单视为支承件而应将其视为支承系统中的弹性阻尼件尽量提高其刚度()如果提高滑动轴承刚度受限则平衡至少也应该用与工作状态相同的结构和参数的轴承避免刚度无端降低()为了尽量移开高速端附加的高阶模态可考虑施加摆架附加刚度装置在带附加刚度的条件下进行平衡测量总之滑动轴承是转子支承系统中的一个关键环节其设计需认真考虑其动态特性对平衡测量带来的影响而不能简单认为其是一简单的平衡工装目前对高速动平衡滑动轴承的研究工作还很少本文旨在提出问题以期引起业内专家的关注为解决高速平衡领域的实际问题提供参考参考文献李立波宾光富.某 汽轮机转子高速动平衡试验研究.热力透平():.国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会.机械振动 转子平衡 第 部分:具有挠性特性的转子的平衡方法与允差:/.:.(上接第 页)断裂的危险情况为了测试新的动圈约束环境方案的有效性进行了电动振动台最大特性测试(如图 所示)图 为空载 加速度试验条件状态下的驱动电压频谱在这种动圈约束环境下 推力电动振动台的工作频率上限可以达到 图 最大特性测试图 驱动电压频谱 结 论本文分析了导向杆及导向杆和活塞串联对动圈动态特性的影响研究了导向杆、活塞和动圈的横向和纵向动刚度并对动圈的约束环境进行了优化 所提出的优化方案显著提高了 推力电动振动台的工作频率上限可以为其他振动台提高工作频率上限提供思路主要结论如下:()导向杆的横向和纵向动刚度变化具有同步性对动圈的动态特性影响较小()活塞和导向杆串联组成的系统横向动刚度衰减特性使得动圈在 频带上纵向动刚度上升速率远大于横向动刚度的上升速率从而减弱了动圈在 频带上的纵向运动响应导致振动台在 时停止工作参考文献崔志磊王金娥夏天凉.电动振动台动圈的结构动态特性分析.兰州理工大学学报():.赵征卫瑞元.带补偿的电动振动台动圈的自润滑下导向装置.机械研究与应用():.孟繁莹.大型电动振动台动力学分析与数值模拟研究.北京:北京工业大学.李伟荣胡红生.高频电液振动台谐振特性研究.流体传动与控制():.吴昌聚沈润杰何闻等.大尺寸高频振动台的设计.机电工程():.田军委程洪涛邓晓荣等.高频大行程振动台的设计及仿真试验分析.机械制造():.张逸波齐晓军张丽新.振动台动圈建模与仿真分析.航天器环境工程():.左曙光潘健吴旭东等.抑制低频横向振动的电动振动台参数优化.振动与冲击():.夏天凉.电动振动台有限元建模及其附加台面设计.苏州:苏州大学.上官文斌黄志贺良勇等.汽车排气系统吊耳动刚度优化方法的研究.振动与冲击():.刘含玮王洪光李树军等.一种 自由度并联柔索驱动机器人的变刚度特性研究.机械设计与制造():.欢迎订阅欢迎刊登广告联 系 人:孙松野联系电话:.盛德恩等:浅议滑动轴承对高速动平衡测量的影响