某随动系统负载模拟试验台的结构优化设计

2013-02-05杨建新王振宏

长春大学学报 2013年2期

杨建新，王振宏

(长春理工大学机电工程学院，长春 130022)

0 引言

随着控制技术的发展，随动系统已经广泛的应用于军事工业和民用工业［1］，因此其性能的好坏就显得极其重要。由于随动系统的工作状态非常的复杂，它在实际的工作过程中会受到各种干扰负载的影响，比如，系统中发生相对运动的部件间摩擦力的存在会使系统受到摩擦负载的影响，系统在做变速运动时会受到惯性负载的影响，此外还会受到诸如正弦力矩负载和冲击负载的影响。这些干扰负载的存在会严重影响到随动系统的正常工作，因此非常有必要对这些负载进行模拟，以便在实验室条件下对随动系统的性能进行检测。本文就是通过对以往负载模拟系统的研究，结合电子、液压技术的特点［2］，基于电液伺服控制技术设计出了一个随动系统的负载模拟试验台，来完成对随动系统干扰负载的模拟和加载任务。

1 负载模拟试验台整体结构设计

试验台所要模拟的干扰负载的主要技术指标为:a)、摩擦负载——范围0～10Nm、精度±1%FS;b)、惯性负载——范围0～100Nm、精度±1%FS;c)、冲击负载——范围0～100Hz、精度±1%FS。试验台的使用要求:基座方便移动，被试随动系统的电机在试验台上的安装高度要大于1m，危险部件应该设有防护装置，试验台的结构应尽量紧凑，另外试验台还应具有较好的抗震、防尘能力。

根据上面干扰负载的技术指标和试验台的使用要求，设计了负载模拟试验台的整体结构，如图1所示。试验台主要由基座、温控箱、液压伺服系统、变速箱、齿轮箱、被试电机支撑架、被试电机以及其它一些部件组成。其中，为了满足负载模拟试验台结构紧凑性的需要，在对其进行整体结构设计时采用了各主要部件集中放置的方式，设计了一个高强度基座，用来放置主要部件。同时，考虑到试验台的移动和操作使用的方便性，在实验台的底部设置了四个轮子，并在四周设置了方便人工搬运的扶手和吊环。另外，由于做高、低温实验的需要，设计了具有调温功能的温控箱，把试验台上的主要零部件都安装在温控箱中。

图1 负载模拟试验台整体结构图

2 负载模拟试验台的动力学仿真及优化设计

根据前面的技术指标可知负载模拟试验台的工作范围在0～100HZ左右，为了避免试验台在工作时产生共振［3］，即试验台的固有频率和工作频率重合，所以需要对试验台进行动力学仿真分析。本文采用有限元软件ANSYS Workbench对试验台整体进行了动力学仿真。

为了仿真的顺利进行，在保证动力学分析的准确性的情况下，应尽量减少仿真分析的计算量，所以首先需要对试验台的模型进行简化。模型简化的原则是删除对系统固有频率影响较小的零部件或零部件的结构特征［4］。再将试验台的模型简化后把其导入仿真软件进行网格划分，本文采用四面体单元，对试验台进行整体网格划分，划分后的有限元模型有6740个节点和1384个单元，划分网格后的有限元模型如图2所示。设计时基座的材料选为铸铁，其它主要零部件的材料为40Cr，材料的泊松比和密度分别为0.28和7.82E-3。通过固有频率分析，可以得到试验台的各阶振型如图3a～图3d所示，相应的固有频率如表1所示。由于被试电机的转速范围是0～6000r/min，试验台工作频率在0～100Hz，所以试验台的前几阶振型和负载模拟试验台的工作频率相近，为了避免试验台产生共振，需要对试验台进行优化设计。

图2 完成网格化分后的试验台有限元模型

表1 试验台固有频率表

图3 试验台的各阶振型图

通过对图中前四阶振型的仿真结果分析，可以看出整个试验台的中间部分和被试电机支架的振动较大，无法满足稳定工作的需要。所以必须对这两部分重点进行优化设计。其中，方法一是在试验台底部的中间部分增加两个支撑，但这样会加大试验台的调平难度。所以我们采取另外一种方法，对试验台底板进行了适当的加厚，并在底部增设了加强筋。同时，在电机支架部分增加辅助支撑。优化后的结构图如图4所示。

图4 优化后的结构模型图

表2 试验台固有频率表

对优化后的试验台同样进行动力学仿真，得到试验台的各阶振型图如图5a，～图5d，所示，相应的固有频率如表2所示。经过对仿真结果的分析知，优化后的1阶固有频率虽然在104.48hz左右，但是通过1阶振型图可以看出，最大变形量只有0.016936mm，如此小的变形量在工作中完全可以由联轴器消除，2阶固有频率为161.13hz超过了试验台的最高工作频率，远离了共振区，所以优化后的随动系统负载模拟试验台的整体结构完全可以满足设计要求。