直驱转台环抱式制动机构设计及有限元分析*

2014-07-24刘海岷

机械研究与应用 2014年4期

关键词：环抱薄壁弹性

陈慧，刘海岷，杨群

(武汉轻工大学机械工程学院，湖北武汉 430023)

直驱转台环抱式制动机构设计及有限元分析*

陈慧，刘海岷，杨群

(武汉轻工大学机械工程学院，湖北武汉 430023)

对环抱式制动结构的设计、工作原理进行了分析研究，给出了薄壁制动套最小壁厚的计算方法，并采用Ansys Workbench分析软件对制动套做了静力学分析，为环抱式制动机构的优化设计提供了一种方法。

直驱转台；环抱式制动；弹性变形；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

直驱转台以其零传动、无传动误差、无传动件的磨损、精度高等显著特点近年来得到相关行业的高度重视，连续被列为国家重大专项[1-3]。主要应用于数控机床的旋转坐标，也广泛应用于雷达、炮塔、陀螺仪等的转角自动控制。直驱转台相关技术中，重要的一项技术即为转台的制动技术，目前主要的制动方式有采用蝶形弹簧或液压动力的端面制动和采用液压为动力的环抱式制动两类[4-5]，前者在制动力较大时，会引起转台台面的变形，影响转台的精度，因而环抱式制动技术成为主流的制动技术。笔者对环抱式制动结构的设计、工作原理进行分析，并采用Ansys Workbench分析软件对制动套做了静力学分析，为环抱式制动机构的优化设计提供了一种方法。

1 制动装置结构设计及工作原理

液压环抱式制动方式结构，如图1所示。(图为内转子结构，外转子结构制动套在转子的外侧。)

图1 制动部分结构图1.转子 2.制动套 3.密封腔 4.刚性支撑体 5.紧固螺栓

制动机构主要由薄壁制动套、转子内表面和刚性支撑体组成，薄壁制动套上下两端部用螺钉联接在刚性支撑体上，制动套中间部分内凹，与刚性支撑体外表面间形成一个密封油腔。薄壁制动套上下两端用O型密封圈密封。薄壁制动套与转子间的间隙控制在0.1 mm左右。制动套与刚性支撑间采用小间隙配合。当转台需制动时，液压油进入密封油腔，制动套受到油压的作用发生弹性变形产生外凸，与电机转子内壁紧紧抵合，产生的摩擦力矩即为制动力矩，进而使转台制动。在工程实际中，制动力矩应该满足使转台即刻制动的要求。当直驱转台做回转运动时，要求液压装置即刻卸压，制动套就会弹性恢复初始状态[6]。该制动装置结构设计简单，可靠性高，最主要是可以解决端面制动带来的工作台面变形问题。

在制动套材料的选用上，经过多次试验，最终采用了QSn4-3锡青铜(材料参数见表1)，这种青铜材料弹性模量比较小，相对易产生弹性变形，热膨胀系数比同类锡青铜小，耐磨性好，能够满足数控直驱转台的精度以及经济性要求。

表1 QSn4-3材料性能表[7]

2 制动装置设计计算

该制动装置制动过程主要利用制动套的弹性变形与电机转子内壁之间形成静摩擦力矩实现，制动时制动套处于弹性变形状态，制动套的壁厚对液压系统的压力有直接影响[8-9]。若壁厚过大，制动套不易产生弹性变形，若要使其达到制动要求的变形，则必须提高系统压力，进而对液压装置和制动装置的密封性要求提高，增加了工程的难度和成本；若壁厚过小，轻则制动部分易由于受到过大的应力产生塑性变形，卸压后变形不易恢复，影响转台的精度，重则使制动部分容易磨损穿透产生磨蚀失效，因此壁厚尺寸的确定就显得尤为重要。其核心问题是在约3 MPa的系统压力下，使制动套产生弹性变形而不发生塑性变形的最小壁厚。分析制动套的工况，可以认为制动套整体是一个轴对称设计，制动套在工作时主要承受周向的压力。

由于制动套壁厚较小，而制动套的轴向尺寸相对较大，因此，可以参照管道壁厚的计算方式对公式进行修正后计算制套的最小壁厚为：

式中：t为制动部分的壁厚，mm；P为系统压力，MPa；Df为制动部分与转子内壁接触部分的摩擦圆直径，mm；K为安全系数；δs为材料的屈服极限，MPa。

制动套的材料为QSn4-3锡青铜，由表1知：锡青铜材料的屈服极限δs=402 MPa，摩擦圆半径由转子内径可以获得，Df=304 mm，系统压力P=3 MPa，取安全系数K=1.4，根据上式求得制动部分壁厚的最小值为：

t≥3.04 mm

综合考虑，最终确定制动部分的壁厚t=4 mm。

3 制动套的有限元分析

ANSYS软件是一种融结构、流体、热、电磁、声学于一体的应用十分广泛的通用有限元分析软件。静力学分析是结构有限元分析的基础，通过静力学分析、设计人员可以校核结构的刚度和强度是否满足设计要求[10]。

3.1 制动套的三维建模

用Workbench自带的建模软件进行制动套的三维建模。为便于分析，对制动套的模型进行简化，对主要承载部分均保留其结构原型，以反映其力学特性。对不会明显影响制动套结构力学性能的螺栓孔、圆角均予以简化，仍保留了密封沟槽，简化后的模型如图2。

3.2 制动套网格划分

网格划分是建立有限元模型的一个重要环节，有限元结构网格数量的多少直接影响到最后的分析结果。一般来说，网格数量的增加，计算精度会有所增加，但计算规模增大。笔者仅仅校核制动套的刚度，因此网格划分采取了自动划分的方式，制动套的有限元网格模型如图3所示。

图2 制动套的模型图3 制动套的有限元模型

3.3 边界约束和载荷条件

制动套的上端面和下端面通过螺栓与刚性支撑体固联，可以看做两个端面的所有节点自由度为0。制动套所受载荷来自于系统压力，方向沿圆柱面的法向，液压系统提供的系统压力为3 MPa，均布载荷。

3.4 分析验证

经过有限元划分网格，确定边界约束和载荷条件后，计算制动套的应力、总变形云图分别如图4、5所示。通过应力云图可以看到制动套没有产生应力突变的部位，最大应力为139.38 MPa，远小于材料的屈服强度，说明制动套的制动部分在工作时处于弹性变形阶段，结构的刚度满足设计要求。由总变形云图可以看到，制动套的最大变形为0.2 mm，且变形均匀，说明制动套制动部分符合变形要求，且接触均匀。