某激振器安装机构的强度分析

郑鹤飞，陈金业，王德鑫，宋　军

(南京模拟技术研究所，江苏南京210016)



某激振器安装机构的强度分析

郑鹤飞，陈金业，王德鑫，宋军

(南京模拟技术研究所，江苏南京210016)

摘要：为设计某激振器安装机构，对该机构的传动丝杆组件的强度进行理论分析，基于ANSYS软件，对安装机构的三脚架进行应力分析，得到该安装机构的最大应力位置和最大应力分布，从而优化该机构的设计方案，该机构已成功应用于某激振器安装。该方法可为其它结构设计提供借鉴。

关键词:激振器安装机构强度分析

0引言

激励是研究振动系统特性的一种有效的试验输入方式[1]，而激振器是一种用于结构振动试验中激发试验对象产生强迫振动的试验设备。激振器的安装可以是软支持方式，也可以是硬支持方式。传统的激振器在安装架上使用时，采用的是硬性连接方式，导致安装架在使用一段时间后会发生松动，从而影响激振器的工作性能。因此，在激振器安装架的设计过程中，应对主要承力部件进行强度校核，从而为安装架结构设计、零部件尺寸的选择提供有效的力学依据。

某激振器安装架由固定平台、支撑脚机构、丝杆滑动机构等组成。根据激振器安装架使用要求，该安装架在正常工作状态下，承受来自上端固定的激振器重力和激振器工作时产生的激振力。通过分析该安装架的外部受力情况，根据典型工况，对其主要承力部件进行逐一校核，包括激振器安装架的外伸丝杆和底部支架三角架的强度分析[2-3]。

1安装机构

1.1工作原理

该结构在于对振动试验时提供一种激振器的安装固定装置，能快速地安装和固定激振器，方便调节激振器的高度和角度，从而能准确地连接被测试对象。由于要求设计为手动方式，考虑到实际操作时要提高效率，减轻手动的工作强度，故而放弃滑动摩擦方式而采用效率更高的滚动运动方式的滚珠丝杠。

其主要的工作原理是采用滚珠丝杠结构，将旋转的运动转变为直线运动，通过丝杠的直线运动带动激振器举升到合适的工作高度，然后旋动锁止销、锁止结构来保证稳固定位。整个结构采用可拆卸结构，运输时拆卸成几个组件，使用时再将各个部件组装成完整的结构。其结构如图1所示。

图1　激振器安装机构

1.2系统优点

可以安装不同量级的激振器，提供手动升降装置，能手动将顶部安装的激振器举升至规定的高度，保证顶部激振器在空中稳定、安全地工作；该系统可以转动任意角度，能灵活移动，同时能稳固定位，保证激振器在激振过程不产生晃动；该系统升降运动平稳、自如，无冲击、抖动，且具有可靠的锁止功能，升起后能够在伸缩区间任意高度和一定方向上锁定激振器并保持可靠工作。

该系统调节灵活、固定可靠、安装简单、结构紧凑，方便外场使用，适应性较好。

2强度分析

2.1丝杆的强度分析

图2　丝杆外伸部分受力情况

固定平台组件上固定试验用激振器，通过丝杆传动，安装架平台上升或下降到不同的位置，从而保证激振器对试验件的激振要求。当安装架达到最大上升高度时，此时丝杆外伸L=400 mm；丝杆的受力为：激振器自身重量G和激振器工作状态下产生的最大激振力F，丝杆处于最不安全状态，因此需对此状态下的强度、刚度及稳定性进行校核。根据丝杆的工作工况，将该丝杆理论简化为悬臂梁结构，受力形式如图2所示。

按前述最不安全状态计算，此时安装架上固定的激振器质量为50 kg(等效重量载荷G=500 N)，侧向激振力为F=500 N，丝杆截面为圆形截面，直径为32 mm，材料属性为钢材，材料参数如表1。

表1

丝杆材料参数表

丝杆在工作状态承受弯、压组合的载荷作用，根据悬臂梁理论[4-5]，应力计算公式为：

(1)

式中，A为丝杆受力位置的截面积；I为惯性矩；y为悬臂梁距固定点位移。根据图1所示，当y=400mm时，具有最大应力。

根据图1所示，丝杆最大挠度存在固定端处，根据悬臂梁结构理论，最大挠度为：

(2)

当丝杆上升到最高极限位置(即丝杆外伸400mm)时，外伸部分长度远大于其截面直径，故应该考虑其稳定性；根据丝杆的简化模型，其长度系数为μ=2，临界力Fcr为：

(3)

由式(1)-(3)，计算得到丝杆强度、刚度和稳定性，如表2所示。丝杆强度、刚度及稳定性指标皆满足使用要求。

表2

丝杆强度、刚度及稳定性校核载荷表

2.2三脚架的强度分析

三脚架是结构的主要承力部分，其强度是否满足要求，直接影响安装机构的设计好坏。由于该三脚架结构比较复杂，因此采用有限元分析方法对其在工作状态下的受力情况进行校核。三脚架结构如图3所示。

图3　三脚架结构图

基于ANSYS通用有限元软件，对三脚架的结构特点进行网格划分。采用四节点solid45单元对其进行网格划分，为了模拟实际三角结构，将三脚架末端螺栓口采用固定约束，在架子最危险状态工作载荷下，通过MPC184单元将作用力传递到上端螺栓孔位置。具体网格划分如图4所示。

图4　有限元网格划分及工况示意图

该安装架在最危险工作状态时，三脚架承受的力由两部分组成：来自结构整体自身重力和激振器工作状态时产生的激振力。综合此两类力的考虑，在重力方向的力取100 kg(激振器自重50 kg，架子自重约48 kg，校核时按100 kg校核)，侧向激振力按最大时取50 kg。

图5　三脚架应力最大位置云图

基于ANSYS软件计算的单个三脚架和整体三脚架的应力云图如图5和图6所示。根据计算结果可知，三脚架整体承受的应力为68.65 MPa，最大应力产生在三脚架底部螺栓位置。三脚架采用一般钢材制造，其屈服极限在800 MPa，该三脚架的安全系数在10以上，满足强度要求。

图6　三脚架整体应力云图

3结果分析

通过以上计算分析，其激振器安装架的主要承力和零部件尺寸、强度满足要求，可以采用该尺寸进行设计。由于该激振器在工作状态下承受的为交变载荷，因此在整体结构设计完成以后，有必要对其动力学特性进行验证，避免在工作中出现共振等现象。

参考文献

[1]闻邦椿，李以农，徐培民.工程非线性振动[M].北京：科学出版社, 2007.

[2]姜年朝.ANSYS和ANSYS/FE-SAFE软件的工程应用及实例[M]. 南京：河海大学出版社, 2006.

[3]王富耻，张朝辉.ANSYS 10.0有限元分析理论与工程应用[M].北京：电子工业出版社，2006.

[4]单辉祖. 材料力学[M]. 北京：高等教育出版社, 2009.

[5]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2007.

Strength analysis of the installation mechanism of an vibration exciter

ZHENG Hefei，CHEN Jinye，WANG Dexin，SONG Jun

Abstract:In order to design an installation mechanism for a vibration exciter, we analyzed the strength of the ball screw subassembly of the mechanism. Then ANSYS was used to analyze the stress of the tripod structure of the mechanism, and the design of the installation mechanism was optimized according to the maximum stress spot and stress distribution obtained. The newly designed installation mechanism has been successfully applied to a vibration exciter. This method could provide reference for the design of other mechanisms.

Keywords:vibration exciter; installation mechanism; strength analysis

收稿日期：2015-09-07

作者简介：郑鹤飞，男，工程师，研究方向为机械设计和分析。

中图分类号：V215.2

文献标识码：A

文章编号：1002-6886(2016)02-0019-03