直线电机在变加速加载系统中的应用

2021-07-02张葆青邵文普

现代制造技术与装备 2021年5期

张葆青邵文普

（中国工程物理研究院流体物理研究所，绵阳 621000）

研究物质在变加速运动中的物理状态是科学研究中的典型问题。例如，通过液滴在变加速高速运动过程中的破碎、雾化等现象，研究气液界面的失稳和多相流体的湍流混合，在超音速雨滴侵蚀、激波抛洒、超燃冲压发动机燃烧稳定性、多相混合物的燃烧和爆炸以及液体雾化等等方面具有重要应用[1-4]。

研究该物理过程需要使液滴处于一种能够实现加速度瞬时改变的高速运动装置。该装置要求负载为10 kg的条件下，加速度能够维持不低于5g的加速度，且能瞬时切换为加速度为-5g的减速运动。由于空间的限制，该装置的行程位移不得超过1.5 m。现有机械装备中，暂未找到能够完成该过程的装置。本文利用直线电机作为驱动源，实现了满载条件下从静止匀加速到最大速度，再以恒定的加速度从最大速度保持匀减速运动直至静止。

1 变加速加载系统运动分析

为了给实验研究对象创造气液界面失稳的临界物理状态，需要在有限的空间范围内实现较大的加速度，以完成从静止开始的先加速再减速的运动状态。变加速加载系统要求能够用于负载质量为10 kg的物体，实现在特定方向上先匀加速后匀减速的运动方式，使实验对象处在匀加速度条件下从静止加速到最大速度、再匀减速到零的状态。根据实验需求，实验加载方向可以在竖直向下方向（0°）和30°倾角范围内的任意角度之间调整。运动过程中的最大加速度数值不低于5g。

现有市面上用于直线往复运动的驱动方式主要有“旋转电机+滚珠丝杠”和直线电机两种。如表1所示，直线电机的优势在于精度高、加速度高、动态响应好、可实现快速启停、调速范围广，劣势仅在于价格高昂。“旋转电机+滚珠丝杠”的优势在于成本低，但其在动态响应等方面均较落后。对于该变加速加载系统而言，“旋转伺服电机+滚珠丝杠”明显无法满足其5g加速度的运动规律要求，只能采用直线电机作为驱动方式。直线电机无齿槽效应，易于保持运动稳定、高精度、高速度以及高响应。

表1 旋转电机和直线电机驱动方式对比

2 直线电机的选配

结合该系统的高速、高响应、高精度的运动要求，选择市场上常用的泰科贝尔LMU40-129型直线电机。该电机的主要参数如表2所示。

表2 LMU40-129型直线电机选型

根据工况分析，运动轨迹为竖直方向时，负载的重力方向和电机的驱动力方向夹角为180°。此时，所需的直线电机负荷最大，因此选择该状态对系统进行运动学分析。

运动部件过程中的运动学方程为：

式中，vmax代表运动过程中的最大速度，v0代表运动过程中的最小速度，a代表运动过程中的加速度，s代表运动部件减速过程的位移，L代表装置导轨的有效长度。

对减速过程的运动部件进行动力学分析，在不考虑摩擦阻力的情况下，根据牛顿第二定律，有[5]：

式中，F代表减速过程中直线电机提供的驱动力，m代表运动部件的质量，g代表重力加速度，a代表减速过程中的加速度。

由于实际运动过程中的运动部件会受到摩擦阻力和空气阻力，在考虑动力冗余的基础上，设定直线电机的安全系数S=3。于是，可由式（4）计算直线电机所需的驱动力大小F驱：

计算得出vmax=2.89 m·s-1，F驱=1 950 N。考虑直线电机的速度储备，根据表1选择LMU-40-12-12B型直线电机。

根据相关技术要求，该电机搭配HIWIN牌EGH20CA 2R1500Z0型导轨、BOGEN牌IKS9.1-Z2.50P2V5D1R1F1000 T2L3C3E1读数头、BOGEN牌LMS-12-W10-A20-K磁栅、高创牌CDHD-0132AEG2驱动器以及THK牌SH25-系列高精度导轨，完成该系统的搭建。

完成该实验装置的生产后，对所选的驱动电机进行功能检测，检测结果如图1所示。图1中曲线分别为实验装置运动速度的理论值、运动速度的实测值和为实验装置加速度的实测值。由于负载箱体的加速过程（指加速度从0加速至5g的过程）、变速过程（指加速度从5g减速至-5g的过程）和减速过程（指加速度从-5g变至0的过程）应尽可能短，且加速度维持在5g（重力加速度）以上的误差为10%，即最大加速度不超过5.5g。因此，运动装置的加速度理想曲线为方波曲线。可见，装置的加速度曲线较为合理。同时，运动速度的实测值和理论值拟合较好，表明该型直线电机能满足运动规律要求。变加速加载试验装置，如图2所示。