大型水平滑台的驱动试验方案研究

王振洋,朱江峰,杨 鹏,张雷雷,李 晨

(苏州苏试试验集团股份有限公司,江苏 苏州 215019)

1 引 言

水平滑台作为振动台连接的辅助试验设备,用于安装固定试件和传递运动[1],按照功能可以分为安装固定试件的工作区域和与连接器连接的连接区域。进行水平振动试验时,参与运动的部件主要为水平滑台、滑块、连接器和动圈[2]。

目前准备设计一个工作区域的长度、宽度和高度分别为3000mm、3000mm和60mm的水平滑台,材料为镁合金,其工作区域质量达到972kg,49个导轨组件的T形滑块的总质量约为250kg。针对此水平滑台的某个考核指标为在空载和加速度为10g的试验状态条件下,试验工作频率上限必须达到400Hz。考虑到动圈和连接器的质量,结合试验要求,本文初定采用单台160kN电动振动台驱动水平滑台和双台75kN电动振动台驱动水平滑台两种试验方案,然后设计了两种不同结构的水平滑台和连接器。

由于采用了不同结构的连接器、动圈和水平滑台,所以两种试验方式下水平滑台的动态特性必然不一样。然而,水平滑台的动态特性又是实现振动台水平振动性能的关键,因此本文从承载能力和水平滑台的横向一阶共振频率两方面对比分析上述两种试验方案,从而确定一种较优的试验方案。

2 有限元模型建立

2.1 运动系统的机械结构

采用单台160kN电动振动台驱动的水平滑台、连接器、滑块和动圈及采用双台75kN电动振动台驱动的水平滑台、连接器、滑块和动圈等运动部件组成的运动系统分别定义为运动系统1和运动系统2,每个运动系统模型和坐标系的定义如图1所示。

(a)运动系统1

两个运动系统采用相同结构的导轨组件和相同的导轨组件布置方案,导轨组件的模型如图2所示,其材料均为铝合金,每个滑块的质量约为5.14kg,水平滑台与滑块的连接方式均采用螺栓紧固连接。导轨的上下盖内侧和导轨边框内侧开设油腔,润滑油流入到油腔,形成油膜,实现纯流体摩擦。49个导轨组件中,只有4个导轨组件在上下盖内侧和导轨边框内侧开设油腔,用于限制水平滑台的y向和z向运动以及承受z向的外界载荷,剩下的45个导轨组件由于只在上下盖内侧开设油腔,因而无法用于限制水平滑台的y向运动。

图2 导轨组件模型

两个运动系统的水平滑台材料均为镁合金,运动系统1和运动系统2采用的水平滑台的质量分别为1010.71kg和1012.61kg,只有与连接器连接的连接区域不同。将运动系统1和运动系统2的水平滑台分别标记为水平滑台1和水平滑台2。

运动系统1和运动系统2的连接器的材料均为镁合金,其质量分别为62.3kg和52.3kg。将运动系统1和运动系统2的连接器分别标记为连接器1和连接器2。

运动系统1和运动系统2的动圈只保留骨架和绕组主要机械结构,材料均为铝合金,其质量分别为107.5kg和56.5kg。将运动系统1和运动系统2的动圈分别标记为动圈1和动圈2。镁合金和铝合金的材料性能参数如表1所示。

表1 材料性能参数

2.2 网格划分

由于水平滑台和连接器的尺寸较大,选择20mm的2阶四面体网格划分,保证水平滑台沿厚度方向有3层网格。然而,动圈的某些结构特征参数和滑块的尺寸较小,因此选择10mm的2阶四面体网格划分。每个运动系统及运动部件的网格数量和节点数量如表2所示。

2.3 连接关系设置

滑块与水平滑台的连接、动圈与连接器的连接和水平滑台与连接器的连接在实际中均采用螺栓紧固连接,并且螺钉不属于研究对象,因此建立水平滑台与滑块、连接器以及连接器与动圈的接触对,接触类型设置为绑定接触,简化螺栓紧固连接。

3 试验方案对比

3.1 静强度对比

静强度表征结构在常温下承受载荷的能力[3,4]。由于动圈和连接器只负责提供动力和传递运动,因此,静强度分析的对象为水平滑台和滑块。

在水平振动试验中,试件的尺寸往往很大,并且以水平滑台工作区域的中心为参考点进行摆放。以水平滑台工作区域的中心作为圆心,在半径为1000mm圆的区域施加19600N的力模拟质量2000kg的试件作用于水平滑台上的压力,在49个滑块与油膜接触的区域施加对应的z向约束和y向约束。

图3为运动系统1的应力云图,可以看出,水平滑台1产生的最大压应力为0.26987MPa,49个滑块中产生的最大压应力为0.68371MPa。图4为运动系统2的应力云图,可以看出,水平滑台2产生的最大压应力为0.28958MPa,49个滑块中产生的最大压应力为0.6315MPa。对比图3和图4可以看出,运动系统1和运动系统2的应力水平接近,但运动系统2的滑块最大压应力小于运动系统1的滑块最大压应力。

(a)水平滑台1

(a)水平滑台2

3.2 静刚度对比

静刚度表征结构在静态载荷下抵抗变形的能力[5,6],即引起单位位移所需的力。以单自由度弹簧系统为例,静刚度公式定义如下:

(1)

式中,F为外界激励载荷;x为弹簧的位移变化量。

图5为运动系统1的位移云图,可以看出,最大位移为0.0011685mm。由式(1)可知,运动系统1的最小静刚度为1.6773×1010N/m。图6为运动系统2的位移云图,可以看出,最大位移为0.0011709mm,由式(1)可知,运动系统2的最小静刚度为1.6739×1010N/m。运动系统1和运动系统2的最小静刚度相差很小,相差约0.20%。

图5 运动系统1的位移云图

图6 运动系统2的位移云图

3.3 一阶横向共振频率对比

一阶横向共振频率[7]是水平滑台的重要指标之一。当外界激励频率接近系统的固有频率时,系统可能会发生大幅度的振动。固有频率[8]的公式定义如下:

(2)

式中,k为系统整体结构的刚度,m为系统整体结构的质量,δ为系统整体结构的阻尼。

较高的一阶横向共振频率可以避免试件在试验频率范围内发生共振。水平滑台1和水平滑台2的一阶横向共振频率分别为480.12Hz和550.75Hz。因此,水平滑台2在水平振动试验时,试件可以拥有更高的试验频率范围上限。图7和图8分别为水平滑台1和水平滑台2共振频率下的运动系统1和运动系统2的模态振型。单向双轴驱动的水平滑台的实测一阶横向共振频率为552.94Hz,远大于考核指标的频率上限。

图7 运动系统1的模态振型

图8 运动系统2的模态振型

4 结 论

本文针对采用单台160kN电动振动台驱动水平滑台和双台75kN电动振动台驱动水平滑台两种试验方案,从承载能力和水平滑台的一阶横向共振频率两方面进行了对比,得出以下结论:

(1)在相同负载下,运动系统1和运动系统2产生的压应力水平和位移变化相差很小,表明两个系统的承载能力接近。

(2)水平滑台2相较于水平滑台1拥有更高的一阶横向共振频率,同一试件做水平振动试验就会拥有更高的试验频率范围上限。