某激振器安裝機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析

鄭鶴飛，陳金業(yè)，王德鑫，宋　軍

(南京模擬技術(shù)研究所，江蘇南京210016)

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某激振器安裝機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析

鄭鶴飛，陳金業(yè)，王德鑫，宋軍

(南京模擬技術(shù)研究所，江蘇南京210016)

摘要：為設(shè)計(jì)某激振器安裝機(jī)構(gòu)，對該機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)絲桿組件的強(qiáng)度進(jìn)行理論分析，基于ANSYS軟件，對安裝機(jī)構(gòu)的三腳架進(jìn)行應(yīng)力分析，得到該安裝機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力位置和最大應(yīng)力分布，從而優(yōu)化該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，該機(jī)構(gòu)已成功應(yīng)用于某激振器安裝。該方法可為其它結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞:激振器安裝機(jī)構(gòu)強(qiáng)度分析

0引言

激勵(lì)是研究振動(dòng)系統(tǒng)特性的一種有效的試驗(yàn)輸入方式[1]，而激振器是一種用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)中激發(fā)試驗(yàn)對象產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)的試驗(yàn)設(shè)備。激振器的安裝可以是軟支持方式，也可以是硬支持方式。傳統(tǒng)的激振器在安裝架上使用時(shí)，采用的是硬性連接方式，導(dǎo)致安裝架在使用一段時(shí)間后會(huì)發(fā)生松動(dòng)，從而影響激振器的工作性能。因此，在激振器安裝架的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)對主要承力部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，從而為安裝架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零部件尺寸的選擇提供有效的力學(xué)依據(jù)。

某激振器安裝架由固定平臺(tái)、支撐腳機(jī)構(gòu)、絲桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。根據(jù)激振器安裝架使用要求，該安裝架在正常工作狀態(tài)下，承受來自上端固定的激振器重力和激振器工作時(shí)產(chǎn)生的激振力。通過分析該安裝架的外部受力情況，根據(jù)典型工況，對其主要承力部件進(jìn)行逐一校核，包括激振器安裝架的外伸絲桿和底部支架三角架的強(qiáng)度分析[2-3]。

1安裝機(jī)構(gòu)

1.1工作原理

該結(jié)構(gòu)在于對振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)提供一種激振器的安裝固定裝置，能快速地安裝和固定激振器，方便調(diào)節(jié)激振器的高度和角度，從而能準(zhǔn)確地連接被測試對象。由于要求設(shè)計(jì)為手動(dòng)方式，考慮到實(shí)際操作時(shí)要提高效率，減輕手動(dòng)的工作強(qiáng)度，故而放棄滑動(dòng)摩擦方式而采用效率更高的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式的滾珠絲杠。

其主要的工作原理是采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，通過絲杠的直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)激振器舉升到合適的工作高度，然后旋動(dòng)鎖止銷、鎖止結(jié)構(gòu)來保證穩(wěn)固定位。整個(gè)結(jié)構(gòu)采用可拆卸結(jié)構(gòu)，運(yùn)輸時(shí)拆卸成幾個(gè)組件，使用時(shí)再將各個(gè)部件組裝成完整的結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　激振器安裝機(jī)構(gòu)

1.2系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

可以安裝不同量級的激振器，提供手動(dòng)升降裝置，能手動(dòng)將頂部安裝的激振器舉升至規(guī)定的高度，保證頂部激振器在空中穩(wěn)定、安全地工作；該系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)動(dòng)任意角度，能靈活移動(dòng)，同時(shí)能穩(wěn)固定位，保證激振器在激振過程不產(chǎn)生晃動(dòng)；該系統(tǒng)升降運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、自如，無沖擊、抖動(dòng)，且具有可靠的鎖止功能，升起后能夠在伸縮區(qū)間任意高度和一定方向上鎖定激振器并保持可靠工作。

該系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活、固定可靠、安裝簡單、結(jié)構(gòu)緊湊，方便外場使用，適應(yīng)性較好。

2強(qiáng)度分析

2.1絲桿的強(qiáng)度分析

圖2　絲桿外伸部分受力情況

固定平臺(tái)組件上固定試驗(yàn)用激振器，通過絲桿傳動(dòng)，安裝架平臺(tái)上升或下降到不同的位置，從而保證激振器對試驗(yàn)件的激振要求。當(dāng)安裝架達(dá)到最大上升高度時(shí)，此時(shí)絲桿外伸L=400 mm；絲桿的受力為：激振器自身重量G和激振器工作狀態(tài)下產(chǎn)生的最大激振力F，絲桿處于最不安全狀態(tài)，因此需對此狀態(tài)下的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性進(jìn)行校核。根據(jù)絲桿的工作工況，將該絲桿理論簡化為懸臂梁結(jié)構(gòu)，受力形式如圖2所示。

按前述最不安全狀態(tài)計(jì)算，此時(shí)安裝架上固定的激振器質(zhì)量為50 kg(等效重量載荷G=500 N)，側(cè)向激振力為F=500 N，絲桿截面為圓形截面，直徑為32 mm，材料屬性為鋼材，材料參數(shù)如表1。

表1

絲桿材料參數(shù)表

絲桿在工作狀態(tài)承受彎、壓組合的載荷作用，根據(jù)懸臂梁理論[4-5]，應(yīng)力計(jì)算公式為：

(1)

式中，A為絲桿受力位置的截面積；I為慣性矩；y為懸臂梁距固定點(diǎn)位移。根據(jù)圖1所示，當(dāng)y=400mm時(shí)，具有最大應(yīng)力。

根據(jù)圖1所示，絲桿最大撓度存在固定端處，根據(jù)懸臂梁結(jié)構(gòu)理論，最大撓度為：

(2)

當(dāng)絲桿上升到最高極限位置(即絲桿外伸400mm)時(shí)，外伸部分長度遠(yuǎn)大于其截面直徑，故應(yīng)該考慮其穩(wěn)定性；根據(jù)絲桿的簡化模型，其長度系數(shù)為μ=2，臨界力Fcr為：

(3)

由式(1)-(3)，計(jì)算得到絲桿強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，如表2所示。絲桿強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性指標(biāo)皆滿足使用要求。

表2

絲桿強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性校核載荷表

2.2三腳架的強(qiáng)度分析

三腳架是結(jié)構(gòu)的主要承力部分，其強(qiáng)度是否滿足要求，直接影響安裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)好壞。由于該三腳架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此采用有限元分析方法對其在工作狀態(tài)下的受力情況進(jìn)行校核。三腳架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　三腳架結(jié)構(gòu)圖

基于ANSYS通用有限元軟件，對三腳架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用四節(jié)點(diǎn)solid45單元對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了模擬實(shí)際三角結(jié)構(gòu)，將三腳架末端螺栓口采用固定約束，在架子最危險(xiǎn)狀態(tài)工作載荷下，通過MPC184單元將作用力傳遞到上端螺栓孔位置。具體網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4　有限元網(wǎng)格劃分及工況示意圖

該安裝架在最危險(xiǎn)工作狀態(tài)時(shí)，三腳架承受的力由兩部分組成：來自結(jié)構(gòu)整體自身重力和激振器工作狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的激振力。綜合此兩類力的考慮，在重力方向的力取100 kg(激振器自重50 kg，架子自重約48 kg，校核時(shí)按100 kg校核)，側(cè)向激振力按最大時(shí)取50 kg。

圖5　三腳架應(yīng)力最大位置云圖

基于ANSYS軟件計(jì)算的單個(gè)三腳架和整體三腳架的應(yīng)力云圖如圖5和圖6所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，三腳架整體承受的應(yīng)力為68.65 MPa，最大應(yīng)力產(chǎn)生在三腳架底部螺栓位置。三腳架采用一般鋼材制造，其屈服極限在800 MPa，該三腳架的安全系數(shù)在10以上，滿足強(qiáng)度要求。

圖6　三腳架整體應(yīng)力云圖

3結(jié)果分析

通過以上計(jì)算分析，其激振器安裝架的主要承力和零部件尺寸、強(qiáng)度滿足要求，可以采用該尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于該激振器在工作狀態(tài)下承受的為交變載荷，因此在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成以后，有必要對其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行驗(yàn)證，避免在工作中出現(xiàn)共振等現(xiàn)象。

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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

作者簡介：鄭鶴飛，男，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)和分析。

中圖分類號：V215.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)02-0019-03