直驅轉臺環(huán)抱式制動機構設計及有限元分析*

陳 慧，劉海岷，楊 群

(武漢輕工大學 機械工程學院，湖北 武漢 430023)

直驅轉臺環(huán)抱式制動機構設計及有限元分析*

陳 慧，劉海岷，楊 群

(武漢輕工大學 機械工程學院，湖北 武漢 430023)

對環(huán)抱式制動結構的設計、工作原理進行了分析研究，給出了薄壁制動套最小壁厚的計算方法，并采用Ansys Workbench分析軟件對制動套做了靜力學分析，為環(huán)抱式制動機構的優(yōu)化設計提供了一種方法。

直驅轉臺；環(huán)抱式制動；彈性變形；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

直驅轉臺以其零傳動、無傳動誤差、無傳動件的磨損、精度高等顯著特點近年來得到相關行業(yè)的高度重視，連續(xù)被列為國家重大專項[1-3]。主要應用于數(shù)控機床的旋轉坐標，也廣泛應用于雷達、炮塔、陀螺儀等的轉角自動控制。直驅轉臺相關技術中，重要的一項技術即為轉臺的制動技術，目前主要的制動方式有采用蝶形彈簧或液壓動力的端面制動和采用液壓為動力的環(huán)抱式制動兩類[4-5]，前者在制動力較大時，會引起轉臺臺面的變形，影響轉臺的精度，因而環(huán)抱式制動技術成為主流的制動技術。筆者對環(huán)抱式制動結構的設計、工作原理進行分析，并采用Ansys Workbench分析軟件對制動套做了靜力學分析，為環(huán)抱式制動機構的優(yōu)化設計提供了一種方法。

1 制動裝置結構設計及工作原理

液壓環(huán)抱式制動方式結構，如圖1所示。(圖為內轉子結構，外轉子結構制動套在轉子的外側。)

圖1 制動部分結構圖1.轉子 2.制動套 3.密封腔 4.剛性支撐體 5.緊固螺栓

制動機構主要由薄壁制動套、轉子內表面和剛性支撐體組成，薄壁制動套上下兩端部用螺釘聯(lián)接在剛性支撐體上，制動套中間部分內凹，與剛性支撐體外表面間形成一個密封油腔。薄壁制動套上下兩端用O型密封圈密封。薄壁制動套與轉子間的間隙控制在0.1 mm左右。制動套與剛性支撐間采用小間隙配合。當轉臺需制動時，液壓油進入密封油腔，制動套受到油壓的作用發(fā)生彈性變形產生外凸，與電機轉子內壁緊緊抵合，產生的摩擦力矩即為制動力矩，進而使轉臺制動。在工程實際中，制動力矩應該滿足使轉臺即刻制動的要求。當直驅轉臺做回轉運動時，要求液壓裝置即刻卸壓，制動套就會彈性恢復初始狀態(tài)[6]。該制動裝置結構設計簡單，可靠性高，最主要是可以解決端面制動帶來的工作臺面變形問題。

在制動套材料的選用上，經(jīng)過多次試驗，最終采用了QSn4-3錫青銅(材料參數(shù)見表1)，這種青銅材料彈性模量比較小，相對易產生彈性變形，熱膨脹系數(shù)比同類錫青銅小，耐磨性好，能夠滿足數(shù)控直驅轉臺的精度以及經(jīng)濟性要求。

表1 QSn4-3材料性能表[7]

2 制動裝置設計計算

該制動裝置制動過程主要利用制動套的彈性變形與電機轉子內壁之間形成靜摩擦力矩實現(xiàn)，制動時制動套處于彈性變形狀態(tài)，制動套的壁厚對液壓系統(tǒng)的壓力有直接影響[8-9]。若壁厚過大，制動套不易產生彈性變形，若要使其達到制動要求的變形，則必須提高系統(tǒng)壓力，進而對液壓裝置和制動裝置的密封性要求提高，增加了工程的難度和成本；若壁厚過小，輕則制動部分易由于受到過大的應力產生塑性變形，卸壓后變形不易恢復，影響轉臺的精度，重則使制動部分容易磨損穿透產生磨蝕失效，因此壁厚尺寸的確定就顯得尤為重要。其核心問題是在約3 MPa的系統(tǒng)壓力下，使制動套產生彈性變形而不發(fā)生塑性變形的最小壁厚。分析制動套的工況，可以認為制動套整體是一個軸對稱設計，制動套在工作時主要承受周向的壓力。

由于制動套壁厚較小，而制動套的軸向尺寸相對較大，因此，可以參照管道壁厚的計算方式對公式進行修正后計算制套的最小壁厚為：

式中：t為制動部分的壁厚，mm；P為系統(tǒng)壓力，MPa；Df為制動部分與轉子內壁接觸部分的摩擦圓直徑，mm；K為安全系數(shù)；δs為材料的屈服極限，MPa。

制動套的材料為QSn4-3錫青銅，由表1知：錫青銅材料的屈服極限δs=402 MPa，摩擦圓半徑由轉子內徑可以獲得，Df=304 mm，系統(tǒng)壓力P=3 MPa，取安全系數(shù)K=1.4，根據(jù)上式求得制動部分壁厚的最小值為：

t≥3.04 mm

綜合考慮，最終確定制動部分的壁厚t=4 mm。

3 制動套的有限元分析

ANSYS軟件是一種融結構、流體、熱、電磁、聲學于一體的應用十分廣泛的通用有限元分析軟件。靜力學分析是結構有限元分析的基礎，通過靜力學分析、設計人員可以校核結構的剛度和強度是否滿足設計要求[10]。

3.1 制動套的三維建模

用Workbench自帶的建模軟件進行制動套的三維建模。為便于分析，對制動套的模型進行簡化，對主要承載部分均保留其結構原型，以反映其力學特性。對不會明顯影響制動套結構力學性能的螺栓孔、圓角均予以簡化，仍保留了密封溝槽，簡化后的模型如圖2。

3.2 制動套網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的一個重要環(huán)節(jié)，有限元結構網(wǎng)格數(shù)量的多少直接影響到最后的分析結果。一般來說，網(wǎng)格數(shù)量的增加，計算精度會有所增加，但計算規(guī)模增大。筆者僅僅校核制動套的剛度，因此網(wǎng)格劃分采取了自動劃分的方式，制動套的有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖2 制動套的模型 圖3 制動套的有限元模型

3.3 邊界約束和載荷條件

制動套的上端面和下端面通過螺栓與剛性支撐體固聯(lián)，可以看做兩個端面的所有節(jié)點自由度為0。制動套所受載荷來自于系統(tǒng)壓力，方向沿圓柱面的法向，液壓系統(tǒng)提供的系統(tǒng)壓力為3 MPa，均布載荷。

3.4 分析驗證

經(jīng)過有限元劃分網(wǎng)格，確定邊界約束和載荷條件后，計算制動套的應力、總變形云圖分別如圖4、5所示。通過應力云圖可以看到制動套沒有產生應力突變的部位，最大應力為139.38 MPa，遠小于材料的屈服強度，說明制動套的制動部分在工作時處于彈性變形階段，結構的剛度滿足設計要求。由總變形云圖可以看到，制動套的最大變形為0.2 mm，且變形均勻，說明制動套制動部分符合變形要求，且接觸均勻。

圖4 制動套的應力云圖 圖5 制動套的總變形云圖

4 結 語

詳細論述了制動套的結構，及工作原理，給出了制動套制動部分的壁厚的計算，并用有限元分析驗證了該結構設計的合理性，為直驅轉臺制動部分的優(yōu)化分析提供了方法。

[1] 方 杰.高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備行業(yè)創(chuàng)新能力平臺項目分析[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2013(2):1-3.

[2] 馬頌德.支持裝備制造業(yè)自主研發(fā)提高行業(yè)創(chuàng)新能力[J].機械工程師,2006(10):5-6.

[3] 王立平.關于國產數(shù)控機床發(fā)展的幾點思考[J].航空制造技術,2010(4):51-52.

[4] 吳培堅.數(shù)控轉臺[J].機械工人：冷加工，2006(5)：27-28.

[5] 何新林,童國榮,高明銘，等.一種新型數(shù)控轉臺的研制[J].制造技術與機床,2013(2):125-127.

[6] 周玲莉.精密數(shù)控螺母磨床直驅轉臺設計及整機可靠性試驗方法研究[D].南京：南京理工大學，2013.

[7] GB/T5231-2012加工銅及銅合金牌號和化學成分[S].2012.

[8] 郝美玲，景國豐.旋轉工作臺制動用薄壁剎緊環(huán)的設計研究[J].制造技術與機床，2013(3)：47-49.

[9] 欒強利，蔣德偉.數(shù)控轉臺抱閘機構設計分析[J].機床與液壓，2011，39(14):25-27.

[10] 李 兵. ANSYS Workbench設計、仿真與優(yōu)化[M].第2版.北京：清華大學出版社，2011.

Design and FEA Analysis for Ambient Braking in Direct Drive Rotary Table

CHEN Hui，LIU Hai-min，YANG Qun

(SchoolofMechanicalEngineering,WuhanPolytechnicUniversity,WuhanHubei430023,China)

2014-06-10

陳 慧(1990-)，男，湖北棗陽人，在讀碩士，研究方向:數(shù)控技術與裝備。

TH122

A

1007-4414(2014)04-0080-02