新電磁作動(dòng)器氣隙控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與特性分析

尹天齊，李 彥，何 琳

(1. 海軍工程大學(xué) 振動(dòng)與噪聲研究所，湖北 武漢 430033；2. 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢， 430033)

0 引 言

機(jī)械設(shè)備振動(dòng)對(duì)船舶有很多不利影響[1]。船舶主被動(dòng)混合隔振技術(shù)[2]很好地減低了機(jī)械設(shè)備傳遞至艙體的振動(dòng)。該技術(shù)所用主被動(dòng)混合隔振器結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用電磁作動(dòng)器與氣囊隔振器并聯(lián)。電磁作動(dòng)器線圈電流電壓、機(jī)構(gòu)磁通、輸出力等特性與作動(dòng)器氣隙距離有密切聯(lián)系[3–5]，氣隙距離在工作范圍內(nèi)可測(cè)可控對(duì)電磁作動(dòng)器性能發(fā)揮有重要意義。文獻(xiàn)[2]中氣囊隔振器的高度可以用充氣來(lái)控制，確保正常工作時(shí)的作動(dòng)器氣隙高度。

此外船舶運(yùn)行情況復(fù)雜，沖擊、搖擺、傾斜等激勵(lì)可能導(dǎo)致主被動(dòng)混合隔振裝置產(chǎn)生大位移，使電磁作動(dòng)器的鐵芯和銜鐵相撞，影響裝置工作可靠性。英國(guó)的智能彈簧技術(shù)[6]增大氣隙間距以避免相撞，黃海[7]采用增大氣隙以減少漏磁，但這2種方法增大了所需的功耗。文獻(xiàn)[2]等研究了不占用作動(dòng)器氣隙、額外增加混合隔振器低剛度變形余量的方法。在主被動(dòng)混合隔振器中設(shè)計(jì)了如圖2所示的懸掛可脫開(kāi)機(jī)構(gòu)，很好地解決了沖擊搖擺防護(hù)問(wèn)題，形成了工程實(shí)用化的主被動(dòng)隔振器。

圖 1 電磁-氣囊主被動(dòng)混合隔振器的結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Schematic structure of active-passive isolator composed of electromagnetic actuator and air spring

但在很多隔振裝置中，被動(dòng)隔振器是傳統(tǒng)的橡膠隔振器，無(wú)法自動(dòng)調(diào)整氣隙間距[8]?？紤]到主被動(dòng)隔振系統(tǒng)可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的使用周期，橡膠隔振器長(zhǎng)期使用后的蠕變與船舶配重不平衡、隔振器承載不均勻等因素都將導(dǎo)致正常工作狀態(tài)下作動(dòng)器氣隙間距的改變。這些變化會(huì)導(dǎo)致作動(dòng)器輸出力偏離工作狀態(tài)、主被動(dòng)隔振技術(shù)效果下降甚至失效。

目前采用的懸掛脫開(kāi)機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖2）無(wú)法自動(dòng)調(diào)整氣隙間距，因此本文對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)以同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)氣隙高度調(diào)整與沖擊搖擺防護(hù)兩項(xiàng)要求。同時(shí)，在電磁作動(dòng)器氣隙控制的方案設(shè)計(jì)中，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)應(yīng)用自控機(jī)械的先例，這也是本文研究?jī)?nèi)容的新穎之處。

1 原理設(shè)計(jì)

在原理設(shè)計(jì)階段，將氣隙距離的自控調(diào)整作為主要的目標(biāo)要求。在備選位移控制機(jī)構(gòu)中，蝸輪蝸桿可以自鎖且能承擔(dān)較大載荷，但加工復(fù)雜蝸輪尺寸較大；螺旋傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且精度較高，但位移控制方向空間要求很大。本文提出的機(jī)構(gòu)原理采用楔形滑塊與螺旋傳動(dòng)副相結(jié)合的方式，如圖3和圖4所示?？芍瑧业跫芘c圖2中的下座功能一致，其下方與作動(dòng)器銜鐵固聯(lián)、上方置于支撐塊上側(cè)。電機(jī)通過(guò)螺旋傳動(dòng)副帶動(dòng)滑塊沿固聯(lián)機(jī)架水平運(yùn)動(dòng)，支撐塊在楔形斜面的作用下實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，最終帶動(dòng)懸吊架上下運(yùn)動(dòng)、從而控制作動(dòng)器氣隙間距。

圖 4 沖擊保護(hù)狀態(tài)原理圖Fig. 4 Schematic for protection state

當(dāng)機(jī)構(gòu)處于圖3所示穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，彈簧未壓縮、懸吊架在銜鐵所受向下永磁拉力[2]的作用下與支撐塊剛性連接，將作動(dòng)器激勵(lì)力直接傳遞至受控部件。

當(dāng)機(jī)構(gòu)處于圖4所示搖擺沖擊工作狀態(tài)時(shí)，懸吊架下方的作動(dòng)器銜鐵與作動(dòng)器鐵芯端面的導(dǎo)磁橡膠[2]接觸并被頂起、與支撐塊不再剛性連接，彈簧在允許范圍內(nèi)被壓縮以提供緩沖，保護(hù)作動(dòng)器。在沖擊狀態(tài)結(jié)束后，作動(dòng)器銜鐵與導(dǎo)磁橡膠不再接觸，懸吊架在彈簧回彈作用下復(fù)位，與支撐塊接觸，回到圖3所示的穩(wěn)定工作狀態(tài)。

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

在實(shí)際船舶機(jī)械隔振裝置中，考慮到以下幾個(gè)工作條件：隔振器允許的工作高度偏差范圍約為±4 mm；裝配有抗沖擊限位器、通常間隙約5～8 mm；作動(dòng)器主要用于控制低頻線譜振動(dòng)、工作頻率小于300 Hz；以及目前版本的懸掛脫開(kāi)機(jī)構(gòu)尺寸約為90 mm×90 mm×35 mm。因此本文的改進(jìn)型懸掛脫開(kāi)機(jī)構(gòu)在適當(dāng)放寬尺寸的情況下，應(yīng)在之前版本的基礎(chǔ)上滿足如下設(shè)計(jì)要求：

1）懸掛脫開(kāi)機(jī)構(gòu)應(yīng)可以在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)銜鐵改變氣隙間距，間距調(diào)整范圍±4 mm，調(diào)整精度0.2 mm；

2）改進(jìn)后的懸掛脫開(kāi)機(jī)構(gòu)尺寸應(yīng)小于120 mm×120 mm×50 mm，受到?jīng)_擊響應(yīng)時(shí)懸吊架應(yīng)可提供超過(guò)7 mm緩沖空間；

3）正常工作狀態(tài)下懸吊架與機(jī)架剛性連接以輸出正確的激勵(lì)力，同時(shí)應(yīng)使機(jī)構(gòu)整體各階模態(tài)頻率遠(yuǎn)大于300 Hz的作動(dòng)器工作頻率以免除共振。

2.2 機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 楔形滑塊部分的參數(shù)設(shè)計(jì)

改進(jìn)機(jī)構(gòu)中的楔形滑塊部分是關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換部件，首先應(yīng)確定楔塊斜面傾角。確定傾角的主要約束條件包括水平方向受力與尺寸。其中受力分析如圖5所示。

圖 5 受力分析Fig. 5 Force analysis

圖5以15°為例分析了楔塊部分的受力情況，其中滑塊所受水平力如式（1）所示。仿照此圖與式（1）可類似計(jì)算得到其余備選傾角的水平推力情況，此外還應(yīng)根據(jù)垂向氣隙調(diào)整范圍的要求，估測(cè)楔形滑塊所需的滑動(dòng)距離，如式（2）所示?？紤]實(shí)際加工中5°，15°與30°的斜面較為常用，將它們的分析結(jié)果對(duì)比如表1所示。

式中：F1為作動(dòng)器永磁偏置吸引力和彈簧預(yù)壓力的合力，本文為 1 300 N。

式中：?L為垂直方向位移范圍，本文機(jī)構(gòu)的垂向氣隙調(diào)整范圍±4 mm，因此?L為8 mm，θ為傾角，α為滑塊滑動(dòng)范圍。

表 1 楔塊傾角備選Tab. 1 Choices of inclination

由表1可知，5°傾角所需的滑動(dòng)距離過(guò)長(zhǎng)而30°傾角所需的水平推力過(guò)大，15°傾角所需的滑動(dòng)距離在尺寸允許范圍內(nèi)，并且水平推力適中，因此選用15°傾角。結(jié)合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)2與實(shí)際設(shè)計(jì)加工中的方便，選定滑塊與支撐塊長(zhǎng)度50 mm，導(dǎo)軌長(zhǎng)度99 mm，實(shí)際滑塊運(yùn)動(dòng)范圍31 mm。這樣確定的結(jié)構(gòu)如剖面圖6所示（懸吊架頂部彈簧省略），在該尺寸設(shè)定下，由式（3）計(jì)算可知理論上懸吊架可在支撐塊的帶動(dòng)下產(chǎn)生最大8.3 mm位移，滿足目標(biāo)1要求。

圖 6 楔形滑塊部分剖面圖Fig. 6 Profile of the part including wedge

最終設(shè)計(jì)完成的楔形滑塊部分如圖6所示（懸吊架頂部彈簧省略），滑塊由一60°燕尾槽安裝在機(jī)架下部，只能沿機(jī)架下部水平運(yùn)動(dòng)，其上的15°斜面推動(dòng)支撐塊運(yùn)動(dòng)。為阻止支撐塊在除垂直方向以外的自由度上運(yùn)動(dòng)，設(shè)置了定位塊，該零部件與支撐塊以150°V型槽面接觸配合。懸吊架上端置于支撐塊頂面，下端與作動(dòng)器銜鐵連接，上下端之間由高度36 mm的柱狀結(jié)構(gòu)連接，下端上表面到機(jī)架下表面之間的距離如圖6中H所示，提供至少7 mm的緩沖空間，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)2。

其中滑塊與支撐塊中間挖空，巧妙地避免了懸吊架與水平運(yùn)動(dòng)的滑塊之間產(chǎn)生干涉，并且便于裝配，如圖7所示。

圖 7 滑塊與支撐塊Fig. 7 Slider and underprop

2.2.2 螺旋傳動(dòng)部分的參數(shù)設(shè)計(jì)

為了達(dá)成氣隙高度調(diào)整精度0.2 mm的要求，考慮到已選用具有15°斜面的滑塊支撐塊結(jié)構(gòu)，則螺母單步軸向位移由式（4）計(jì)算可知應(yīng)小于0.75 mm。

式中：?x為螺母單步位移，?y為精度要求。

在加工中螺桿的螺距通常為2 mm，本文為了加工制造上的方便亦選用這一尺寸。代入?x，則電機(jī)步距角由式（5）計(jì)算可知應(yīng)小于135°，本文選擇兩相四線步進(jìn)電機(jī)、步距角1.8°，滿足這一要求。

最終設(shè)計(jì)完成的螺旋傳動(dòng)部分如圖8所示（懸吊架頂部彈簧省略，A-A剖視圖對(duì)應(yīng)圖6），為了縮小尺寸，螺旋傳動(dòng)副采用螺母線性位移而螺桿僅旋轉(zhuǎn)的模式，螺桿在電機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動(dòng)固聯(lián)于推拉桿的螺母沿著軸向運(yùn)動(dòng)。位于軸兩側(cè)軸肩的軸承一個(gè)由軸承架固定，另一個(gè)由機(jī)架與端蓋共同固定。

圖 8 機(jī)構(gòu)俯視圖Fig. 8 Planform of the structure

此處運(yùn)用軸承架而非同樣選用機(jī)架固定電機(jī)側(cè)軸承，是考慮到：

1）電機(jī)與軸承位置接近都有定位要求，若在機(jī)架上設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，加工難度和成本將上升；

2）軸向與橫向螺栓交錯(cuò)，可以安排先后次序方便裝配調(diào)整。

軸承架由兩枚螺栓固聯(lián)于機(jī)架，如圖9所示。

圖 9 軸承架Fig. 9 Bearing holder

最終的整體機(jī)構(gòu)三維模型如圖10（懸吊架頂部彈簧省略）所示。機(jī)架、滑塊、支撐塊、懸吊架、定位塊等零部件構(gòu)成單滑塊改進(jìn)型懸掛脫開(kāi)機(jī)構(gòu)的楔形滑塊部分。螺桿、螺母、軸承、軸承架、電機(jī)等零部件構(gòu)成螺旋傳動(dòng)部分。2個(gè)部分之間依靠推拉桿傳遞力與速度。

圖 10 單滑塊改進(jìn)型懸掛脫開(kāi)機(jī)構(gòu)整體概覽（自上而下觀察）Fig. 10 Overview of the disengageable suspended structure with single wedge

3 機(jī)構(gòu)仿真驗(yàn)證

為了從整體上分析單滑塊改進(jìn)型懸掛脫開(kāi)機(jī)構(gòu)的可行性，在設(shè)計(jì)階段已滿足目標(biāo)2的情況下利用Ansys Workbench對(duì)該模型進(jìn)行靜力學(xué)與模態(tài)的分析。

3.1 靜力學(xué)分析

考慮到正常工況下機(jī)構(gòu)不運(yùn)動(dòng)亦不分離，相互之間接觸關(guān)系可視為固聯(lián)，基于這一假設(shè)的靜力學(xué)分析結(jié)果如圖11所示。從結(jié)果可以觀察到靜力作用下懸吊架發(fā)生最大0.1 mm的變形，但實(shí)際安裝中懸吊架還將同作動(dòng)器銜鐵固聯(lián)，這進(jìn)一步增加了它的剛性，所以靜力學(xué)分析結(jié)果顯示該機(jī)構(gòu)可以滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)1。

圖 11 靜力學(xué)分析Fig. 11 Static analysis

3.2 模態(tài)分析

由于該懸掛脫開(kāi)機(jī)構(gòu)的功能是傳遞作動(dòng)器的激振力，因此動(dòng)態(tài)特性特別是模態(tài)特性必須避開(kāi)工作環(huán)境的固有頻率，由以往實(shí)驗(yàn)知懸掛脫開(kāi)機(jī)構(gòu)模態(tài)頻率需高于300 Hz?？刂品枪搪?lián)接觸面為“摩擦”屬性后的仿真結(jié)果如表2和圖12所示.

表 2 各階模態(tài)頻率仿真結(jié)果Tab. 2 Simulation results of modal frequencie

圖 12 一階固有頻率Fig. 12 First order frequency

由仿真結(jié)果可知該機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性中一階模態(tài)固有頻率為830.91 Hz，遠(yuǎn)大于目標(biāo)要求的300 Hz，因此滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)3。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以文獻(xiàn)[2]中懸掛脫開(kāi)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了改進(jìn)機(jī)構(gòu)，解決了作動(dòng)器長(zhǎng)期使用后與其并聯(lián)的橡膠隔振器蠕變等一系列變化對(duì)作動(dòng)器工作性能影響的問(wèn)題，可在一定精度與尺寸要求的前提下同時(shí)滿足搖擺沖擊防護(hù)與氣隙距離控制兩項(xiàng)要求。分析計(jì)算可知，改進(jìn)機(jī)構(gòu)達(dá)到了作動(dòng)器搖擺沖擊工作狀況下至少7 mm的緩沖空間，與調(diào)整氣隙高度范圍±4 mm、 精度0.2 mm的要求。該機(jī)構(gòu)提高了橡膠隔振器與電磁作動(dòng)器并聯(lián)集成時(shí)的狀態(tài)適應(yīng)性，對(duì)主被動(dòng)混合隔振技術(shù)的工程應(yīng)用提供了更廣闊的空間。