稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架動(dòng)態(tài)特性研究

馮博琳， 王軍利， 張文升, 李托雷, 雷 帥, 劉崇智

(1.西北機(jī)電工程研究所 智能人機(jī)協(xié)同工程研制中心， 陜西 咸陽(yáng) 712099；2. 陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000;3.中航飛機(jī)股份有限公司 長(zhǎng)沙起落架分公司， 陜西 漢中 723001)

目前，稱重傳感器研究的主要方向?yàn)榉Q重傳感器的標(biāo)定工作[1-2]。在稱重傳感器加工輔助裝置研究方面，戴俊平等[3]設(shè)計(jì)了一種稱重傳感器誤差標(biāo)定裝置托盤提升裝置，申言遠(yuǎn)等[4]設(shè)計(jì)了一種稱重傳感器蠕變誤差檢測(cè)裝置。上述學(xué)者的研究主要集中在稱重傳感器標(biāo)定裝置的研制以及開發(fā)。稱重傳感器在實(shí)際制造環(huán)境過(guò)程不可避免的存在一些灰塵、油污等污染物，在傳感器出廠前需要對(duì)其進(jìn)行清理。隨著稱重傳感器設(shè)計(jì)水平不斷地提高，鑒于稱重傳感器外形設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，給稱重傳感器的包裝以及清洗維護(hù)造成了很大的負(fù)擔(dān)。目前，國(guó)內(nèi)部分企業(yè)出廠前對(duì)稱重傳感器的最后清洗工作仍是由技術(shù)工人手工完成，需要耗費(fèi)大量的人工和時(shí)間。因此，為了解決稱重傳感器最后清洗包裝自動(dòng)化程度低的問題，有必要設(shè)計(jì)一種稱重傳感器清洗輔助裝置[5-8]。

本文以四桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一種新型稱重傳感器清洗機(jī)，利用四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)稱重傳感的壓緊固定，之后采用高壓氣體對(duì)傳感器表面油污進(jìn)行清理。

1.機(jī)架；2.氣缸；3.手輪；4.壓緊裝置；5.滾刷；6.傳動(dòng)鏈條；7.電機(jī)；8.調(diào)平裝置；9.氣缸；10.法蘭盤；11.稱重傳感器；12.螺釘圖1 稱重傳感器清洗機(jī)整體模型

1 稱重傳感器清洗機(jī)裝置及其工作原理

稱重傳感器清洗機(jī)由機(jī)架、清洗裝置、固定機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)等4部分組成。稱重傳感器清洗機(jī)工作原理：在對(duì)稱重傳感器進(jìn)行清潔作業(yè)時(shí)，首先將稱重傳感器放置到傳送滾刷上(其材料為橡膠)，在電機(jī)帶動(dòng)下不斷用滾刷清掃掉稱重傳感器上面的油污、灰塵；當(dāng)稱重傳感器運(yùn)動(dòng)到整個(gè)裝置中部時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪通過(guò)四桿機(jī)構(gòu)將稱重傳感器夾緊，同時(shí)上部分滾刷對(duì)稱重傳感器上部分進(jìn)行清掃；當(dāng)稱重傳感器固定好之后，上、下氣缸閥門打開，利用高壓氣體對(duì)稱重傳感器殘留的油污、灰塵進(jìn)行吹洗；最后，采用人工檢驗(yàn)清洗是否合格，如果不合格再重復(fù)上述過(guò)程。稱重傳感器清洗機(jī)裝置整體模型如圖1所示。

2 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

2.1 機(jī)架有限元模型建立

有限元分析時(shí)將機(jī)架三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，設(shè)置好材料參數(shù)。稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架的制造材料采用的是結(jié)構(gòu)鋼，其密度ρ=7.85 g/cm3，彈性模量E=2×1011Pa，泊松比μ=0.3，屈服強(qiáng)度為235 MPa，抗拉強(qiáng)度為375 MPa。采用自由網(wǎng)格劃分模式對(duì)機(jī)架三維模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分[9-14]，得到523 819個(gè)節(jié)點(diǎn)，467 923個(gè)單元。

2.2 靜力學(xué)分析

稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架的主要參數(shù)：長(zhǎng)564 mm，寬400 mm，高1770 mm，質(zhì)量約為98.896 kg。在實(shí)際稱重傳感器清洗機(jī)工作過(guò)程中，機(jī)架要承受上、下兩部氣缸對(duì)其約1000 N的壓力，在網(wǎng)格劃分完成之后，邊界條件設(shè)置時(shí)機(jī)架調(diào)平裝置約束選擇為Static Structural中的Fixed Support(固定約束)、整體施加重力加速度和氣缸安裝部位施加Force(力)，方向豎直向下，大小為1000 N。通過(guò)靜力學(xué)分析得到了機(jī)架在實(shí)際工作過(guò)程中的變形、應(yīng)力云圖如圖2所示。

由圖2(a)可知稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架在實(shí)際工況下最大位移主要分布在氣缸安裝部位，且最大變形值為0.326 mm，變形量較小。由圖2(b)可知稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架在實(shí)際工況作用下的最大應(yīng)力67.588 MPa，與屈服強(qiáng)度235 MPa相比更小，安全裕度較大，滿足強(qiáng)度要求，表明了稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性。

(a)機(jī)架變形云圖 (b)機(jī)架應(yīng)力云圖圖2 機(jī)架的變形、應(yīng)力分布云圖

2.3 機(jī)架預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

將靜力學(xué)分析結(jié)果導(dǎo)入ANSYS Workbench模態(tài)分析模塊，模態(tài)求解方法設(shè)置為Block Lanczos法，模態(tài)提取階數(shù)設(shè)置為六階。經(jīng)過(guò)模態(tài)分析求解得到稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架的前六階固有頻率模態(tài)振型如圖3所示。

圖3 稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架模態(tài)振型圖

由圖3可以看出，稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架模態(tài)頻率分布在29.216～102.64 Hz之間，頻率分布范圍較為集中，其中第四、五階模態(tài)固有頻率比較接近，從模態(tài)振型云圖上可以看出第四、五、六階模態(tài)振型中氣缸的安裝部位存在較大變形。因此，下文將著重研究氣缸安裝部位在諧載荷作用下的變形以及應(yīng)力分布情況。

3 諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)結(jié)果分析時(shí)，以機(jī)架氣缸安裝部位為研究對(duì)象，研究氣缸安裝部位X、Y、Z三個(gè)方向的位移、應(yīng)力、應(yīng)變、速度與外界激勵(lì)頻率之間的關(guān)系。結(jié)合模態(tài)分析結(jié)果以及綜合考慮機(jī)架的實(shí)際工作頻率，最后諧響應(yīng)分析算法選擇為模態(tài)疊加法，選擇計(jì)算頻率范圍為20～120 Hz，經(jīng)過(guò)諧響應(yīng)分析得到了氣缸安裝部位X、Y、Z三個(gè)方向的位移、應(yīng)力、應(yīng)變、速度與外界激勵(lì)頻率之間的關(guān)系具體情況如圖4所示。

通過(guò)對(duì)圖4氣缸安裝部位的振動(dòng)位移、應(yīng)力-頻率曲線進(jìn)行進(jìn)一步的分析總結(jié)可以看出，在曲線圖中某一頻率下，變形、應(yīng)力、應(yīng)變、速度的幅值會(huì)發(fā)生突變。從圖4(a)、(b)中可以看出當(dāng)激勵(lì)頻率為34、73 Hz時(shí)稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架上部氣缸安裝部位變形較大，當(dāng)激勵(lì)頻率為73 Hz時(shí)變形量達(dá)到峰值，上部氣缸安裝部位的振動(dòng)位移為0.232 mm，下部氣缸安裝部位的振動(dòng)位移為25 mm。圖4(c)、(d)中當(dāng)激勵(lì)頻率為73 Hz時(shí)機(jī)架上部氣缸安裝部位的應(yīng)力為9.494 6 MPa，下部氣缸安裝部位的應(yīng)力值為13 MPa。

結(jié)合模態(tài)分析結(jié)果以及稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架氣缸安裝部位諧響應(yīng)結(jié)果可以看出，機(jī)架的第四階固有頻率對(duì)機(jī)架的動(dòng)態(tài)性能影響最大，73 Hz為其最為敏感的激勵(lì)頻率，為了更好地研究敏感頻率下機(jī)架的受力情況，選取在73 Hz頻率下機(jī)架的位移、應(yīng)力分布云圖，如圖5所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)圖5的分析表明當(dāng)外界激勵(lì)頻率為73 Hz時(shí)，稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架的最大變形發(fā)生在上部壓緊機(jī)構(gòu)四桿結(jié)構(gòu)上，最大變形量為78.6 mm，應(yīng)力云圖中機(jī)架的最大應(yīng)力為15 973 MPa，最大應(yīng)力值超出了材料的屈服強(qiáng)度235 MPa，因此，為了確保稱重傳感器清洗機(jī)能夠安全工作，工作時(shí)應(yīng)確保外界振動(dòng)頻率分布范圍始終避開上述頻率。

圖4 氣缸安裝部位的振動(dòng)位移、應(yīng)力-頻率曲線

(a) 73 Hz下的振動(dòng)位移圖 (b) 73 Hz下的振動(dòng)應(yīng)力云圖圖5 73 Hz下機(jī)架的振動(dòng)位移、應(yīng)力云圖

4 結(jié) 論

(1) 采用有限元仿真技術(shù)得到了機(jī)架在實(shí)際工作狀態(tài)下的應(yīng)力、變形分布情況，發(fā)現(xiàn)機(jī)架的最大應(yīng)力小于材料的需用應(yīng)力，證明了稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)的合理性。為后續(xù)的模態(tài)分析和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析提供了基礎(chǔ)。

(2) 根據(jù)實(shí)際機(jī)架工作條件，首先對(duì)仿真模擬參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在對(duì)稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架進(jìn)行仿真時(shí)忽略了對(duì)分析結(jié)果影響較小的孔和倒角；其次根據(jù)實(shí)際機(jī)架的受力情況對(duì)有限元模型進(jìn)行了邊界條件設(shè)置，通過(guò)模態(tài)、諧響應(yīng)分析得到了稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架產(chǎn)生共振的頻率分布范圍，發(fā)現(xiàn)當(dāng)外界振動(dòng)頻率在34、73 Hz附近時(shí)機(jī)架的振動(dòng)幅值較大，振動(dòng)較為明顯。因此，稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架在實(shí)際工作時(shí)34、73 Hz是其工作危險(xiǎn)頻率，實(shí)際工作時(shí)要確保稱重傳感器清洗機(jī)遠(yuǎn)離危險(xiǎn)頻率，避免稱重傳感器清洗機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。