某隨動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行電機(jī)沖擊載荷強(qiáng)度分析與驗(yàn)證

楊 軍，郭 晶，寧變芳，趙 昕，劉攀玲，劉 妙

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

隨動(dòng)系統(tǒng)是按照火控系統(tǒng)的指令瞄向目標(biāo)未來(lái)點(diǎn)的伺服系統(tǒng)，其性能優(yōu)劣直接影響火炮武器系統(tǒng)的精度、快速反應(yīng)能力，從而影響火炮武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能?；鹋陔S動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的工作環(huán)境比較惡劣，這不但影響電機(jī)的工作壽命，而且影響隨動(dòng)系統(tǒng)的精度性能。因此，執(zhí)行電機(jī)的沖擊載荷強(qiáng)度分析計(jì)算和驗(yàn)證，對(duì)保障電機(jī)電氣性能的正常運(yùn)行，提高火炮作戰(zhàn)能力具有十分重要的意義[1]。

筆者以某隨動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行電機(jī)的殼體為對(duì)象，采用船用設(shè)備等效靜力法的理論將動(dòng)載荷等價(jià)為靜載荷，用靜態(tài)的方法對(duì)執(zhí)行電機(jī)殼體進(jìn)行校核;根據(jù)執(zhí)行電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立包含螺栓預(yù)緊力、各連接部件間復(fù)雜接觸、螺栓與部件間接觸等的有限元模型，模擬40g加速度激勵(lì)，研究沖擊載荷對(duì)執(zhí)行電機(jī)結(jié)構(gòu)的影響；通過(guò)對(duì)執(zhí)行電機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析，獲得各個(gè)部件在加速度激勵(lì)下的應(yīng)力分布。

1 執(zhí)行電機(jī)有限元分析模型

1.1 執(zhí)行電機(jī)幾何模型建立

建立執(zhí)行電機(jī)幾何模型，如圖1所示。因執(zhí)行電機(jī)在炮塔內(nèi)安裝，火炮射擊時(shí)瞬時(shí)沖擊載荷直接傳遞給執(zhí)行電機(jī)殼體，電機(jī)總設(shè)計(jì)質(zhì)量900 kg，考慮到電機(jī)設(shè)計(jì)和仿真需求對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化掉轉(zhuǎn)子及軸結(jié)構(gòu)，將其質(zhì)量以質(zhì)點(diǎn)施加到軸承安裝位置。底座減薄位置處于受力惡劣部位，計(jì)算時(shí)增加模擬基座，可更真實(shí)地模擬底座連接螺栓部分的應(yīng)力[2]。

1.2 執(zhí)行電機(jī)有限元模型建立

利用ANSYS有限元分析軟件建立執(zhí)行電機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)便，省去了采用大型CAD軟件建模再導(dǎo)入ANSYS后簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的繁瑣過(guò)程，并且避免了模型元素的丟失問(wèn)題。模型約束主要依據(jù)執(zhí)行電機(jī)安裝到水平滑臺(tái)上的安裝方式，通過(guò)約束執(zhí)行電機(jī)法蘭面螺栓孔3個(gè)方向位移，及約束試驗(yàn)工裝位置殼體底面垂直方向位移以及沿沖擊方向支撐面法向位移，如圖2所示，執(zhí)行電機(jī)殼體各部分之間、螺栓與殼體之間通過(guò)定義接觸及進(jìn)行載荷傳遞。

執(zhí)行電機(jī)的主體材料為45#鋼，配件材料為1Cr13Mo，具體參數(shù)如表1所示[3]。

表1 材料參數(shù)

螺栓預(yù)緊力依據(jù)所選材料由式(1)得出。螺栓材料為1Cr13Mo，估算M20螺栓預(yù)緊力95 kN，M16螺栓預(yù)緊力60 kN，M24螺栓預(yù)緊力為133 kN，M30螺栓預(yù)緊力200 kN.

F0=(0.5～0.6)σsAs,

(1)

式中：σs為螺栓材料的屈服極限；As為螺栓公稱(chēng)應(yīng)力截面積。

1.3 建立執(zhí)行電機(jī)模型的關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)執(zhí)行的電機(jī)沖擊載荷進(jìn)行有限元計(jì)算分析時(shí)，需考慮電機(jī)殼體側(cè)向、軸向、垂向沖擊，為便于快速建立各種工況下的有限元模型，提高計(jì)算效率和減少重復(fù)建模的工作量，采取如下措施[4-6]：

1)對(duì)執(zhí)行電機(jī)有限元模型進(jìn)行參數(shù)化建模，達(dá)到快速計(jì)算和分析不同方向沖擊的設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)效率及質(zhì)量，降低設(shè)計(jì)成本等。

2)由于執(zhí)行電機(jī)殼體在承受加速度作用之前，已經(jīng)存在螺栓預(yù)緊力及自重引起的預(yù)應(yīng)力，先進(jìn)行施加螺栓預(yù)緊力與重力加速度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)構(gòu)存在的預(yù)應(yīng)力。等效靜力沖擊分析方法考慮設(shè)備剛性安裝時(shí)，將底座位移全約束。

3)在計(jì)算預(yù)應(yīng)力基礎(chǔ)上，按試驗(yàn)條件半正弦波，其峰值加速度為 40g，持續(xù)時(shí)間為 20 ms，其為我國(guó)海軍標(biāo)準(zhǔn)中炮上設(shè)備試驗(yàn)驗(yàn)證要求，計(jì)算加速度載荷作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

2 執(zhí)行電機(jī)沖擊載荷仿真分析

根據(jù)實(shí)際建立的模型對(duì)執(zhí)行電機(jī)殼體側(cè)向、軸向、垂向3個(gè)方向的沖擊載荷強(qiáng)度進(jìn)行仿真。

側(cè)向沖擊時(shí)，電機(jī)殼體受橫向剪切力作用，電機(jī)殼體高應(yīng)力主要集中在底座上下連接部分的螺栓孔邊沿處，所受最大應(yīng)力逐漸向電機(jī)軸伸方向遞減。尤其是長(zhǎng)貫穿螺栓孔邊沿處，最大等效應(yīng)力接近0.41 GPa，該部位較小區(qū)域應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)材料屈服極限，屈服極限為0.355 GPa，但小于材料強(qiáng)度極限，主要由螺栓預(yù)緊力引起；底座最大應(yīng)力出現(xiàn)在與安裝基座連接螺栓孔位置，最大應(yīng)力出現(xiàn)在M30螺栓孔邊沿位置，最大達(dá)到0.39 GPa，該位置局部較小區(qū)域應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)材料屈服極限。執(zhí)行電機(jī)殼體側(cè)向沖擊計(jì)算應(yīng)力結(jié)果，如圖3所示。

軸向沖擊時(shí)，電機(jī)殼體受軸向力作用，電機(jī)殼體高應(yīng)力主要集中在底座在與安裝基座底部連接螺栓孔位置，所受最大應(yīng)力逐漸向電機(jī)軸伸方向遞減，電機(jī)軸及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)受影響較大，本次只考慮次執(zhí)行電機(jī)殼體受沖擊載荷的影響。最大應(yīng)力出現(xiàn)在M30螺栓孔邊沿位置，最大達(dá)到0.35 GPa，該位置局部較小區(qū)域應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)材料屈服極限。方向電機(jī)殼體軸向沖擊計(jì)算應(yīng)力結(jié)果，如圖4所示。

垂向沖擊，同側(cè)向沖擊方向類(lèi)似受到橫向剪切力，最大等效應(yīng)力結(jié)果接近，均出現(xiàn)在電機(jī)殼體的底座上下螺栓連接處，高應(yīng)力區(qū)主要集中在螺栓孔邊沿處。方向電機(jī)殼體垂向沖擊計(jì)算應(yīng)力結(jié)果，如圖5所示。

應(yīng)用等效靜態(tài)法進(jìn)行沖擊分析時(shí)能夠突出考核重點(diǎn)，可分析在一恒定靜載荷下的危險(xiǎn)部位和響應(yīng)趨勢(shì)。將上述有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，如表2所示。

表2 應(yīng)力最大值計(jì)算結(jié)果匯總 GPa

3個(gè)軸向的沖擊載荷加載過(guò)程中，最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在電機(jī)殼體的底座上下螺栓連接處，高應(yīng)力區(qū)主要集中在螺栓孔邊沿處，所受最大應(yīng)力逐漸向電機(jī)軸伸方向遞減，執(zhí)行電機(jī)最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在底座上下兩端螺栓及螺栓安裝孔處。通過(guò)以上分析結(jié)果可知對(duì)電機(jī)殼體底座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)很有必要。首先通過(guò)增加螺栓孔處壁厚和對(duì)孔邊緣進(jìn)行倒圓角處理；其次通過(guò)對(duì)底座連接電機(jī)殼體部分和底部固定安裝方式優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)底座上下止口連接方式，使沖擊載荷一部分通過(guò)止口連接傳遞到底座本體，從而降低貫穿螺栓孔處和底座安裝螺栓孔處的高應(yīng)力；同時(shí)通過(guò)力矩扳手預(yù)緊，保證電機(jī)底座螺栓裝配時(shí)預(yù)緊力的一致，使螺栓受力均勻，減小最大應(yīng)力因螺栓孔局部區(qū)域的影響引起的殼體局部塑性變形；最后可對(duì)底座進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，進(jìn)一步提高其機(jī)械性能。

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

對(duì)執(zhí)行電機(jī)用夾具固定在水平滑臺(tái)上，如圖6所示。執(zhí)行電機(jī)質(zhì)量為900 kg，按試驗(yàn)條件加載半正弦波，峰值加速度為40g，三軸向沖擊。

試驗(yàn)加載曲線(xiàn)如圖7所示。

從圖7可以看出，側(cè)向加速度峰值37.49g，持續(xù)時(shí)間22.01 ms；軸向加速度峰值39.21g，持續(xù)時(shí)間18.55 ms；垂向加速度峰值38.65g，持續(xù)時(shí)間19.64 ms .對(duì)沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在試驗(yàn)大綱允許容差范圍內(nèi)， 3個(gè)軸向加速度峰值均略小于理論值40g要求，應(yīng)用等效靜態(tài)法對(duì)試驗(yàn)的加速度峰值應(yīng)力靜載荷計(jì)算，其最大值也略小于理論值。

試驗(yàn)加載符合大綱要求，沖擊試驗(yàn)后目測(cè)試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)無(wú)裂紋、狀態(tài)完好。執(zhí)行電機(jī)殼體等效應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)(即執(zhí)行電機(jī)殼體底座)沖擊試驗(yàn)后，上下兩端連接處和螺栓孔最大應(yīng)力集中處出現(xiàn)漆皮開(kāi)裂現(xiàn)象，經(jīng)探傷檢驗(yàn)電機(jī)殼體結(jié)構(gòu)完好，高應(yīng)力區(qū)無(wú)裂紋。執(zhí)行電機(jī)通電后可正常工作，電氣檢查后工作性能符合檢測(cè)指標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

以某隨動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行電機(jī)沖擊載荷強(qiáng)度有限元分析為背景，通過(guò)有限元仿真分析結(jié)果對(duì)執(zhí)行電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。通過(guò)沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證，執(zhí)行電機(jī)結(jié)構(gòu)和電氣工作性能符合檢測(cè)指標(biāo)，滿(mǎn)足某隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，為執(zhí)行電機(jī)電氣和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了仿真分析和試驗(yàn)支撐。