高頻電液振動臺用臺面的性能分析及優(yōu)化設(shè)計

岳小云

摘 ? 要：振動臺是測定材料、零件等性能及缺陷的儀器，是研究新材料、新工藝等領(lǐng)域的重要測試儀器，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、化工、建筑等領(lǐng)域。振動臺面是連接試件和活塞軸的關(guān)鍵零件，其性能嚴(yán)重影響振動臺的參數(shù)。文章通過對其臺面進(jìn)行分析，提出改進(jìn)舉措。

關(guān)鍵詞：振動臺;臺面;有限元分析;頻率

20世紀(jì)60年代，振動臺在我國面世。按激振方式可分為：機(jī)械式振動臺、電液式振動臺、電動式振動臺。按功能可分為：單自由度、多自由度兩類。按功能可分為：單一正弦振動試驗(yàn)臺和可完成正弦、隨機(jī)、正弦加隨機(jī)等振動試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的振動臺。機(jī)械式振動臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易于同計算機(jī)進(jìn)行自動編程，一旦制造完成，將無法按照具體工作要求進(jìn)行更改，實(shí)際應(yīng)用受到限制。電液式振動臺作用力大，適應(yīng)能力較強(qiáng)，配合計算機(jī)能任意改變試驗(yàn)波形，便于自動化控制。電動式振動臺波形種類較為單一。本文以電液振動臺作為研究對象。

1 ? ?電液試驗(yàn)臺工作原理

電液試驗(yàn)臺由2D閥、激振缸、臺座、驅(qū)動裝置、控制器等組成。2D閥驅(qū)動裝置受控于PC工控機(jī)頻率控制器及幅值控制器的命令信號。2D螺旋伺服閥通過控制液壓馬達(dá)的流量，輸出對應(yīng)扭矩帶動2D閥閥芯旋轉(zhuǎn)，以此達(dá)到控制振動臺的工作頻率。幅值信號通過控制電機(jī)輸出端偏心輪驅(qū)動2D閥閥芯軸向運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)振幅控制[1]。

2 ? ?電液振動臺特點(diǎn)

（1）靜壓軸承選用復(fù)合塑料結(jié)構(gòu)。該軸承摩擦系數(shù)極小，能夠承受大的偏載，由于摩擦系數(shù)小，可在高速、高頻振動的工況下長時間運(yùn)行。

（2）選用大徑活塞桿，強(qiáng)度高、抗彎能力優(yōu)越。

（3）缸筒壁厚較大，橫向剛度性能好。

（4）傳感器可采取內(nèi)置或外置模式。

3 ? ?高頻電液振動臺臺面

3.1 ?高頻電液振動臺臺面設(shè)計原則

高頻電液振動臺臺面主要功能是連接試件和活塞軸，其性能對振動臺參數(shù)影響較大。臺面的功能及設(shè)計要求主要有以下幾點(diǎn)：（1）臺面具有足夠的強(qiáng)度，能將被測試件與振動臺可靠連接。（2）臺面?zhèn)鲗?dǎo)性能優(yōu)良，能均勻的船體激振特性至測試件。

實(shí)現(xiàn)以上功能，設(shè)計時必須全面考慮臺面設(shè)計參數(shù)。臺面均勻傳導(dǎo)，需要臺面的固有頻率遠(yuǎn)高于振動臺的工作頻率，避免頻率接近發(fā)生共振現(xiàn)象。臺面的重量與振動臺的出力成正比，臺面重量越大，而振動臺的功率一定，對試件的出力會縮減。因此，設(shè)計臺面時必須注重質(zhì)量優(yōu)化設(shè)計[2]。

通常臺面的設(shè)計主要采用類比設(shè)計方式。雖然在實(shí)際工作中能夠達(dá)到使用要求，但是未對臺面進(jìn)行分析，未進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而造成振動臺資源浪費(fèi)[3]。為此，本研究決定對臺面進(jìn)行分析、計算、仿真，在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)方案，實(shí)現(xiàn)臺面優(yōu)化設(shè)計。

3.2 ?有限元計算

采用有限元法進(jìn)行計算，將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行離散，分成諸多小單元，單元間以節(jié)點(diǎn)相連，考慮節(jié)點(diǎn)間的平衡條件，從而得出整體結(jié)構(gòu)的方程式，求出節(jié)點(diǎn)位移、形變及應(yīng)力。劃分的單元、形狀可變，盡可能地符合實(shí)體結(jié)構(gòu)，以便得出的數(shù)據(jù)能反映真實(shí)情況。

有限元程序能計算出結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變場的詳細(xì)分布情況，以精確計算作為設(shè)計的參考數(shù)據(jù)，得出何處加強(qiáng)、何處削弱，以合理的結(jié)構(gòu)形式，充分利用材料。既達(dá)到臺面的強(qiáng)度、剛度，同時又減輕了臺面結(jié)構(gòu)質(zhì)量，節(jié)約了材料。實(shí)現(xiàn)設(shè)計有據(jù)可依，避免盲目性。

4 ? ?問題提出

通常，以固有頻率作為衡量臺面重量及形變的指標(biāo)。固有頻率、剛度及質(zhì)量關(guān)系表達(dá)式為：

式中，f為結(jié)構(gòu)的固有頻率，K為剛度，m為質(zhì)量。由此表達(dá)式可得出：K大且m較小時，結(jié)構(gòu)固有頻率越高。因此，在滿足結(jié)構(gòu)形變的前提下，要提升臺面的可適應(yīng)性，需盡量減少臺面質(zhì)量。

5 ? ?臺面結(jié)構(gòu)說明

研究分析的臺面為存有8個異形通孔的鋼制圓盤。臺面的上表面存有若干螺紋孔，內(nèi)圈沉孔用于活塞桿連接，中心較大圓孔用于安置位移傳感器。臺面主要參數(shù)如下：材質(zhì)為鋼;密度為7 850 kg/m3;質(zhì)量為76 kg;厚度為81 mm;彈性模量E為2.0 Gpa;泊松比為0.30。

6 ? ?計算結(jié)果與分析

6.1 ?計算結(jié)果

通過建模和相關(guān)計算，可得知臺面的固有頻率。參數(shù)如表1所示。臺面有限元分析結(jié)論如下，模態(tài)1：755.5;模態(tài)2：755.63;模態(tài)3：1 171.3;模態(tài)4：1 432.7;模態(tài)5：1 433.1;模態(tài)6：1 899.6。

通過計算可知：臺面的固有頻率為755.63 Hz。在保持一階鼓勵有頻率不降低的前提下，可采用改變臺面結(jié)構(gòu)，達(dá)到減少臺面重量的目的。

6.2 ?臺面重量減少后的有限元分析

結(jié)果表明：臺面的表面類似于薄板，底部舍友8個加強(qiáng)筋，呈輻射狀，繼續(xù)保留安裝螺釘及孔（沉孔、通孔）。

減輕后的臺面有限元分析結(jié)論如表2所示，模態(tài)1：782.63;模態(tài)2：783.12;模態(tài)3：943.61;模態(tài)4：950.20;模態(tài)5：951.16;模態(tài)6：1 220.1。臺面質(zhì)量減輕后，一階固有頻率為782.63 Hz，臺面質(zhì)量降至47.29 kg，減重幅值達(dá)38.5%。

6.3 ?進(jìn)一步提升臺面一階固有頻率

提高臺面一階固有頻率，不但要改良臺面結(jié)構(gòu)形式，而且需要剛度更好的材料。譬如：鋁、鎂、鋁鎂合金，物理特性如表3所示。材料比密度大，說明可以設(shè)計出質(zhì)量輕而剛度大的臺面。

結(jié)構(gòu)表明：臺面的表面可通過加設(shè)薄板，適度加大底部加強(qiáng)筋數(shù)目，并適度提高臺面的高度，保留中間通孔[4]。計算結(jié)論如表4所示，材料使用鋁合金，質(zhì)量為52 kg。

通過數(shù)據(jù)分析得知，進(jìn)一步改進(jìn)后臺面的固有頻率達(dá)到2 015.6 Hz，較未改之前大幅度提升，并且質(zhì)量也有所減輕。

7 ? ?結(jié)語

通過有關(guān)計算，得出提臺面提高固有頻率的方法有以下幾點(diǎn)：（1）選擇大塊薄板增設(shè)加強(qiáng)筋，筋板的高度起到提高臺面固有頻率的作用。（2）盡量避免臺面上開孔，尤其是通孔。（3）選擇鋁鎂等剛度大的材料作為臺面的制造材料。

[參考文獻(xiàn)]

[1]孫俊磊，高英杰，管晴晴.高頻電液振動臺的模型參考自適應(yīng)控制的研究[C].北京：第五屆全國流體傳動與控制學(xué)術(shù)會議暨2008年中國航空學(xué)會液壓與氣動學(xué)術(shù)會議，2008.

[2]郝巖研，竇雪川，楊志鵬，等.地基對電液振動臺性能的影響分析[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017（2）：143-147.

[3]萬凱，王萍，朱冬云.電液振動臺控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].儀器儀表用戶，2012（4）：1-5.

[4]胡志強(qiáng).高頻大負(fù)載電液振動臺的設(shè)計理論及實(shí)踐[J].航空精密機(jī)械工程，1984（3）：50-58.