微特電機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

簡(jiǎn)小康

本論文獲得“小型高轉(zhuǎn)矩密度伺服電機(jī)研制與測(cè)試技術(shù)研究”科研項(xiàng)目的支持。

摘要：在微特電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)電機(jī)）振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)夾具發(fā)揮著極為重要的作用，夾具設(shè)計(jì)是否合理對(duì)試驗(yàn)結(jié)果具有決定性影響。本文根據(jù)電機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從夾具的結(jié)構(gòu)形式、材料選擇等幾個(gè)方面展開(kāi)指導(dǎo)夾具的設(shè)計(jì)。使用Ansys軟件對(duì)夾具進(jìn)行模態(tài)分析，并對(duì)夾具進(jìn)行了模態(tài)驗(yàn)證測(cè)試，得到了較為優(yōu)質(zhì)的試驗(yàn)夾具。

關(guān)鍵詞：微特電機(jī);振動(dòng)試驗(yàn);夾具;模態(tài)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TG75文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-9129（2020）14-0142-02

1引言

在振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)夾具是振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)與被試件之間的轉(zhuǎn)接裝置，起到模擬電機(jī)真實(shí)裝機(jī)狀態(tài)、傳遞振動(dòng)能量、保護(hù)電機(jī)的作用。因此，夾具的設(shè)計(jì)非常重要，不合理的夾具設(shè)計(jì)、制造及安裝可能造成“過(guò)試驗(yàn)”或“欠試驗(yàn)”，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果失效，也可能造成試驗(yàn)效率低和試驗(yàn)成本高等問(wèn)題。本文針對(duì)電機(jī)的振動(dòng)試驗(yàn)，從設(shè)計(jì)原則、材料選擇、強(qiáng)度校核等方面闡述了夾具的設(shè)計(jì)過(guò)程，并采用錘擊法對(duì)夾具進(jìn)行了模態(tài)測(cè)試驗(yàn)證。

2夾具的靜態(tài)設(shè)計(jì)

在夾具的靜態(tài)設(shè)計(jì)方面，夾具應(yīng)能將被試件固定在試驗(yàn)臺(tái)上，起到振動(dòng)傳遞的效果，但夾具的靜態(tài)設(shè)計(jì)不僅僅考慮這一點(diǎn)，優(yōu)質(zhì)夾具的靜態(tài)設(shè)計(jì)內(nèi)容還應(yīng)包括以下幾個(gè)方面。

（1）夾具的固定。一般產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)都涉及到X、Y、Z三個(gè)方向，所以設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分考慮夾具各方向的安裝便捷性和可行性。

（2）傳感器的粘貼。振動(dòng)傳感器是采集振動(dòng)量值的主要工具，進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)考慮傳感器粘貼位置的安裝方便性及采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

（3）試件的安裝。夾具的設(shè)計(jì)不僅要保證夾具與振動(dòng)臺(tái)的剛性連接，而且要方便產(chǎn)品的安裝，起到事半功倍的效果。

（4）通用性。夾具的生產(chǎn)加工，不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且需要大量的成本，應(yīng)盡量減少夾具的數(shù)量。

（5）經(jīng)濟(jì)性。夾具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮加工、材料利用率等方面的經(jīng)濟(jì)性。

3夾具的動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)

振動(dòng)試驗(yàn)中，由于連接、安裝等因素的影響，造成各部件之間總是存在一定彈性系數(shù);應(yīng)將試驗(yàn)件看成彈性體來(lái)分析，彈性體在外部能量的激振下，可能發(fā)生共振，造成“欠試驗(yàn)”或“過(guò)試驗(yàn)”。所以，應(yīng)對(duì)夾具進(jìn)行單獨(dú)的動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

3.1夾具的剛度設(shè)計(jì)。為降低共振的可能性，應(yīng)盡可能選擇鋼質(zhì)比大的材料。適合用于夾具制作的材料有鎂、鋁、鋼及它們的合金。相比于鋼材的低鋼質(zhì)比和鎂的高價(jià)格，鋁及其合金更適合用于振動(dòng)試驗(yàn)夾具的制作。

3.2夾具的重心設(shè)計(jì)。夾具的重心、試件的重心、試驗(yàn)臺(tái)的激振中心，這三點(diǎn)應(yīng)盡量做到“三點(diǎn)一線”，且?jiàn)A具相對(duì)于臺(tái)面的重心應(yīng)盡量低。

3.3夾具的質(zhì)量設(shè)計(jì)。振動(dòng)試驗(yàn)是在一個(gè)模擬振動(dòng)發(fā)生的試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行的，當(dāng)選定一臺(tái)設(shè)備后，其推力F1是一定的，此時(shí)，夾具的質(zhì)量可以根據(jù)產(chǎn)品的重量m產(chǎn)品及試驗(yàn)量級(jí)g來(lái)設(shè)計(jì)。若產(chǎn)品試驗(yàn)加速度峰值為g，則振動(dòng)臺(tái)的實(shí)際推力F等于所有結(jié)構(gòu)體的總質(zhì)量乘以加速度峰值，實(shí)際推力F應(yīng)小于試驗(yàn)臺(tái)的額定F1，在滿(mǎn)足要求的情況下，應(yīng)將夾具的質(zhì)量設(shè)計(jì)小，但也不是越小越好，一般來(lái)講，夾具的質(zhì)量最好是被試件質(zhì)量的2～4倍。

4夾具的仿真設(shè)計(jì)

本次以某型永磁直流電動(dòng)機(jī)為例，其機(jī)座號(hào)為φ36mm、長(zhǎng)度為55mm，端面安裝止口尺寸φ28mm。根據(jù)產(chǎn)品的試驗(yàn)規(guī)范要求，按照GJB 361B-2015中3.23條下表3規(guī)定的條件A進(jìn)行正弦試驗(yàn)，并按GJB360B-2009中214-1規(guī)定的譜型進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，加速度譜密度為28.8（m/s2）2/Hz，總均方根加速度值為207.1m/s2。

4.1建立仿真分析模型。根據(jù)產(chǎn)品的尺寸大小、安裝方式和產(chǎn)量，確定該夾具為長(zhǎng)期使用，任務(wù)重、使用頻繁。所以，設(shè)計(jì)該夾具為回型結(jié)構(gòu)，外形尺寸為300mm×300mm×250mm，板厚為20mm，材料為鋁，加工方法采用整體加工，使用NX10.0建立夾具的有限元分析模型如下圖1所示。

4.2前處理。使用Ansys workbench軟件進(jìn)行有限元仿真分析，使用自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能，網(wǎng)格數(shù)量為219795，利用軟件自帶的材料庫(kù)定義材料為鋁，邊界條件設(shè)置為底面固定約束。

4.3模態(tài)仿真與分析。對(duì)夾具的前4階固有頻率進(jìn)行分析，得出前4階固有頻率分別為1034.6Hz、1282.8Hz、1331.2Hz、1840.4Hz。其一階固有頻率為1034.6Hz，遠(yuǎn)大試驗(yàn)條件規(guī)定的掃頻頻率500Hz，滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

4.4隨機(jī)振動(dòng)仿真分析。使用Ansys Random Vibration模塊對(duì)夾具進(jìn)行振動(dòng)分析，設(shè)定輸入隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)，分析夾具在試驗(yàn)過(guò)程中所受到的應(yīng)力，得出夾具的X、Y、Z三個(gè)方向的最大應(yīng)力分別為13.6Mpa、24.9Mpa、10.7Mpa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度280Mpa，夾具的強(qiáng)度也滿(mǎn)足要求。

5夾具的優(yōu)化

5.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化?？紤]被試件的安裝及整體加工成型的方法，結(jié)合產(chǎn)品的安裝便捷性，設(shè)計(jì)以下兩套優(yōu)化方案。

優(yōu)化方案1：將夾具的尺寸設(shè)計(jì)為210mm×210mm×210mm，板厚為20mm。

優(yōu)化方案2：在無(wú)產(chǎn)品安裝的面上開(kāi)孔φ100mm的孔以減重。

優(yōu)化后，計(jì)算前4階固有頻率，結(jié)果見(jiàn)下表2所示。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，按方案1優(yōu)化后夾具的一階固有頻率有所提高，且相比優(yōu)化前，夾具的尺寸更小，重量減少了54.8%。按方案2優(yōu)化后夾具的一階固有頻率基本保持不變，但夾具的重量降低不明顯，加工成本依然較高。因此，確定優(yōu)化方案1作為最終設(shè)計(jì)方案。

5.2強(qiáng)度校核。為驗(yàn)證優(yōu)化后夾具的強(qiáng)度是否滿(mǎn)足試驗(yàn)需要，按4.4節(jié)中隨機(jī)振動(dòng)分析方法進(jìn)行強(qiáng)度核算，得出X、Y、Z三個(gè)方向的局部最大應(yīng)力分別為9.07Mpa、15.9Mpa、11.6Mpa，最大應(yīng)力仍然是遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度280Mpa，強(qiáng)度安全裕度大，滿(mǎn)足振動(dòng)試驗(yàn)要求。

6試驗(yàn)驗(yàn)證

為了排除振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)及被測(cè)件對(duì)夾具模態(tài)的影響，采用錘擊法對(duì)夾具進(jìn)行模態(tài)測(cè)試。得出夾具的前四階頻率分別為1218.7Hz、1563.4Hz、1734.5Hz、2113.9Hz。將測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，得出前4階固有頻率平均誤差為6.55%。然后，將夾具安裝于試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，得出譜線均在控制線范圍內(nèi)，檢查夾具無(wú)損傷及其它損壞現(xiàn)象，符合試驗(yàn)需求。

7結(jié)語(yǔ)

振動(dòng)試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)涉及到多個(gè)方面，包括安裝、振動(dòng)量值傳遞、經(jīng)濟(jì)性等。因此，夾具設(shè)計(jì)師在電機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中扮演著非常重要的角色，需要不斷累積經(jīng)驗(yàn)。傳統(tǒng)的夾具設(shè)計(jì)只能憑設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)，工作量大，設(shè)計(jì)出的夾具經(jīng)常返工返修。本文根據(jù)J36電機(jī)的振動(dòng)試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)，利用有限元仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了夾具的設(shè)計(jì)效率，保證了型號(hào)的試驗(yàn)需要。采用錘擊法對(duì)夾具進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，得出的試驗(yàn)結(jié)果相比于掃頻測(cè)試也更為準(zhǔn)確，介紹的設(shè)計(jì)方法為電機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]振動(dòng)試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J]，科技咨詢(xún)導(dǎo)報(bào)，王偉，李鐵楠.2007（11）：10-11.

[2]力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)[M].邢天虎.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[3]振動(dòng)試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J]，于韶明，衛(wèi)國(guó)，楊峰，都京.北京：裝備環(huán)境工程，2014.

[4]振動(dòng)試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)與使用探討[S]，高玉玲，劉艷萍，馬燕.北京：可靠性學(xué)會(huì)年會(huì)，2016.

[5]機(jī)載裝置的振動(dòng)試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)[J]，程來(lái)，宋言明，楊洋.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2012（6）：56-60.

[6]振動(dòng)試驗(yàn)夾具仿真與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析[J]，王鵬，鄧華.第25屆全國(guó)振動(dòng)與噪聲高技術(shù)及應(yīng)用會(huì)議論文選集，2012.

[7]基于特征的夾具設(shè)計(jì)校驗(yàn)方法研究[J]，尚村，廖文和.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（6）：231-233.