某激振器安裝機構的強度分析

鄭鶴飛，陳金業，王德鑫，宋　軍

(南京模擬技術研究所，江蘇南京210016)

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某激振器安裝機構的強度分析

鄭鶴飛，陳金業，王德鑫，宋軍

(南京模擬技術研究所，江蘇南京210016)

摘要：為設計某激振器安裝機構，對該機構的傳動絲桿組件的強度進行理論分析，基于ANSYS軟件，對安裝機構的三腳架進行應力分析，得到該安裝機構的最大應力位置和最大應力分布，從而優化該機構的設計方案，該機構已成功應用于某激振器安裝。該方法可為其它結構設計提供借鑒。

關鍵詞:激振器安裝機構強度分析

0引言

激勵是研究振動系統特性的一種有效的試驗輸入方式[1]，而激振器是一種用于結構振動試驗中激發試驗對象產生強迫振動的試驗設備。激振器的安裝可以是軟支持方式，也可以是硬支持方式。傳統的激振器在安裝架上使用時，采用的是硬性連接方式，導致安裝架在使用一段時間后會發生松動，從而影響激振器的工作性能。因此，在激振器安裝架的設計過程中，應對主要承力部件進行強度校核，從而為安裝架結構設計、零部件尺寸的選擇提供有效的力學依據。

某激振器安裝架由固定平臺、支撐腳機構、絲桿滑動機構等組成。根據激振器安裝架使用要求，該安裝架在正常工作狀態下，承受來自上端固定的激振器重力和激振器工作時產生的激振力。通過分析該安裝架的外部受力情況，根據典型工況，對其主要承力部件進行逐一校核，包括激振器安裝架的外伸絲桿和底部支架三角架的強度分析[2-3]。

1安裝機構

1.1工作原理

該結構在于對振動試驗時提供一種激振器的安裝固定裝置，能快速地安裝和固定激振器，方便調節激振器的高度和角度，從而能準確地連接被測試對象。由于要求設計為手動方式，考慮到實際操作時要提高效率，減輕手動的工作強度，故而放棄滑動摩擦方式而采用效率更高的滾動運動方式的滾珠絲杠。

其主要的工作原理是采用滾珠絲杠結構，將旋轉的運動轉變為直線運動，通過絲杠的直線運動帶動激振器舉升到合適的工作高度，然后旋動鎖止銷、鎖止結構來保證穩固定位。整個結構采用可拆卸結構，運輸時拆卸成幾個組件，使用時再將各個部件組裝成完整的結構。其結構如圖1所示。

圖1　激振器安裝機構

1.2系統優點

可以安裝不同量級的激振器，提供手動升降裝置，能手動將頂部安裝的激振器舉升至規定的高度，保證頂部激振器在空中穩定、安全地工作；該系統可以轉動任意角度，能靈活移動，同時能穩固定位，保證激振器在激振過程不產生晃動；該系統升降運動平穩、自如，無沖擊、抖動，且具有可靠的鎖止功能，升起后能夠在伸縮區間任意高度和一定方向上鎖定激振器并保持可靠工作。

該系統調節靈活、固定可靠、安裝簡單、結構緊湊，方便外場使用，適應性較好。

2強度分析

2.1絲桿的強度分析

圖2　絲桿外伸部分受力情況

固定平臺組件上固定試驗用激振器，通過絲桿傳動，安裝架平臺上升或下降到不同的位置，從而保證激振器對試驗件的激振要求。當安裝架達到最大上升高度時，此時絲桿外伸L=400 mm；絲桿的受力為：激振器自身重量G和激振器工作狀態下產生的最大激振力F，絲桿處于最不安全狀態，因此需對此狀態下的強度、剛度及穩定性進行校核。根據絲桿的工作工況，將該絲桿理論簡化為懸臂梁結構，受力形式如圖2所示。

按前述最不安全狀態計算，此時安裝架上固定的激振器質量為50 kg(等效重量載荷G=500 N)，側向激振力為F=500 N，絲桿截面為圓形截面，直徑為32 mm，材料屬性為鋼材，材料參數如表1。

表1

絲桿材料參數表

絲桿在工作狀態承受彎、壓組合的載荷作用，根據懸臂梁理論[4-5]，應力計算公式為：

(1)

式中，A為絲桿受力位置的截面積；I為慣性矩；y為懸臂梁距固定點位移。根據圖1所示，當y=400mm時，具有最大應力。

根據圖1所示，絲桿最大撓度存在固定端處，根據懸臂梁結構理論，最大撓度為：

(2)

當絲桿上升到最高極限位置(即絲桿外伸400mm)時，外伸部分長度遠大于其截面直徑，故應該考慮其穩定性；根據絲桿的簡化模型，其長度系數為μ=2，臨界力Fcr為：

(3)

由式(1)-(3)，計算得到絲桿強度、剛度和穩定性，如表2所示。絲桿強度、剛度及穩定性指標皆滿足使用要求。

表2

絲桿強度、剛度及穩定性校核載荷表

2.2三腳架的強度分析

三腳架是結構的主要承力部分，其強度是否滿足要求，直接影響安裝機構的設計好壞。由于該三腳架結構比較復雜，因此采用有限元分析方法對其在工作狀態下的受力情況進行校核。三腳架結構如圖3所示。

圖3　三腳架結構圖

基于ANSYS通用有限元軟件，對三腳架的結構特點進行網格劃分。采用四節點solid45單元對其進行網格劃分，為了模擬實際三角結構，將三腳架末端螺栓口采用固定約束，在架子最危險狀態工作載荷下，通過MPC184單元將作用力傳遞到上端螺栓孔位置。具體網格劃分如圖4所示。

圖4　有限元網格劃分及工況示意圖

該安裝架在最危險工作狀態時，三腳架承受的力由兩部分組成：來自結構整體自身重力和激振器工作狀態時產生的激振力。綜合此兩類力的考慮，在重力方向的力取100 kg(激振器自重50 kg，架子自重約48 kg，校核時按100 kg校核)，側向激振力按最大時取50 kg。

圖5　三腳架應力最大位置云圖

基于ANSYS軟件計算的單個三腳架和整體三腳架的應力云圖如圖5和圖6所示。根據計算結果可知，三腳架整體承受的應力為68.65 MPa，最大應力產生在三腳架底部螺栓位置。三腳架采用一般鋼材制造，其屈服極限在800 MPa，該三腳架的安全系數在10以上，滿足強度要求。

圖6　三腳架整體應力云圖

3結果分析

通過以上計算分析，其激振器安裝架的主要承力和零部件尺寸、強度滿足要求，可以采用該尺寸進行設計。由于該激振器在工作狀態下承受的為交變載荷，因此在整體結構設計完成以后，有必要對其動力學特性進行驗證，避免在工作中出現共振等現象。

參考文獻

[1]聞邦椿，李以農，徐培民.工程非線性振動[M].北京：科學出版社, 2007.

[2]姜年朝.ANSYS和ANSYS/FE-SAFE軟件的工程應用及實例[M]. 南京：河海大學出版社, 2006.

[3]王富恥，張朝輝.ANSYS 10.0有限元分析理論與工程應用[M].北京：電子工業出版社，2006.

[4]單輝祖. 材料力學[M]. 北京：高等教育出版社, 2009.

[5]機械設計手冊編委會.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2007.

Strength analysis of the installation mechanism of an vibration exciter

ZHENG Hefei，CHEN Jinye，WANG Dexin，SONG Jun

Abstract:In order to design an installation mechanism for a vibration exciter, we analyzed the strength of the ball screw subassembly of the mechanism. Then ANSYS was used to analyze the stress of the tripod structure of the mechanism, and the design of the installation mechanism was optimized according to the maximum stress spot and stress distribution obtained. The newly designed installation mechanism has been successfully applied to a vibration exciter. This method could provide reference for the design of other mechanisms.

Keywords:vibration exciter; installation mechanism; strength analysis

收稿日期：2015-09-07

作者簡介：鄭鶴飛，男，工程師，研究方向為機械設計和分析。

中圖分類號：V215.2

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)02-0019-03