高頻電液振動臺用臺面的性能分析及優化設計

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、新工藝等領域的重要測試儀器，廣泛應用于機械、冶金、化工、建筑等領域。振動臺面是連接試件和活塞軸的關鍵零件，其性能嚴重影響振動臺的參數。文章通過對其臺面進行分析，提出改進舉措。

關鍵詞：振動臺;臺面;有限元分析;頻率

20世紀60年代，振動臺在我國面世。按激振方式可分為：機械式振動臺、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：單一正弦振動試驗臺和可完成正弦、隨機、正弦加隨機等振動試驗和沖擊試驗的振動臺。機械式振動臺結構復雜不易于同計算機進行自動編程，一旦制造完成，將無法按照具體工作要求進行更改，實際應用受到限制。電液式振動臺作用力大，適應能力較強，配合計算機能任意改變試驗波形，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 ? ?電液試驗臺工作原理

電液試驗臺由2D閥、激振缸、臺座、驅動裝置、控制器等組成。2D閥驅動裝置受控于PC工控機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的流量，輸出對應扭矩帶動2D閥閥芯旋轉，以此達到控制振動臺的工作頻率。幅值信號通過控制電機輸出端偏心輪驅動2D閥閥芯軸向運動，實現振幅控制[1]。

2 ? ?電液振動臺特點

（1）靜壓軸承選用復合塑料結構。該軸承摩擦系數極小，能夠承受大的偏載，由于摩擦系數小，可在高速、高頻振動的工況下長時間運行。

（2）選用大徑活塞桿，強度高、抗彎能力優越。

（3）缸筒壁厚較大，橫向剛度性能好。

（4）傳感器可采取內置或外置模式。

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影響較大。臺面的功能及設計要求主要有以下幾點：（1）臺面具有足夠的強度，能將被測試件與振動臺可靠連接。（2）臺面傳導性能優良，能均勻的船體激振特性至測試件。

實現以上功能，設計時必須全面考慮臺面設計參數。臺面均勻傳導，需要臺面的固有頻率遠高于振動臺的工作頻率，避免頻率接近發生共振現象。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，設計臺面時必須注重質量優化設計[2]。

通常臺面的設計主要采用類比設計方式。雖然在實際工作中能夠達到使用要求，但是未對臺面進行分析，未進行優化設計，從而造成振動臺資源浪費[3]。為此，本研究決定對臺面進行分析、計算、仿真，在此基礎上提出改進方案，實現臺面優化設計。

3.2 ?有限元計算

采用有限元法進行計算，將復雜的結構形狀進行離散，分成諸多小單元，單元間以節點相連，考慮節點間的平衡條件，從而得出整體結構的方程式，求出節點位移、形變及應力。劃分的單元、形狀可變，盡可能地符合實體結構，以便得出的數據能反映真實情況。

有限元程序能計算出結構應力應變場的詳細分布情況，以精確計算作為設計的參考數據，得出何處加強、何處削弱，以合理的結構形式，充分利用材料。既達到臺面的強度、剛度，同時又減輕了臺面結構質量，節約了材料。實現設計有據可依，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。固有頻率、剛度及質量關系表達式為：

式中，f為結構的固有頻率，K為剛度，m為質量。由此表達式可得出：K大且m較小時，結構固有頻率越高。因此，在滿足結構形變的前提下，要提升臺面的可適應性，需盡量減少臺面質量。

5 ? ?臺面結構說明

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。臺面主要參數如下：材質為鋼;密度為7 850 kg/m3;質量為76 kg;厚度為81 mm;彈性模量E為2.0 Gpa;泊松比為0.30。

6 ? ?計算結果與分析

6.1 ?計算結果

通過建模和相關計算，可得知臺面的固有頻率。參數如表1所示。臺面有限元分析結論如下，模態1：755.5;模態2：755.63;模態3：1 171.3;模態4：1 432.7;模態5：1 433.1;模態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，可采用改變臺面結構，達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

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

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

6.3 ?進一步提升臺面一階固有頻率

提高臺面一階固有頻率，不但要改良臺面結構形式，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，說明可以設計出質量輕而剛度大的臺面。

結構表明：臺面的表面可通過加設薄板，適度加大底部加強筋數目，并適度提高臺面的高度，保留中間通孔[4]。計算結論如表4所示，材料使用鋁合金，質量為52 kg。

通過數據分析得知，進一步改進后臺面的固有頻率達到2 015.6 Hz，較未改之前大幅度提升，并且質量也有所減輕。

7 ? ?結語

通過有關計算，得出提臺面提高固有頻率的方法有以下幾點：（1）選擇大塊薄板增設加強筋，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]

[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控制的研究[C].北京：第五屆全國流體傳動與控制學術會議暨2008年中國航空學會液壓與氣動學術會議，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].兵器裝備工程學報，2017（2）：143-147.

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

[4]胡志強.高頻大負載電液振動臺的設計理論及實踐[J].航空精密機械工程，1984（3）：50-58.