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(華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢　430074)

引言

液壓阻尼器是一種對(duì)速度反應(yīng)靈敏的振動(dòng)控制裝置，廣泛應(yīng)用于核電站和火電廠(chǎng)的管道及設(shè)備，能夠控制沖擊性的流體振動(dòng)和地震激擾的管系振動(dòng)[1]。為檢測(cè)阻尼器的性能指標(biāo)，需要設(shè)計(jì)液壓阻尼器試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試。針對(duì)500 t大型液壓阻尼器試驗(yàn)臺(tái)架，其最大加載力需達(dá)到8600 kN，同時(shí)需要兼顧不同規(guī)格阻尼器性能測(cè)試，這使試驗(yàn)臺(tái)架不僅輸出加載力較大， 而且需要能夠調(diào)整不同規(guī)格測(cè)試件安裝空間。目前國(guó)內(nèi)低噸位阻尼器試驗(yàn)臺(tái)架，均采用了雙導(dǎo)向柱機(jī)架結(jié)構(gòu)形式，以實(shí)現(xiàn)其自封閉受力[2-4]。文獻(xiàn)[2]針對(duì)100 t阻尼器試驗(yàn)臺(tái)架采用不同長(zhǎng)度加長(zhǎng)桿對(duì)安裝空間進(jìn)行調(diào)整，該方法雖然簡(jiǎn)單，但受限于加長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度，安裝空間不能自由調(diào)整。文獻(xiàn)[3,4]分別針對(duì)100 t和300 t阻尼器試驗(yàn)臺(tái)架采用自由位置夾緊方式，通過(guò)液壓夾緊裝置對(duì)安裝空間進(jìn)行調(diào)整，夾緊不僅簡(jiǎn)便可靠，而且可對(duì)安裝空間進(jìn)行自由調(diào)整。綜合上述分析，本研究采用自封閉受力和自由位置夾緊方式對(duì)臺(tái)架進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)架的功能需求。

1　試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的臺(tái)架輸出加載力最大需達(dá)8600 kN，若采用雙導(dǎo)向柱結(jié)構(gòu)，在保證導(dǎo)向柱剛度和強(qiáng)度滿(mǎn)足時(shí)，導(dǎo)向柱尺寸較大，這使得其加工及安裝困難，同時(shí)會(huì)增加安裝調(diào)整裝置的設(shè)計(jì)難度，因此為簡(jiǎn)化機(jī)架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種臥式四導(dǎo)向柱結(jié)構(gòu)。針對(duì)其四導(dǎo)向柱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的自由夾緊裝置。為滿(mǎn)足該試驗(yàn)臺(tái)架輸出加載力大及試驗(yàn)件安裝空間可調(diào)的功能需求，設(shè)計(jì)了如圖1所示結(jié)構(gòu)形式的臺(tái)架。

1.加載液壓缸　2.前支座　3.導(dǎo)向柱　4.后支座　5.夾緊液壓缸　6.直線(xiàn)導(dǎo)軌圖1　試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)臺(tái)架主要由加載液壓缸、前支座、導(dǎo)向柱、后支座、夾緊液壓缸及直線(xiàn)導(dǎo)軌等組成。其主要工作原理為：后支座在直線(xiàn)導(dǎo)軌上沿導(dǎo)向柱移動(dòng)，自由調(diào)整試驗(yàn)件安裝空間；試驗(yàn)件安裝完成后，在夾緊液壓缸液壓力作用下后支座發(fā)生變形，與導(dǎo)向柱接觸，從而產(chǎn)生相應(yīng)的夾緊摩擦力；之后通過(guò)伺服控制元件控制加載缸，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行性能測(cè)試。

對(duì)于圖1所示臺(tái)架結(jié)構(gòu)，其前支座部分與地面固定，受力復(fù)雜，對(duì)其強(qiáng)度和剛度需重點(diǎn)關(guān)注。簡(jiǎn)化受力，進(jìn)行有限元仿真，針對(duì)其強(qiáng)度和剛度分析，得到其應(yīng)力云圖及位移云圖分別如圖2和圖3所示。

從應(yīng)力云圖中可知，前支座整體受力均勻，最大應(yīng)力主要集中加載缸中心線(xiàn)位置附近，應(yīng)力達(dá)到138 MPa，材料選用普通鑄鋼，安全系數(shù)為1.8；前支座與地面的接觸面上存在較小的應(yīng)力，作用力較小。

圖2　臺(tái)架前支座仿真應(yīng)力云圖

圖3　臺(tái)架前支座位移云圖

從位移云圖中可知，前支座整體變形較??；離固定面越遠(yuǎn)處，其位移越大，最大為2 mm；加載缸安裝面上最大的位移大約為0.5 mm，相對(duì)于加載缸外徑850 mm 而言較小，液壓缸傾斜角較小，其產(chǎn)生的側(cè)向力較小，不會(huì)對(duì)活塞桿造成破壞。

由前支座靜態(tài)分析結(jié)果可知，其強(qiáng)度安全系數(shù)為1.8，大于靜載荷要求的1.5，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求；前支座變形較小，剛度滿(mǎn)足輸出加載力較大的需求。

2　夾緊力影響因素分析及設(shè)計(jì)

2.1　液壓夾緊裝置設(shè)計(jì)

圖1所示試驗(yàn)臺(tái)架通過(guò)后支座的移動(dòng)對(duì)安裝空間進(jìn)行調(diào)整，以滿(mǎn)足不同測(cè)試件對(duì)安裝空間的需求。對(duì)于整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架的工作性能而言，夾緊裝置能夠提供夾緊力的大小直接決定系統(tǒng)能夠施加的加載力的大小。圖1中，后支座在夾緊液壓缸輸出的液壓力作用下發(fā)生變形，從而與導(dǎo)向柱發(fā)生接觸，進(jìn)而產(chǎn)生夾緊摩擦力。針對(duì)該系統(tǒng)的夾緊裝置機(jī)構(gòu)及其8600 kN的加載力需求，初步設(shè)計(jì)夾緊裝置部分參數(shù)如下：夾緊液壓缸中心與導(dǎo)向柱中心之間的距離l=405 mm，導(dǎo)向柱安裝孔直徑d=200 mm，借鑒文獻(xiàn)[5]中介紹的關(guān)于夾緊力的計(jì)算方法，可知單個(gè)導(dǎo)向柱上夾緊液壓缸需要提供的正壓力p=1240 kN。液壓缸油源壓力ps=28 MPa， 需要的有效作用面積A=44286 mm2。如若單個(gè)導(dǎo)向柱只有一個(gè)液壓缸作用，則夾緊液壓缸尺寸較大，使得后支座橫向尺寸較大；如若單個(gè)導(dǎo)向柱采用多個(gè)液壓缸作用，則后支座縱向尺寸較大。綜合考慮，每個(gè)導(dǎo)向柱設(shè)計(jì)兩個(gè)夾緊液壓缸；同時(shí)為使得整個(gè)夾緊裝置受力對(duì)稱(chēng)，采用了如圖4所示的夾緊裝置結(jié)構(gòu)。

1.后支座　2.夾緊液壓缸　3.切槽 圖4　夾緊裝置結(jié)構(gòu)示意圖

但需要注意的是上述計(jì)算方法是在忽略支座變形及導(dǎo)向柱與孔配合間隙下得出，在實(shí)際工程中因?yàn)橹ё冃渭芭浜祥g隙的存在使得夾緊力相對(duì)于理論計(jì)算值較小，為合理設(shè)計(jì)夾緊裝置，需要對(duì)整個(gè)夾緊裝置進(jìn)行ANSYS仿真。綜合分析影響夾緊力的因素，對(duì)夾緊裝置設(shè)計(jì)進(jìn)行合理優(yōu)化，以使得其在強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足的情況下，簡(jiǎn)化后支座結(jié)構(gòu)，同時(shí)輸出的夾緊力較大。

2.2　液壓夾緊裝置有限元建模

2.3　液壓夾緊裝置有限元仿真結(jié)果及分析

1) 夾緊缸與導(dǎo)向柱間距離l對(duì)夾緊力的影響

夾緊缸與導(dǎo)向柱之間距離l對(duì)夾緊力Ff的關(guān)系曲線(xiàn)如圖6所示。由圖6可知夾緊力Ff隨著夾緊缸與導(dǎo)向柱之間距離l的增加而增大；但隨著l增加，支座上的應(yīng)力也增大。隨著夾緊缸與導(dǎo)向柱之間距離l的增大，雖然夾緊力Ff增加，但同時(shí)后支座的尺寸及應(yīng)力也相應(yīng)變大，設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮。當(dāng)l=455 mm時(shí)，夾緊力已經(jīng)能夠很好滿(mǎn)足加載要求，同時(shí)支座應(yīng)力較為合理，故選取l=455 mm。

圖5　夾緊裝置有限元模型

圖6　夾緊力Ff及支座應(yīng)力與l的關(guān)系圖

2) 導(dǎo)向柱與支座配合間隙δ對(duì)夾緊力的影響

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)基孔制間隙配合的推薦的配合公差，取配合的間隙值進(jìn)行仿真，導(dǎo)向柱與支座配合間隙δ對(duì)夾緊力Ff的關(guān)系曲線(xiàn)如圖7所示。由圖可知，隨著配合間隙的增大，夾緊力減小，同時(shí)支座應(yīng)力卻增大。為獲得較大的夾緊力，需要較小的配合間隙，但是間隙較小不利于支座沿導(dǎo)向柱的橫向移動(dòng)， 同時(shí)加工難度增加，綜合考慮選取配合間隙為0.206 mm，即H8/f7的間隙配合。

3) 支座厚度對(duì)夾緊力的影響

支座夾緊缸安裝處厚度與夾緊力Ff的關(guān)系曲線(xiàn)如圖8所示。仿真中發(fā)現(xiàn)由于支座切槽上下兩端結(jié)構(gòu)不同，為保證其上下端變形量盡量一致，需要切槽上下端厚度不同。由圖8可知，隨著支座厚度的增加，夾緊力Ff隨之減小，但支座應(yīng)力卻相應(yīng)減小。支座厚度越小，后支座尺寸相應(yīng)減小，臺(tái)架成本也就隨之降低，故在強(qiáng)度滿(mǎn)足的情況下，支座厚度越小越好。

2.4　液壓夾緊裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜上所述，夾緊力大小與夾緊缸和導(dǎo)向柱之間距離成正比，與導(dǎo)向柱和支座配合間隙及支座厚度成反比。根據(jù)上述規(guī)律，綜合考慮各影響因素，通過(guò)ANSYS 仿真計(jì)算，優(yōu)化支座厚度，優(yōu)化后的后支座最大應(yīng)力為289 MPa，支座材料的屈服應(yīng)力為480 MPa，材料強(qiáng)度安全系數(shù)為1.65；夾緊裝置能夠提供的最大夾緊力為12397 kN，臺(tái)架最大加載力為8600 kN，安全系數(shù)為1.44，其整體設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足臺(tái)架輸出加載力及測(cè)試件安裝空間可調(diào)的需求。

3　臺(tái)架整體模態(tài)分析

由于該試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)，需要承受動(dòng)態(tài)載荷，在試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)中需要考慮系統(tǒng)的振動(dòng)特性，避免工作時(shí)因發(fā)生共振而造成臺(tái)架損壞。模態(tài)分析可以歸結(jié)為臺(tái)架無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程的求解，主要用于確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，包括固有頻率及相應(yīng)振型[6]。由于ANSYS中模態(tài)分析為線(xiàn)性分析，忽略非線(xiàn)性因素，故對(duì)后支座與導(dǎo)向柱采用固聯(lián)處理。選取測(cè)試件最大安裝長(zhǎng)度進(jìn)行建模，簡(jiǎn)化臺(tái)架整體模型，采用SOLID186單元對(duì)臺(tái)架1/2模型進(jìn)行離散，得到如圖9所示的仿真模型。

根據(jù)實(shí)際工作狀態(tài)定義上述模型位移約束的邊界條件及材料屬性，利用ANSYS軟件提供的用于大型對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)模態(tài)提取的Block Lanczos法進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算前五階固有頻率，如表1所示。

圖9　臺(tái)架模態(tài)分析有限元模型

階數(shù)12345固有頻率/Hz53101102105106

表1可知，臺(tái)架最低固有頻率為53 Hz，其振型為臺(tái)架在Z方向的振動(dòng)，這也是加載力作用的方向，而臺(tái)架在進(jìn)行最大測(cè)試件加載時(shí)，最大工作頻率為3 Hz，遠(yuǎn)小于臺(tái)架固有頻率，因此臺(tái)架在加載時(shí)不會(huì)發(fā)生共振，能夠滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)加載需求。

4　結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了臥式四導(dǎo)向柱結(jié)構(gòu)及液壓夾緊裝置的大型阻尼器試驗(yàn)臺(tái)架，運(yùn)用有限元方法對(duì)其進(jìn)行建模仿真，仿真結(jié)果表明臺(tái)架強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足要求；臺(tái)架固有頻率遠(yuǎn)高于其加載工作頻率，不會(huì)發(fā)生共振破壞；通過(guò)對(duì)影響夾緊力因素的合理優(yōu)化，可使其夾緊力滿(mǎn)足需求,同時(shí)夾緊裝置結(jié)構(gòu)得到合理優(yōu)化；整個(gè)臺(tái)架的設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足大型液壓阻尼器電液伺服臺(tái)架輸出加載力大及測(cè)試件安裝空間可調(diào)的功能需求。

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