張葆青 邵文普

（中國工程物理研究院流體物理研究所，綿陽 621000）

研究物質(zhì)在變加速運(yùn)動(dòng)中的物理狀態(tài)是科學(xué)研究中的典型問題。例如，通過液滴在變加速高速運(yùn)動(dòng)過程中的破碎、霧化等現(xiàn)象，研究氣液界面的失穩(wěn)和多相流體的湍流混合，在超音速雨滴侵蝕、激波拋灑、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性、多相混合物的燃燒和爆炸以及液體霧化等等方面具有重要應(yīng)用[1-4]。

研究該物理過程需要使液滴處于一種能夠?qū)崿F(xiàn)加速度瞬時(shí)改變的高速運(yùn)動(dòng)裝置。該裝置要求負(fù)載為10 kg的條件下，加速度能夠維持不低于5g的加速度，且能瞬時(shí)切換為加速度為-5g的減速運(yùn)動(dòng)。由于空間的限制，該裝置的行程位移不得超過1.5 m?，F(xiàn)有機(jī)械裝備中，暫未找到能夠完成該過程的裝置。本文利用直線電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，實(shí)現(xiàn)了滿載條件下從靜止勻加速到最大速度，再以恒定的加速度從最大速度保持勻減速運(yùn)動(dòng)直至靜止。

1 變加速加載系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析

為了給實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象創(chuàng)造氣液界面失穩(wěn)的臨界物理狀態(tài)，需要在有限的空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大的加速度，以完成從靜止開始的先加速再減速的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。變加速加載系統(tǒng)要求能夠用于負(fù)載質(zhì)量為10 kg的物體，實(shí)現(xiàn)在特定方向上先勻加速后勻減速的運(yùn)動(dòng)方式，使實(shí)驗(yàn)對(duì)象處在勻加速度條件下從靜止加速到最大速度、再勻減速到零的狀態(tài)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，實(shí)驗(yàn)加載方向可以在豎直向下方向（0°）和30°傾角范圍內(nèi)的任意角度之間調(diào)整。運(yùn)動(dòng)過程中的最大加速度數(shù)值不低于5g。

現(xiàn)有市面上用于直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式主要有“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”和直線電機(jī)兩種。如表1所示，直線電機(jī)的優(yōu)勢在于精度高、加速度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、可實(shí)現(xiàn)快速啟停、調(diào)速范圍廣，劣勢僅在于價(jià)格高昂?！靶D(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”的優(yōu)勢在于成本低，但其在動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面均較落后。對(duì)于該變加速加載系統(tǒng)而言，“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”明顯無法滿足其5g加速度的運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求，只能采用直線電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)方式。直線電機(jī)無齒槽效應(yīng)，易于保持運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、高精度、高速度以及高響應(yīng)。

表1 旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比

2 直線電機(jī)的選配

結(jié)合該系統(tǒng)的高速、高響應(yīng)、高精度的運(yùn)動(dòng)要求，選擇市場上常用的泰科貝爾LMU40-129型直線電機(jī)。該電機(jī)的主要參數(shù)如表2所示。

表2 LMU40-129型直線電機(jī)選型

根據(jù)工況分析，運(yùn)動(dòng)軌跡為豎直方向時(shí)，負(fù)載的重力方向和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力方向夾角為180°。此時(shí)，所需的直線電機(jī)負(fù)荷最大，因此選擇該狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

運(yùn)動(dòng)部件過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

式中，vmax代表運(yùn)動(dòng)過程中的最大速度，v0代表運(yùn)動(dòng)過程中的最小速度，a代表運(yùn)動(dòng)過程中的加速度，s代表運(yùn)動(dòng)部件減速過程的位移，L代表裝置導(dǎo)軌的有效長度。

對(duì)減速過程的運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，在不考慮摩擦阻力的情況下，根據(jù)牛頓第二定律，有[5]：

式中，F(xiàn)代表減速過程中直線電機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)力，m代表運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，g代表重力加速度，a代表減速過程中的加速度。

由于實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)部件會(huì)受到摩擦阻力和空氣阻力，在考慮動(dòng)力冗余的基礎(chǔ)上，設(shè)定直線電機(jī)的安全系數(shù)S=3。于是，可由式（4）計(jì)算直線電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)力大小F驅(qū)：

計(jì)算得出vmax=2.89 m·s-1，F(xiàn)驅(qū)=1 950 N?？紤]直線電機(jī)的速度儲(chǔ)備，根據(jù)表1選擇LMU-40-12-12B型直線電機(jī)。

根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求，該電機(jī)搭配HIWIN牌EGH20CA 2R1500Z0型導(dǎo)軌、BOGEN牌IKS9.1-Z2.50P2V5D1R1F1000 T2L3C3E1讀數(shù)頭、BOGEN牌LMS-12-W10-A20-K磁柵、高創(chuàng)牌CDHD-0132AEG2驅(qū)動(dòng)器以及THK牌SH25-系列高精度導(dǎo)軌，完成該系統(tǒng)的搭建。

完成該實(shí)驗(yàn)裝置的生產(chǎn)后，對(duì)所選的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行功能檢測，檢測結(jié)果如圖1所示。圖1中曲線分別為實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)動(dòng)速度的理論值、運(yùn)動(dòng)速度的實(shí)測值和為實(shí)驗(yàn)裝置加速度的實(shí)測值。由于負(fù)載箱體的加速過程（指加速度從0加速至5g的過程）、變速過程（指加速度從5g減速至-5g的過程）和減速過程（指加速度從-5g變至0的過程）應(yīng)盡可能短，且加速度維持在5g（重力加速度）以上的誤差為10%，即最大加速度不超過5.5g。因此，運(yùn)動(dòng)裝置的加速度理想曲線為方波曲線。可見，裝置的加速度曲線較為合理。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度的實(shí)測值和理論值擬合較好，表明該型直線電機(jī)能滿足運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求。變加速加載試驗(yàn)裝置，如圖2所示。

圖1 直線電機(jī)功能測試結(jié)果

圖2 變加速加載試驗(yàn)裝置

3 結(jié)論

（1）對(duì)比直線電機(jī)和傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的優(yōu)劣，介紹直線電機(jī)獨(dú)特優(yōu)勢和主要的應(yīng)用場合。

（2）分析變加速加載系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算，選擇LMU-40-12-12B型直線電機(jī)。通過直線電機(jī)在變加速加載系統(tǒng)的應(yīng)用，完成了高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)裝置的研制，能夠?qū)崿F(xiàn)在1.5 m的行程長度內(nèi)由靜止以5g加速度加速到最大速度，再以-5g的加速度減速到靜止的運(yùn)動(dòng)方式。

該變加速加載系統(tǒng)的研制成功有助于氣液界面的失穩(wěn)和多相流體的湍流混合問題的研究，創(chuàng)造了直線電機(jī)在新領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)相關(guān)行業(yè)具有一定的參考意義。