旋轉(zhuǎn)定位測試實驗臺的有限元分析

劉偉超　呂松洋　楊黎明

摘 要：針對富含重金屬工業(yè)渣泥集料的防輻射性能研究所用的旋轉(zhuǎn)定位測試實驗臺，利用有限元分析軟件對模型中的推桿、齒輪、V型槽進行靜力學(xué)分析，對絲桿進行諧響應(yīng)分析。通過分析旋轉(zhuǎn)定位測試實驗臺所得出的總變形云圖、等效應(yīng)力分布云圖、等效應(yīng)變分布云圖等，為旋轉(zhuǎn)定位測試實驗臺的后期優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)定位；靜力學(xué)分析；諧響應(yīng)分析

基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201410616026）資助。

旋轉(zhuǎn)定位測試實驗臺用于富含重金屬工業(yè)渣泥集料的防輻射性能研究測試，測量要求：對樣品上的任意點，能實現(xiàn)對γ射線吸收率的重復(fù)測量且測量點前后的重合度保持一致，也能實現(xiàn)同時對多個樣品的測量。

1. 旋轉(zhuǎn)定位測試實驗臺主要機構(gòu)介紹

旋轉(zhuǎn)定位測試實驗臺的主要組成：旋轉(zhuǎn)定位機構(gòu)、徑向進給機構(gòu)、夾緊機構(gòu)。旋轉(zhuǎn)定位機構(gòu)，采用一對大小齒輪嚙合，利用步進電機帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)從而帶動大齒輪旋轉(zhuǎn)。徑向進給機構(gòu)，采用左右兩側(cè)板支撐V型槽，利用絲杠和推桿對V型槽進行整體的徑向進給。夾緊機構(gòu)，采用兩個彈簧和螺釘相配合的方法夾緊樣品。

2. 旋轉(zhuǎn)定位測試實驗臺的有限元靜力學(xué)與諧響應(yīng)分析

2.1 推桿靜力學(xué)分析

推桿是旋轉(zhuǎn)試驗臺控制徑向移動，改變測量點位半徑參數(shù)及傳遞推力矩的主要零件。設(shè)置求解項：總變形云圖、等效應(yīng)力分布云圖、等效應(yīng)變分布云圖、X軸方向變形圖。

由變形云圖可知最大變形量為1.1341e-003mm，最大應(yīng)力值為0.80174Mp小于抗拉屈服強度280Mpa，最大的應(yīng)變值為1.9449e-005 mm/mm，X軸方向變形最大值為2.7796e-005mm，Z軸方向變形最大值為2.2436e-005mm。可以得出推桿的中間孔出的變形最大，孔兩側(cè)和端面小孔應(yīng)力集中最嚴(yán)重。

2.2 V型槽靜力學(xué)分析

首先設(shè)置材料為鋁合金，彈性模量：71000Mpa，泊松比：0.33，抗拉屈服強度280Mpa。V型槽用于對待測樣品進行定位和旋轉(zhuǎn)，受到夾緊機構(gòu)在左側(cè)的夾緊力，自身重力，左右側(cè)板的支撐力的作用。設(shè)置求解項：總變形云圖，等效應(yīng)力分布云圖、等效應(yīng)變分布云圖、沿X、Z軸的變形圖。

由一系列云圖可知最大變形量為2.7717e-004 mm，最大應(yīng)力值為9.0261e-002Mpa小于抗拉屈服強度280Mpa，最大的應(yīng)變值為1.4023e-006 mm/mm，X軸方向最大變形為1.63e-005 mm，Z軸方向最大變形為2.766e-004 mm。可以得出V型槽的中部偏左部分應(yīng)力較集中，變形量最大在豎直向下的位移量最大，水平方向變形量次之。

2.3 齒輪靜力學(xué)分析

齒輪其形狀比較復(fù)雜，傳統(tǒng)上一般以安全系數(shù)、許用應(yīng)力為基礎(chǔ)進行設(shè)計，帶有很大的近似性，計算結(jié)果無法外推到復(fù)雜載荷狀況下，缺乏真實的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律[1]。在ANSYS中對齒輪嚙合的地方進行接觸設(shè)置，可得齒輪總變形云圖，齒輪接觸部位等效應(yīng)力圖。由云圖可知最大變形量為4.5267e-002 mm，最大應(yīng)力值為23.025MPa，小于抗拉屈服強度280Mpa，最大的應(yīng)變值為4.9814e-004 mm/mm，分析得出齒輪接觸部位的齒根、齒頂應(yīng)力最大。

2.4 絲杠諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析是一種特殊的時域分析，計算機構(gòu)在正弦激勵（激勵隨時間程正弦規(guī)律變化）作用下的穩(wěn)態(tài)振動，也就是受迫振動分析，可以計算響應(yīng)幅值、頻率等也稱為頻率響應(yīng)分析或掃頻分析[2]。

首先設(shè)置材料為：不銹鋼彈性模量193000Mpa，泊松比：0.31抗拉屈服強度207Mpa。施加載荷與約束：軸承載荷加載于左端圓柱面之上，大小為20N，固定約束為左右兩邊的端面，載荷的大小是實際手控估算的較大值。

從數(shù)據(jù)的輸出項之中可以得出，最大變形量為1.2167e-003 mm，最大應(yīng)力值為0.11892MPa，最大的應(yīng)變值為6.1667e-007 mm/mm；從頻率響應(yīng)圖之中可以得出當(dāng)頻率為600Hz時振幅最大為2.6593e-005 mm，此時的相位角為0°，即在600Hz振動最為大達到了共振。

3.結(jié)論

3.1 推桿結(jié)果分析

推桿使用頻率高，其變形會影響到測量點位的偏移，由勾股定理可以算出其偏移理論點位的距離為3.5721e-005mm。左右兩端面上的孔存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，解決辦法有：①改變孔的形狀將圓孔改為橢圓孔；②在側(cè)板上打通孔，直接使側(cè)板上的方形孔與推桿配合去除圓孔。

3.2 V型槽結(jié)果分析

V型槽用于待測樣品的定位，其形變將直接導(dǎo)致待測點位的偏移。根據(jù)V型槽X軸方向最大變形量和Z軸方向最大變形量，其偏移理論點位的距離為2.777e-004 mm，由于其變形量和材料的剛度有關(guān)，為提高其剛度并減少其質(zhì)量，槽的主體部分應(yīng)選用剛度較高的不銹鋼而其它的管狀部分采用鋁合金。

3.3 齒輪結(jié)果分析

齒輪的結(jié)果數(shù)據(jù)表明：變形的大小和電機的轉(zhuǎn)矩大小成正比，電機最大轉(zhuǎn)矩為0.55N·m此時的最大變形量為4.5267e-002 mm，應(yīng)力的集中部位出現(xiàn)在接觸部位的齒根和齒頂部位，采用適當(dāng)?shù)脑黾舆^渡圓角的半徑，消除加工過程中的加工刀痕以減小應(yīng)力集中[3]。

3.4 絲桿結(jié)果分析

從絲桿的頻率響應(yīng)圖可知當(dāng)振動的頻率到達600Hz時絲桿振幅最大為2.6593e-005 mm，此時的相位角為0°，為避免共振而影響定位精度，可改變絲桿的固有頻率，在右端面加一個螺紋孔，利用是否添加螺絲來改變其質(zhì)量。

參考文獻

[1] 呂純潔. 基于ANSYS的齒輪仿真分析[J].洛陽理工學(xué)院機械工程系，2010（12）.

[2] 林利芬，陳淑玲，程斌. 機械手絲桿諧響應(yīng)分析[J]. 武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，2014.

[3] 朱美琳，紀(jì)志高. 柴油機曲軸齒輪強度研究[C].中國北方發(fā)動機研究所，2002.