微特電機振動試驗夾具設計及試驗驗證

簡小康

本論文獲得“小型高轉矩密度伺服電機研制與測試技術研究”科研項目的支持。

摘要：在微特電機（以下簡稱電機）振動試驗過程中，試驗夾具發揮著極為重要的作用，夾具設計是否合理對試驗結果具有決定性影響。本文根據電機振動試驗規范和相關標準，從夾具的結構形式、材料選擇等幾個方面展開指導夾具的設計。使用Ansys軟件對夾具進行模態分析，并對夾具進行了模態驗證測試，得到了較為優質的試驗夾具。

關鍵詞：微特電機;振動試驗;夾具;模態分析

中圖分類號：TG75文獻標識碼：A文章編號：1672-9129（2020）14-0142-02

1引言

在振動試驗過程中，試驗夾具是振動試驗臺與被試件之間的轉接裝置，起到模擬電機真實裝機狀態、傳遞振動能量、保護電機的作用。因此，夾具的設計非常重要，不合理的夾具設計、制造及安裝可能造成“過試驗”或“欠試驗”，導致試驗結果失效，也可能造成試驗效率低和試驗成本高等問題。本文針對電機的振動試驗，從設計原則、材料選擇、強度校核等方面闡述了夾具的設計過程，并采用錘擊法對夾具進行了模態測試驗證。

2夾具的靜態設計

在夾具的靜態設計方面，夾具應能將被試件固定在試驗臺上，起到振動傳遞的效果，但夾具的靜態設計不僅僅考慮這一點，優質夾具的靜態設計內容還應包括以下幾個方面。

（1）夾具的固定。一般產品的振動試驗都涉及到X、Y、Z三個方向，所以設計人員應充分考慮夾具各方向的安裝便捷性和可行性。

（2）傳感器的粘貼。振動傳感器是采集振動量值的主要工具，進行振動試驗時，應考慮傳感器粘貼位置的安裝方便性及采集數據的真實性。

（3）試件的安裝。夾具的設計不僅要保證夾具與振動臺的剛性連接，而且要方便產品的安裝，起到事半功倍的效果。

（4）通用性。夾具的生產加工，不僅耗時費力，而且需要大量的成本，應盡量減少夾具的數量。

（5）經濟性。夾具設計時，應考慮加工、材料利用率等方面的經濟性。

3夾具的動強度設計

振動試驗中，由于連接、安裝等因素的影響，造成各部件之間總是存在一定彈性系數;應將試驗件看成彈性體來分析，彈性體在外部能量的激振下，可能發生共振，造成“欠試驗”或“過試驗”。所以，應對夾具進行單獨的動強度設計。

3.1夾具的剛度設計。為降低共振的可能性，應盡可能選擇鋼質比大的材料。適合用于夾具制作的材料有鎂、鋁、鋼及它們的合金。相比于鋼材的低鋼質比和鎂的高價格，鋁及其合金更適合用于振動試驗夾具的制作。

3.2夾具的重心設計。夾具的重心、試件的重心、試驗臺的激振中心，這三點應盡量做到“三點一線”，且夾具相對于臺面的重心應盡量低。

3.3夾具的質量設計。振動試驗是在一個模擬振動發生的試驗設備上進行的，當選定一臺設備后，其推力F1是一定的，此時，夾具的質量可以根據產品的重量m產品及試驗量級g來設計。若產品試驗加速度峰值為g，則振動臺的實際推力F等于所有結構體的總質量乘以加速度峰值，實際推力F應小于試驗臺的額定F1，在滿足要求的情況下，應將夾具的質量設計小，但也不是越小越好，一般來講，夾具的質量最好是被試件質量的2～4倍。

4夾具的仿真設計

本次以某型永磁直流電動機為例，其機座號為φ36mm、長度為55mm，端面安裝止口尺寸φ28mm。根據產品的試驗規范要求，按照GJB 361B-2015中3.23條下表3規定的條件A進行正弦試驗，并按GJB360B-2009中214-1規定的譜型進行隨機振動試驗，加速度譜密度為28.8（m/s2）2/Hz，總均方根加速度值為207.1m/s2。

4.1建立仿真分析模型。根據產品的尺寸大小、安裝方式和產量，確定該夾具為長期使用，任務重、使用頻繁。所以，設計該夾具為回型結構，外形尺寸為300mm×300mm×250mm，板厚為20mm，材料為鋁，加工方法采用整體加工，使用NX10.0建立夾具的有限元分析模型如下圖1所示。

4.2前處理。使用Ansys workbench軟件進行有限元仿真分析，使用自動網格劃分功能，網格數量為219795，利用軟件自帶的材料庫定義材料為鋁，邊界條件設置為底面固定約束。

4.3模態仿真與分析。對夾具的前4階固有頻率進行分析，得出前4階固有頻率分別為1034.6Hz、1282.8Hz、1331.2Hz、1840.4Hz。其一階固有頻率為1034.6Hz，遠大試驗條件規定的掃頻頻率500Hz，滿足試驗要求。

4.4隨機振動仿真分析。使用Ansys Random Vibration模塊對夾具進行振動分析，設定輸入隨機振動試驗參數，分析夾具在試驗過程中所受到的應力，得出夾具的X、Y、Z三個方向的最大應力分別為13.6Mpa、24.9Mpa、10.7Mpa，遠小于材料的屈服強度280Mpa，夾具的強度也滿足要求。

5夾具的優化

5.1結構優化。考慮被試件的安裝及整體加工成型的方法，結合產品的安裝便捷性，設計以下兩套優化方案。

優化方案1：將夾具的尺寸設計為210mm×210mm×210mm，板厚為20mm。

優化方案2：在無產品安裝的面上開孔φ100mm的孔以減重。

優化后，計算前4階固有頻率，結果見下表2所示。

從計算結果可以看出，按方案1優化后夾具的一階固有頻率有所提高，且相比優化前，夾具的尺寸更小，重量減少了54.8%。按方案2優化后夾具的一階固有頻率基本保持不變，但夾具的重量降低不明顯，加工成本依然較高。因此，確定優化方案1作為最終設計方案。

5.2強度校核。為驗證優化后夾具的強度是否滿足試驗需要，按4.4節中隨機振動分析方法進行強度核算，得出X、Y、Z三個方向的局部最大應力分別為9.07Mpa、15.9Mpa、11.6Mpa，最大應力仍然是遠小于材料的屈服強度280Mpa，強度安全裕度大，滿足振動試驗要求。

6試驗驗證

為了排除振動試驗臺及被測件對夾具模態的影響，采用錘擊法對夾具進行模態測試。得出夾具的前四階頻率分別為1218.7Hz、1563.4Hz、1734.5Hz、2113.9Hz。將測試結果與計算結果對比分析，得出前4階固有頻率平均誤差為6.55%。然后，將夾具安裝于試驗臺上進行隨機振動試驗驗證，得出譜線均在控制線范圍內，檢查夾具無損傷及其它損壞現象，符合試驗需求。

7結語

振動試驗夾具的設計涉及到多個方面，包括安裝、振動量值傳遞、經濟性等。因此，夾具設計師在電機振動試驗中扮演著非常重要的角色，需要不斷累積經驗。傳統的夾具設計只能憑設計師的經驗以及實際試驗結果進行迭代設計，工作量大，設計出的夾具經常返工返修。本文根據J36電機的振動試驗夾具設計，利用有限元仿真分析和試驗驗證相結合的方法，進行夾具設計和結構優化，提高了夾具的設計效率，保證了型號的試驗需要。采用錘擊法對夾具進行模態測試，得出的試驗結果相比于掃頻測試也更為準確，介紹的設計方法為電機振動試驗夾具設計提供了參考。

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