高頻疲勞力控制共振試驗(yàn)機(jī)研制概述

奚鋒 任浩源 黃迪青

上海機(jī)動(dòng)車檢測認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司 上海 201800

摘 要汽車工業(yè)發(fā)展至今，各種零件的振動(dòng)和疲勞有著緊密關(guān)聯(lián)，振動(dòng)疲勞試驗(yàn)?zāi)壳皯?yīng)用廣泛。針對(duì)現(xiàn)有疲勞試驗(yàn)機(jī)性價(jià)比及效率難以平衡的問題，基于力學(xué)理論、三維幾何建模及有限元仿真對(duì)高頻疲勞力控制共振試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行研制。

關(guān)鍵詞疲勞；共振；試驗(yàn)機(jī)；汽車零部件

引言

所研制的高頻疲勞力控制共振試驗(yàn)機(jī)是一種專門用于汽車零部件耐久試驗(yàn)的儀器。可在20Hz以上頻率、8mm以上幅值、采用力控制對(duì)樣件進(jìn)行高效的疲勞試驗(yàn)。目前市面上多采用液壓激勵(lì)[1-2]及電磁激勵(lì)[3-4]的方法進(jìn)行耐久試驗(yàn)。液壓激勵(lì)設(shè)備成本極高且有漏油、噪聲大、維護(hù)保養(yǎng)成本高等缺點(diǎn)。電磁激勵(lì)多用于共振臺(tái)，若振幅過大將超出磁場范圍，不適合疲勞耐久試驗(yàn)。

因此研制機(jī)械激勵(lì)式高頻疲勞力控制共振試驗(yàn)機(jī)，基于共振點(diǎn)能耗最小且幅值最大的原理，進(jìn)行高幅值、高頻率、低能耗的力控制疲勞試驗(yàn)。

1 理論分析

1.1 理論模型

高頻疲勞共振試驗(yàn)機(jī)由試驗(yàn)臺(tái)、平衡鐵、大小弓形環(huán)及固定端等組成，其理論模型如圖1所示，將需要加載力的樣件視為一個(gè)彈性體，彈性剛度k0激勵(lì)裝置m2產(chǎn)生的振動(dòng)通過二自由度振動(dòng)系統(tǒng)放大振動(dòng)至加載端m1。

1.2 頻率響應(yīng)計(jì)算

對(duì)模型在受到外力作用時(shí)進(jìn)行受力分析，如圖2所示。

圖2 受力分析示意圖

可列出平衡方程：

其中：m1為實(shí)驗(yàn)臺(tái)質(zhì)量，單位kg；m2為平衡鐵質(zhì)量，單位kg；x1、x2為需要求解的m1及m2的振動(dòng)曲線；g1、g2為施加的外載荷，單位N。

其中：k1為大弓形環(huán)的剛度系數(shù)，單位N/m；keq為試樣、螺栓和傳感器串聯(lián)的剛度系數(shù)，單位N/m；k2為小弓形環(huán)的剛度系數(shù)，單位N/m。

若系統(tǒng)施加F0的力，則：

將平衡方程變化為矩陣形式：

設(shè)穩(wěn)態(tài)解為：

聯(lián)立式6和式7得：

從而獲得幅頻函數(shù)：

令F0= 0，可以得到振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率：

其中：w1、w2位角頻率，單位rad/s；f為頻率，單位Hz。

2 設(shè)備研制

2.1 激勵(lì)源選型

目前市面上多采用液壓激勵(lì)及電磁激勵(lì)的方法進(jìn)行耐久試驗(yàn)。液壓激勵(lì)多用于耐久試驗(yàn)通過做動(dòng)器與樣件相連的方式進(jìn)行直接激勵(lì)，若要達(dá)到高頻率、大幅值的要求，設(shè)備成本極高且需液壓油源占用較大面積。同時(shí)液壓設(shè)備有漏油、噪聲大、維護(hù)保養(yǎng)成本高等缺點(diǎn)。電磁激勵(lì)多用于共振臺(tái)，主要用于測量樣件的固有頻率等。由電磁鐵和銜鐵組成，通過控制改變電磁鐵內(nèi)電流方向，達(dá)到改變磁極的目的，形成銜鐵的上下振動(dòng)。其可以高效低耗的達(dá)到高頻振動(dòng)的效果，但是電磁鐵一般在其距離2mm范圍內(nèi)才有磁場，若振幅過大將超出磁場范圍，不適合進(jìn)行高幅值疲勞試驗(yàn)。因此本試驗(yàn)機(jī)采用機(jī)械激勵(lì)的方式，通過彈簧將兩個(gè)不平衡軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)加載至整個(gè)系統(tǒng)中。基于共振點(diǎn)能耗最小且幅值最大的原理，在所設(shè)定的掃頻范圍內(nèi)得到激振器功率最小的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率，即整個(gè)系統(tǒng)的共振頻率，在該頻率下進(jìn)行高幅值、高頻率、低能耗的力控制疲勞試驗(yàn)。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用工控機(jī)配合NI板卡的方式。具體如圖3所示。NI板卡通過變頻器控制振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過伺服驅(qū)動(dòng)器控制靜態(tài)加載電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。力傳感器和激光位移傳感器通過模擬量信號(hào)將數(shù)據(jù)傳回工控機(jī)。

圖3 控制系統(tǒng)

2.3 幾何建模

疲勞試驗(yàn)機(jī)的幾何模型如圖4所示，由固定組件，加載組件，激振組件組成。固定組件包括工作平臺(tái)及支撐座。靜態(tài)力加載組件的上支架與工作平臺(tái)下端連接，靜態(tài)力加載組件下支架與支撐支架連接。擁有著可以使試驗(yàn)機(jī)平穩(wěn)擺放的基座，是整個(gè)疲勞試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)。加載組件負(fù)責(zé)施加樣件的靜態(tài)力，通過靜態(tài)加載電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿實(shí)現(xiàn)對(duì)樣件的靜態(tài)力加載。激振組件上端與樣件相連，中間部分通過減震彈簧與工作平臺(tái)及支撐組件連接。通過一對(duì)振動(dòng)電機(jī)并列排放，抵消左右及前后方向的振動(dòng)，樣品僅受到上下方向的振動(dòng)。電機(jī)固定在配重塊上。

圖4 試驗(yàn)機(jī)三維模型

2.4 動(dòng)力學(xué)分析

采用ADMAS軟件對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，如圖5所示。將固定組件及加載組件的電機(jī)等設(shè)為剛體，激振組件的減震彈簧及樣件設(shè)為彈性體，分別設(shè)置各自的參數(shù)進(jìn)行仿真。在無阻尼狀態(tài)下，系統(tǒng)僅受重力作用自由振動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)的受力情況在頻域及時(shí)域如圖6所示。在頻域可以清楚地看到系統(tǒng)的固有頻率。當(dāng)激振力的頻率與系統(tǒng)固有頻率相差較遠(yuǎn)時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，系統(tǒng)的振幅較小。在試驗(yàn)機(jī)實(shí)際使用過程中，試驗(yàn)前進(jìn)行掃頻，找到樣件及試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的固有頻率點(diǎn)，并在該頻率附近進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

圖6 仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

本文通過理論分析、三維建模及仿真模擬的方式研制高頻疲勞力控制共振試驗(yàn)機(jī)。所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)可在樣件固有頻率進(jìn)行高效試驗(yàn)。