螺栓预紧力对螺栓结合面特性参数的影响规律研究

?? 日期:2018-10-08???? 来源:中国工程物理研究院机械制造工艺研究所????浏览:213????评论:0????
?空气静压轴承( 简图如图1 所示) 采用空气作为润滑剂,因此噪声小,摩擦小,这使其相比于传统接触式轴承具有发热小、振动小、回转精度高、污染小、系统结构简单可靠等优势[1-3],因此已广泛用于各种超精密加工装备。随着轴承材料、制造工艺水平等快速发展,空气静压轴承单个部件的性能已显着高,轴承性能的薄弱环节主要来自各个结合面[4-5]。空气静压轴承中旋转组件( 转子组件-止推板-定位接头-刀盘) 各零件之间都是螺栓结合面,螺栓结合面的特性与各个构件自身的材料属性、制造精度等相关,除去各个构件自身因素,对螺栓结合面刚度特性影响最显着的是螺栓预紧力。因此,识别螺栓结合面的

  特性参数,并研究螺栓预警力对螺栓结合面特性参数的影响规律对改善空气静压轴承整体特性( 运动精度、抗振性能等) 有着重要意义。本文将通过有限元仿真分析和实验模态分析方法,辨识螺栓结合部的特性参数及螺栓预紧力对其的

  影响规律。



? ? ? ? 1 螺栓结合面的简化

  螺栓结合面的简化方法主要有弹簧阻尼单元法[6-7]和虚拟材料法( 包括分形理论) [8-9]。两工件通过螺栓连接,其接触表层微观上属于点接触,这些接触点处则可用弹簧阻尼元件进行等效( 没有质量) ,如图2 所示,即弹簧阻尼单元法。两工件通过螺栓连接,在连接面上也可以假设存在着连接材料,这个材料具有弹性模量、泊松比以及密度等,如图3 所示,即虚拟材料法。



? ? ? ? 2 螺栓结合面刚度特性分析方法

  由于螺栓结合面没有质量,因此螺栓结合面等效后,其振动方程为

  ( k + iωc)x = F ( 1)

  式中,k———结合部刚度矩阵

  c———结合部阻尼矩阵

  x———结合部相对位移列阵

  F———结合部力列阵

  ω———系统的特征频率

  由式( 1) 可知,结合面主要的特性参数为刚度k、阻尼c 和特征频率ω,本文将采用有限元仿真和实验模态分析方法对这些特性参数进行解析。

  2. 1 有限元仿真分析方法

  运用商业软件Ansys 进行仿真分析,基本过程为:

  ( 1) 建模( 采用通用的三维建模软件UG8. 0) ,这个过程中会对模型进行适当的简化和修改,比如忽略小的沟槽、倒角等特征,这样是为了兼顾计算的精度和效率; ( 2) 求解设置,将建好的模型导入Ansys Workbench中,进行相应的材料属性、边界条件等设置,然后划分网格; ( 3) 求解及后处理。网格的质量和数量是数值仿真精度和效率的关键,常用的网格类型及其特征见表1,由于对结构件自身结构简单,无特殊结构,为了提高仿真效率,本文有限元仿真采用四面体网格,即三角形单元。



? ? ? ? 2. 2 实验模态分析方法

  实验模态分析技术是通过实验测得激励和响应的时间历程,运用数字信号处理技术求得频响函数或脉冲响应函数,得到系统的非参数模型,然后运用参数识别方法求得系统模态参数并进一步确定系统的动态特性参数( 如特征频率、模态刚度等) [10-11]。

  典型的实验模态分析的各个方面如图4 所示,由力锤产生一个振动力,力传感器测量输入到结构中去的激振力,运动传感器( 通常使用加速度传感器,又称

  加速度计) 测量输出的振动运动。这些信号经过放大、滤波后进入分析处理系统加以处理。下一步,分析系统将根据测得的频响函数来确定试件的模态特性( 系统极点、振型向量、模态参与因子) 。另外,动画软件将在显示屏上模拟机构的模态振型。



? ? ? ? 3 螺栓结合面参数辨识及螺栓预紧力对其影响规律分析

  本文将以我单位研制的某型号空气静压轴承里的转子-止推板组件为对象,转子-止推板如图5 所示,其中包含的结构件为转子和止推板,螺栓为六个均布,通过有限元仿真及实验模态分析方法研究螺栓结合面的特性参数( 刚度、阻尼和特征频率) 以及螺栓预紧力( 因为在实际进行试验时,都是采用扭矩扳手区别预紧力,故不做特别说明时,本文直接采用扭矩的数值表征预紧力的数值) 对螺栓结合面特征频率的影响规律。



? ? ? ? 3. 1 结构件的特征频率

  为了识别螺栓结合面的特性参数以及螺栓预紧力对结合面特性参数的影响,首先应该识别并排除结构件的相应特性参数。本文以特征频率为识别特征,采

  用Ansys Workbench 对结构件进行仿真分析[12-13],通过排除结构件的频率来辨识结合面的特征频率。

  ( 1) 止推板的数值仿真分析

  设置止推板的约束为自由,通过仿真分析得到止推板各阶特征频率和振型及其描述,见表2,从表中可以看出第四阶的特征频率为4 437. 7 Hz,这个频率已

  经超出了本文所关注的频率范围,因此不再分析更高阶的模态参数。



? ? ? ? ( 2) 转子的数值仿真分析

  设置转子的约束为自由,通过仿真分析,得出转子的一阶特征频率为7154. 9 Hz,这个频率已经超出了本文所关注的频率范围( ≤5 000 Hz) ,因此不在解析

  更高阶的特征频率。

  3. 2 螺栓结合面特性参数的辨识

  在得到单个结构件模态参数的基础上,然后将通过实验模态分析方法( 因为当部件中包含结合面时,采用数值仿真得到的模态参数的准确度低于采用实验模态分析方法得到的[10-11]) 对转子-止推板组件进行模态对比分析。实验系统如图4 所示,实验现场如图6所示。

  选择合适的仪器并进行相关实验参数的设置,具体如下。

  ( 1) 支撑方式: 自由支撑,即用吊绳悬挂。

  ( 2) 激励方式: 整个转子-止推板结构简单,因此采用单点逐点激励; 激励信号采用脉冲信号,即激励方式采用脉冲锤激励,激励锤选用PCB086C03 型力锤及

  配套力传感器。

  ( 3) 输出信号的测量( 拾振方式) : 采用单点拾振,输出信号( 响应信号) 采用剪切式加速度传感器进行测量,选用单轴加速度传感器PCB333B30。

  ( 4 ) 采集与分析处理系统: 选择东方所的INV3020 系列高性能24 位采集系统及DASP 系列分析软件组成完整采集及分析系统,配备的采集卡为INV3018G 采集卡。由于转子-止推板组件结构简单,其详细的建模、实验及数据处理流程如图7 所示。






  最终得到螺栓预紧力为31 Nm,转子-止推板组件的前四阶振型对应的各参数见表3。

  对比分析表2 和表3,可以发现:

  ( 1) 通过螺栓将转子和止推板连接以后形成的1阶模态为转子和止推板的偏摆振型,此阶振型在对转子和止推板单独的模态分析中并没有发现,因此为新模态,即没有在任何结构件中出现,此阶模态我们称之为螺栓结合面模态,其刚度特性为1. 6 × 106N/μm,阻尼特性( 阻尼比) 为1. 8%。

  ( 2) 转子-止推板组件的2 阶模态与止推板的1阶模态从振型看一致,因此可以判定此阶模态实际仍为止推板的模态,但是由于结合面的引入,使得特征频率提高,也就是说引入螺栓结合面有利于抑制此阶模态。

  ( 3) 转子-止推板组件的3 阶模态与止推板的2阶模态从振型看一致,但是由于结合面的引入,使得特征频率降低,也就是说,由于结合面的引入,反而不利于抑制此阶模态。

  ( 4) 转子-止推板组件的4 阶模态与止推板的3阶模态从振型看一致,因此可以判定此阶模态实际仍为止推板的模态,但是由于结合面的引入,使得特征频率提高,也就是说引入螺栓结合面有利于抑制此阶模态。



? ? ? ? 3. 3 预紧力对螺栓结合面动态特性参数的影响规律分析

  螺栓预紧力是影响螺栓结合面动态特性最主要的因素,本节将通过实验模态分析方法,以特征频率为例,分析螺栓预紧力对螺栓结合面特性参数的影响。

  整个实验仪器的选择和边界条件的设置不变。实验时,设置螺栓预紧力介于10 Nm ~ 30 Nm 之间,螺栓预紧力的增量为3 Nm,得到每个螺栓预紧力值对应的

  各阶特征频率见表4( 共实验三次,各阶特征频率取三次实验的平均值) 。则螺栓预紧力对螺栓结合面特征频率的影响如图8 所示。通过观察表4 和图8 可以得出当螺栓预紧力增加时,各阶特征频率总体上都增加。实验分析时,当螺栓

  预紧力为14 Nm 时,一阶和二阶的特征频率异常变大,这是因为实验时存在一定的误差,且由于1 阶、2阶和3 阶的频率相差并不大,各阶之间存在一定耦合,所以出现奇异点。



? ? ? ? 3. 4 螺栓结合面在数值仿真时的简化和等效

  从图8 可以看出,当螺栓预紧力增大到一定数值( 本文中大于26 Nm) 时,随着螺栓预紧力的增加特征频率的增加放缓,也就是说,只要螺栓预紧力达到一定

  数值( 本文研究的空气静压轴承中大于30 Nm 时) ,继续增加螺栓预紧力对系统的特征频率影响并不大,此时,我们可以假设: 螺栓结合面在数值仿真中可以直接定义为绑定接触。使用Workbench modal 模块进行组件的数值仿真时,其中接触类型分为五种,见表5。



  为了验证这一假设,本文对转子-止推板组件进行了数值仿真,并与实验结果进行对比。仿真时设置转子和止推板间为绑定接触,无约束,即仿真其自由模态; 实验模态分析时,螺栓预紧力为31 Nm,其他实验设置同之前设置。通过仿真得到转子-止推板组件的前四阶的振型及对应特征频率,计算相对于螺栓预紧力为31 Nm 时通过实验得到的特征频率的误差( 取绝对值) ,结果见表6。



? ? ? ? 与表3 对比可以发现,通过仿真得到的各阶振型与通过实验得到的完全一致,而特征频率相差都在9%以内,因此,在转子-止推板组件仿真分析其动态特性参数时,将螺栓结合面直接定义为绑定接触是可信的。

  4 总结

  本文通过有限元仿真和实验模态分析方法辨识了螺栓结合面的特性参数,分析研究了螺栓预紧力对螺栓结合面动态特性的影响规律,得出以下结论:

  1) 螺栓结合面的引入会导致部件整体特性参数变化( 如特征频率的变化) 。

  2) 增加螺栓预紧力,总体上会导致整个组件各阶模态的特征频率增加,但当螺栓预紧力达到一定数值( 本文研究的空气静压轴承中大于26 Nm 时) ,继续增加螺栓预紧力对系统的特征频率影响并不显着( 当螺栓预紧力最大到30 Nm 时,各阶模态的特征频率较螺栓预紧力为26 Nm 时最大的增加了0. 54%)

  3) 当螺栓预紧力达到一定数值( 本文研究的空气静压轴承中大于30 Nm) 时,在进行数值仿真时,螺栓结合面完全可以直接定义为绑定接触。

  参考文献( References)

  [1] 池长青. 气体动静压轴承的动力学及热力学[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社,2008: 1-4.CHI ChangQing. Analysis of Hydrodynamics and Thermal Dynamicsof Externally Pressurized Gas Bearing and Self-Acting Gas Bearing

  [M]. Beijing: Beihang University Press,2008: 1-4. ( In Chinese)[2] 于雪梅. 局部多孔质气体静压轴承关键技术的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学,2007: 2.YU XueMei. Research on key technologies of partial porousexternally pressurized gas bearing[D]. Harbin: Harbin Institute ofTechnology,2007: 2 ( In Chinese) .

  [3] Cheng-Chi Wang,Ming-Jyi Jang,Yen-Liang Yeh. Bifurcation andNonlinear Dynamic Analysis of a Flexible Rotor Supported by Relative Short Gas Journal Bearings[J]. Chaos, Solitons and Fractals,32 ( 2007) : 566-582.

  [4] 张学良. 机械结合面动态特性及应用[M]. 北京: 中国科学技术出版社,2002: 1-2.ZHANG XueLiang. Dynamic characteristics of machine joint surfaces and its application[M]. Beijing: Science and Technology of China Press,2002: 1-2 ( In Chinese) .

  [5] 张学良,徐格宁,温淑花. 机械结合面静动态特性研究回顾及展望[J]. 太原科技大学学报,2002,23( 3) : 277-278.ZHANG XueLiang, XU GeNing, WEN ShuHua. Review and prospect of the research on the static and dynamic characteristics of machine joint surfaces[J]. Journal of Taiyuan Heavy Machinery Institute,2002,23( 3) : 277-278. ( In Chinese)

  [6] 陈水胜,徐旭,华中平,等. XK2535 数控铣床动态性能研究[J]. 湖北工业大学学报,2013( 2) : 99-101.CHEN ShuiSheng,XU Xu,HUA ZhongPing et al. Research on dynamic property of XK-2535 CNC milling machine based on joint surface[J]. Journal of Hubei University of Technology,2013( 2) :99-101 ( In Chinese)

  [7] 张宗兰,祝效国. 机械结合面动态参数的研究[J]. 哈尔滨工业大学学报,1988( 4) : 79-86.ZHANG ZongLan, ZHU XiaoGuo. Research on the dynamic parameters of mechanical joints[J]. Journal of Harbin Institute of Technology,1988( 4) : 79-86 ( In Chinese) .

  [8 ] 黄开放,金建新. 基于虚拟材料方法的螺栓预紧力模拟的研究[J]. 机械设计与制造,2012 ( 8) : 148-150.HUANG KaiFang,JIN JianXin. Research on bolt preload simulation based on virtual material method [J]. Machinery Design & Manufacture,2012 ( 8) : 148-150 ( In Chinese) .

  [9 ] 张学良,黄玉美,温淑华. 结合面接触刚度分形模型研究[J].农业机械学报,2000( 7) : 89-91.ZHANG XueLiang,HUANG YuMei,WEN ShuHua. Fractal model of contact stiffness of joint surfaces[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery,2000( 7) : 89-91 ( In Chinese) .

  [10] 张力. 模态分析与实验[M]. 北京: 清华大学出版社,2011: 140-170.ZHANG Li. Modal Analysis and experiment[M]. Beijing: Tsinghua University Press,2011: 140-170 ( In Chinese) .

  [11] 傅志方,华宏星. 模态分析理论与应用[M]. 上海: 上海交通大学出版社,2000: 144-211.FU ZhiFang,HUA HongXing. The modal analysis theory and application[M]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University Press,2000: 144-211 ( In Chinese) .

  [12] 方英武. 机床结构动力边界元建模解析中的关键问题研究[D]. 西安: 西安理工大学. 2006: 62-81.FANG YingWu. Study on key issues of machine tool structures modeling based on dynamic boundary element methods[D]. Xi’an: Xi’an University of Technology,2006: 62-81 ( In Chinese) .

  [13] 刘称意. 考虑导轨结合面影响的数控机床动态特性分析及结构优化[D]. 沈阳: 东北大学: 13-32.LIU ChenYi. Study on dynamic characteristics and structural optimization of CNC machine tool considering influence of rolling guide joint[D]. Shenyang: Northeastern University,2010: 13-32 ( In Chinese) .
文章链接:易紧通 http://www.164580.com/article/detail_24846.html
?
打赏
?
更多>同类行业资讯
0相关评论

推荐图文
推荐行业资讯
点击排行
网站首页 ?|? 365滚球违法吗 ?|? 关于我们 ?|? 联系方式 ?|? 使用协议 ?|? 版权隐私 ?|? 网站地图 ?|? 排名推广 ?|? 广告服务 ?|? 网站留言 ?|? RSS订阅 ?|? 违规举报
扫一扫加好友,关注更多?