地磅稱重傳感器托盤的動(dòng)態(tài)特性研究

鑒于托盤的穩(wěn)定性對(duì)于地磅稱重傳感器誤差標(biāo)定裝置的測(cè)量精度而言有著重要的影響,因此研究托盤在工作過(guò)程中發(fā)生受迫振動(dòng)問(wèn)題有一定的必要性。利用P ro/E 三維設(shè)計(jì)軟件首先建立好托盤三維模型, 然后通過(guò)有限元軟件A N S Y S 結(jié)合模態(tài)、諧響應(yīng)分析技術(shù)對(duì)托盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性研究。其結(jié)果表明:第 3 階、第 4 階和第 6 階類模態(tài)振動(dòng)對(duì)托盤上稱重傳感器的安裝部位影響最大。通過(guò)幅頻曲線確定托盤各個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域的共振頻率,為避免稱重傳感器誤差標(biāo)定裝置在實(shí)際工作中產(chǎn)生共振提供理論參考。

0引言

伴隨著地磅傳感器廣泛應(yīng)用在測(cè)量、控制以及通信等領(lǐng)域,我國(guó)工業(yè)化的飛速發(fā)展在傳感器的制造和設(shè)計(jì)等方面水平不斷提高,隨著對(duì)傳感器的要求不提高,如高精度、高可靠性,因此非常有必要對(duì)稱重傳感器進(jìn)行標(biāo)定,稱重傳感器標(biāo)定裝置的設(shè)計(jì)現(xiàn)已成為機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的一大熱點(diǎn)。稱重傳感器誤差標(biāo)定的精度與托盤的穩(wěn)定性有著密切的聯(lián)系,從目前來(lái)看,應(yīng)用理論分析及試驗(yàn)研究的方法來(lái)對(duì)托盤進(jìn)行研究已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外主流研究趨勢(shì),國(guó)外的學(xué)者RATNAM M M等研究了托盤的靜態(tài)變形,國(guó)內(nèi)學(xué)67812345圖1稱重傳感器誤差標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)圖1.托架2.Y坐標(biāo)直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3.氣缸砝碼組機(jī)構(gòu)4.托盤5.氣缸夾具夾緊機(jī)構(gòu)6.托盤抬升機(jī)構(gòu)7.稱重傳感器8.X坐標(biāo)直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)限元軟件來(lái)對(duì)托盤的固有振型、頻率、托盤結(jié)構(gòu)在承受諧載荷時(shí)的受迫振動(dòng)等問(wèn)題進(jìn)行研究,可為托盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù),從而使得托盤設(shè)計(jì)的可靠性得到了保證。利用有限元分析可以縮短設(shè)計(jì)周期降低成本,為避免在傳感器工作中發(fā)生共振提供重要的理論參考。

1稱重傳感器誤差標(biāo)定裝置工作原理

稱重傳感器誤差標(biāo)定裝置。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。稱重傳感器標(biāo)定裝置基本的標(biāo)定流程如下: 工作人員首先利用夾具裝置將稱重傳感器固定到托盤下底板,然后進(jìn)行夾緊。然后通過(guò)XY坐標(biāo)移動(dòng)裝置首先將砝碼移動(dòng)加載機(jī)構(gòu)移動(dòng)到托盤的中間上方, 到達(dá)托盤中間上方時(shí)在氣缸的推動(dòng)下砝碼緩慢地加載到托盤上。當(dāng)整個(gè)砝碼加載過(guò)程趨于穩(wěn)定后, 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)始工作, 并將數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)中完成一次標(biāo)定過(guò)程,再重復(fù)上述步驟完成對(duì)托盤四個(gè)角標(biāo)定。

2.托盤有限元建模

托盤材料采用Q235方鋼,其密度ρ=7.85 g/cm3,彈性模量 E=210 GPa、泊松比μ=0.3。網(wǎng)格劃分采用了四面體類型的網(wǎng)格設(shè)置, 有限元網(wǎng)格的劃分對(duì)后面預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析以及諧響應(yīng)分析的精確性有著密切相關(guān),根據(jù)實(shí)際情況我們要合理地設(shè)置好網(wǎng)格劃分的各個(gè)參數(shù)以滿足實(shí)際情況的要求。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分得到的托盤有限元模型共有 395 63 個(gè)

節(jié)點(diǎn)233 07個(gè)單元, 三維模型圖與有限元模型如圖2所示。

3.預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

任何一種機(jī)械結(jié)構(gòu)都存在固有的模態(tài)振型、頻率以及阻尼比。模態(tài)分析技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用在許多工程領(lǐng)域中，如探索如何提高車輛乘坐的舒適性研究、探索采用何種方法可用于降低噪聲對(duì)環(huán)境的污染，以及利用模態(tài)分析技術(shù)來(lái)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),從而提高產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)特性等。模態(tài)分析技術(shù)的廣泛應(yīng)用已經(jīng)成為對(duì)產(chǎn)品動(dòng)力學(xué)分析的一種重要手段,可以分析、預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)和優(yōu)化產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)特性。

在實(shí)際工程當(dāng)中,低階共振現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生,而高階模態(tài)由于阻尼比較高, 一般情況下不會(huì)出現(xiàn)共振或者說(shuō)不可能發(fā)生共振現(xiàn)象, 結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性由低階振型決定。

因此,有必要對(duì)托盤的固有頻率和振型進(jìn)行研究,通過(guò)對(duì)托盤的前六階模態(tài)進(jìn)行分析, 并根據(jù)實(shí)際標(biāo)定過(guò)程中托盤承受的最大載荷施加預(yù)應(yīng)力如圖3所示,得出預(yù)應(yīng)力模態(tài)下托盤前六階固有頻率及對(duì)應(yīng)振型如表1。

通過(guò)對(duì)比托盤的各階位移云圖, 發(fā)現(xiàn)在托盤的前 6階模態(tài)振型中第 3、4、6 階模態(tài)振型皆會(huì)在稱重傳感器安裝位置產(chǎn)生振動(dòng)變形, 從而對(duì)稱重傳感器產(chǎn)生外部載荷,影響稱重傳感器的精度,其應(yīng)變?cè)茍D,如圖 4 所示,在模態(tài)分析中振型幅值并不能反映實(shí)際振動(dòng)幅值的大小, 因此圖中托盤的振動(dòng)幅值并不是實(shí)際加載過(guò)程中托盤實(shí)際受到的振動(dòng)幅值。

4.諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析技術(shù)可以對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)進(jìn)行計(jì)算, 從而分析托盤機(jī)構(gòu)能不能克服砝碼加載過(guò)程中引起的共振, 以及其他受迫振動(dòng)可能引發(fā)的對(duì)托盤機(jī)械結(jié)構(gòu)不利的影響。利用諧響應(yīng)分析技術(shù),可以對(duì)托盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 可以有效避免共振的發(fā)生,從而提高稱重傳感器的精度。本文采用模態(tài)疊加法對(duì)托盤進(jìn)行諧響應(yīng)分析, 根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果以及傳感器的工作環(huán)境綜合考慮選擇頻率范圍為0～300 Hz, 并選定求解頻率間隔為2 Hz,取托盤中部進(jìn)行振動(dòng)諧響應(yīng)分析。通過(guò)諧響應(yīng)分析得到了托盤裝置各個(gè)節(jié)點(diǎn)在振動(dòng)頻率為0～Hz時(shí)的位移響應(yīng)曲線,如圖5所示。

當(dāng)外部振源激勵(lì)頻率為 0～300 Hz 時(shí),托盤部位最大相對(duì)變形及其頻率如表2所示。與模態(tài)分析中的托架固有頻率表（表1）相對(duì)照,發(fā)現(xiàn)其出現(xiàn)峰值時(shí)的頻率與固有模態(tài)第1階103.67 Hz 和第 2階 139.77 Hz 頻率相接近。從幅頻響應(yīng)曲線圖中我們可以清楚看到, 當(dāng)振源與這兩個(gè)頻率接近時(shí),托盤將會(huì)產(chǎn)生共振,因此在實(shí)際傳感器標(biāo)定過(guò)程中應(yīng)使其工作頻率避開(kāi)這兩個(gè)共振頻率。一旦共振現(xiàn)象發(fā)生托盤容易發(fā)生疲勞破壞,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。1階、2階頻率下總體變形云圖如圖6所示。

5.結(jié) 論

本文運(yùn)用預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析技術(shù)和諧響應(yīng)分析技術(shù)來(lái)對(duì)稱重傳感器誤差標(biāo)定裝置托盤進(jìn)行研究分析發(fā)現(xiàn):

1)第 3 階、第 4 階和第 6 階類模態(tài)振動(dòng)對(duì)稱重傳感器的安裝位置產(chǎn)生振動(dòng)變形。由于托盤與傳感器采用螺栓鏈接,在這些模態(tài)振動(dòng)疊加作用下螺栓可能發(fā)生松動(dòng)甚至斷裂導(dǎo)致連接剛度下降,從而影響稱重傳感器的測(cè)量精度。

2) 通過(guò)諧響應(yīng)分析模擬砝碼加載過(guò)程中對(duì)托盤振動(dòng)的影響,確定托盤在工作狀態(tài)下發(fā)生共振的頻率。根據(jù)上述結(jié)論可為托盤機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論參考,提高了托盤機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率。