称重传感器蠕变误差检测装置机架动态特性研究

２０１７年４月　第３３卷第２期　陕西理工学院学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈａａｎｘｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ａｐｒ．２０１７　Ｖｏ１．３３　Ｎｏ．２　［文章编号］１６７３—２９４４（２０１７）０２—００３４—０５　称重传感器蠕变误差检测装置机架　动态特性研究　冯博琳，　王军利，　熊　超，　贺洋洋，　张昌明，　黄崇莉　（陕西理工大学机械工程学院，陕西汉中７２３０００）　［摘要］　针对机架在传感器误差标定过程中存在的稳定性问题，采用有限元分析技术对机　架预应力模态及谐响应动态特性进行了研究。采用ＣＴＡＩＡ软件对机架进行三维建模，选用四　边形网格结构，对三维模型进行了网格划分及局部加密处理。基于模态、谐响应分析理论．求　解得到机架的固有频率和振型，结果表明：第３阶、第５阶和第６阶模态振动对机架与气缸连　接部分影响最大。　［关键词］　有限元；模态分析；称重传感器；误差标定　［文献标识码］Ａ　［中图分类号］ＴＨ１２３　．２　伴随着科学技术的进步，对重量的测控逐渐成为工业中不可缺少的一部分。作为称重系统不可缺　少的一部分，称重传感器精度的高低对重量的检测有重要的影响Ｌｌ　。在对称重传感器精度影响的因素　中，蠕变现象的影响是不可忽略的。蠕变（Ｃｒｅｅｐ）是在恒定温度和载荷下随时间效应缓慢地变形过程，　在此过程中零件变形会随着时间而逐渐增大。上面的定义是微观概念，实际应用中，随着时间的增加零　件的变形逐渐增大，与此同时应力的大小也可能发生变化，因此蠕变的宏观概念为：零件受到恒定温度　和外力作用时，应力与变形随时间变化的现象　ｊ。　近十年来，机械制造行业中对称重传感器蠕变误差检测装置研究已经成为一大热点［４－６１。机架作为　称重传感器蠕变检测装置中主要的承力装置，主要承受气缸砝码的重量以及砝码加载过程中的冲击载　荷，一旦发生过大变形会对传感器蠕变检测精度造成很大影响。因此，机架的力学性能对称重传感器蠕　变检测装置检测精度有着重要的影响。本文利用三维设计软件ＣＴＡＩＡ对称重传感器蠕变检测装置机　架进行三维建模，利用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件对机架进行动态特性仿真分析。由于机架在不受外力的　情况下本身存在着气缸砝码对其的拉力，因此，本文首先要搭建一个预应力模态分析系统，即首先对机　架进行静力学分析，然后将结果传递到模态分析，并采用模态叠加法对机架进行谐响应分析。　１　检测装置及工作原理　称重传感器蠕变误差检测系统由载荷加载装置、数据采集装置、计算机数据处理软件以及其数据采　集硬件等４部分组成　。在对称重传感器进行蠕变误差检测时，首先将称重传感器固定到载荷施加装　收稿日期：２０１６－０９—１７　修回日期：２０１６—１１－０２　基金项目：陕西省自然科学基础研究计划项目（２０１６ＪＭ１０３０）；陕西理工学院人才启动项目（ＳＬＧＱＤ１３（２）－２１）；陕西省教　育厅科学研究计划项目（１５ＪＫ１　１４２）　作者简介：冯博琳（１９９２一），男，陕西省富平县人，陕西理工大学硕士研究生，主要研究方向为机械电子工程；［通信作　者］王军利（１９７７一），男，陕西省宝鸡市人，陕西理工大学讲师，博士，主要研究方向为机械振动及气动弹性。　・３４・　第２期　冯博琳，王军利，熊超，等　称重传感器蠕变误差检测装置机架动态特性研究　置的具体加载位置，在计算机上启动相应软件使其开始运　行，加载时通过气缸控制砝码向下移动，当砝码加载到称　重传感器上时，传感器上的弹性体在砝码重力的作用下产　生变形，使得粘接在弹性体表面的应变片发生变形，导致　应变片电阻值发生变化，通过相应电路的处理从而将力信　号转变为电信号，对采集来的称重传感器蠕变数据按照规　定标准判断是否合格，最后将测量数据保存。称重传感器　蠕变误差检测装置如图１所示。　２机架有限元建模　将机架的三维模型导入ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中，首先　对导人模型进行材料设置，在ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ自带的　材料库中选择材料Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｔｅｅｌ，其密度为７．８５　ｇ／ｃｍ　，　１．机架；２．称重传感器；３．脱离机构；　４．气缸；５．多用压头；６．传感器定位装置；　７．砝码组；８．调平装置　弹性模量Ｅ＝２００　０００　ＭＰａ，泊松比　＝０．３。然后对有限　图１　称重传感器蠕变误差检测装置模型　元模型进行网格划分，为了避免分析过程中沙漏效应的影　响，保证计算结果的精度，网格单元划分过程中进行细化。同时，过密的网格会导致计算推进过程时间　变长，降低有限元分析的效率，因此，有限元分析过程中，网格结构及网格疏密程度的选择要合理。本文　网格结构选用四边形，对机架有限元模型进行自动网格划分，并对局部网格进行加密处理。由于机架上　端与气缸砝码连接受力较大，因此该区域网格划分比较精细。经过网格划分得到的机架有限元模型共　有３１４　４８７个节点、１５８　９７８个网格单元。具体有限元网格模型划分结果如图２所示。　。譬ｌ＿１７５　Ｉ　譬Ｉ＿・ｌｌｌ　００　５２５　ｏ０　（ａ）有限元模型整体图　。　５０　ｏｏ　’？　１５０　００　２　００　ｏ０｛　（ｂ）有限元模型局部加密图　图２机架有限元模型图　３预应力模态分析　固有频率和振型是机架承受动态载荷结构设计中的重要参数＿８。　，由于机架本身受到气缸砝码的　拉力，因此，本文利用模态分析技术研究称重传感器蠕变误差检测装置机架的振动特性。具体分析流程　如下：首先对机架进行静力学分析，然后将结果传递给模态分析，再将模态分析结果传递给谐响应分析，　从而完成机架的动态特性分析。　机架作为称重传感器蠕变误差检测装置其他零部件安装的基准部件，称重传感器蠕变误差测试的　精确性与其整体稳定性息息相关，因此十分有必要对机架的动态特性进行研究。由于低阶振型对机械　结构的动态特性影响比高阶振型对于机械结构的动态特性影响大，因此在实际中主要观察低阶振型对　机械结构动态特性的影响情况¨　。在实际传感器蠕变误差检测过程中，机架固定在地面上，因此将机　架有限元模型四个调平装置的下表面施加固定约束。由于机架顶部的圆形区域要承受气缸砝码施加的　．３Ｓ．　陕西理工学院学报（自然科学版）　第３３卷　大小为１０００　Ｎ的拉力，因此在机架有限元模型顶部圆形区域施加一个大小为１０００　Ｎ的集中力。具体　载荷施加情况如图３所示。载荷施加完成后通过有限元求解得到机架的应力、变形云图，如图４所示。　从图中可以看出机架与气缸砝码连接处的圆形区域应力、变形较大，最大变形为０．０８８　ｍｍ，最大应力为　１５．５８７　ＭＰａ。静力学分析完成后将分析结果传递给模态分析系统，设置好模态提取阶数为６阶，通过模　态求解获得预应力模态下机架的前６阶固有频率及对应振型如表１所示。　●Ｆｌ￣ｄ　：ｓ　●Ｆ州，＇∞Ｏ　∞—■ｒ鞋墨㈡■■　ｔ　Ｏ口Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　。譬＿　２０Ｏ０ｏ二＿　∞Ｏ∞　㈣’　。　”　Ｉ　２∞００ｌ　∞０　ｏ０　。　Ｉｌｌ一　Ｉ　‘　’　２００∞８∞００　（。）机架变形云圈　（ｂ）机槊应力云图　图３机架承受的最大栽荷　图４机架装置变形云图和应力云图　表１　固有频率及振型　枷．，嫩　誉■几　●Ｈ　州７　８‘ｎ３由表１可知：机架的主要振动形式表现为弯曲振动，其次是扭转振动。在机架的前６阶模态振型　中，第３、５、６阶模态振型皆会在气缸安装位置产生振动变形（如图５所示），从而影响砝码加载过程中　的稳定性及蠕变误差检测的准确性。　Ｚ　Ｚ　上　。　上　Ｏ０　Ｉ７５Ｏ０　００　１７５　：二一－＿：　５￣．００　Ｏ０　‘　’　。　－－　＇７５　　ＵＯ　５２￣．Ｕ０　３５０００　７００。　＿＝Ｉ７５，Ｇ０　当譬ｌ［磐　５２５．００　（ａ）３阶　（ｂ）５阶　（Ｃ）６阶　图５　机架３、５、６阶模态振型云图　４谐响应分析　运用谐响应分析技术对称重传感器蠕变误差检测装置机架机械结构的稳态受迫振动进行计算，从　而分析其能不能克服外部激励引起的振动，如砝码加载过程中引起机架的共振，以及其他外部激励可能　对机架机械机构产生破坏影响…。　。本文采用模态叠加法对机架进行谐响应分析，通过模态分析以及　・３６・　第２期　冯博琳，王军利，熊超，等　称重传感器蠕变误差检测装置机架动态特性研究　目Ⅱ／　Ｘ　综合考虑机架的实际工作频率，最后选择计算频率范围为０—１００　Ｈｚ，并选定求解频率间隔为１　Ｈｚ，取　Ｌ　王　Ｌ　：８　机架与气缸砝码连接处进行振动谐响应分析。通过谐响应分析得到机架装置各个节点在振动频率为　＿×　＿Ｘ　＿ｌＸ　　ｌ×　　１～１００　Ｈｚ时的位移响应曲线如图６所示。　五　八　、Ｌ　、６ｎ　逞　彗　≯－　／　／　、Ｉ－　ｉ　＾｜　—．‘＾＾－＿．，　Ｙ　频率／｝Ｉｚ　（ａ）ｘ方向幅频响应曲线　人　Ａ　　｝　。’－．‘　～　－　ｉ　Ｊ　Ｉ　ｌ＿ｏ　１２．５　２５．０　３７．５　５Ｏ．０　６２．５　７５．Ｏ　８７．５　９０．０　频率／ｎｚ　（ｂ）Ｙ方向幅频响应曲线　逞　彗　频率／Ｈｚ　（ｃ）Ｚ方向幅频响应曲线　图６机架　、ｙ、Ｚ方向幅频响应曲线　通过谐响应分析计算得出当外部振源激励频率为０—１００　Ｈｚ时，机架各部位最大相对变形及其频　率如表２所示。　表２机架与气缸连接部位最大相对变形及其频率　通过与模态分析结果（表１）相对照，可以看出幅频响应曲线出现峰值时的频率与固有模态第１阶　１５．８７８　Ｈｚ和第３阶３４．３２７　Ｈｚ频率相接近。当振源与这两个频率接近时，机架将会产生共振，在实际　蠕变误差检测过程中应使其工作频率避开这两个共振频率。因此，在设计时应重点考虑１阶、３阶频率　下的总体变形云图，ｌ阶频率下的总体变形云图如图７所示。　５　结　论　基于有限元动力学分析理论，对称重传感器蠕变误差检测装置托架进行了静力学分析、模态分析和　谐响应分析，发现：　（１）通过对机架进行静力学分析，得到了称重传感器蠕变误差检测装置机架的最大应力、最大变形　以及确定了机架应力与变形最大部位发生在机架上端与气缸砝码连接处；　（２）从机架预应力模态分析结果发现，第３阶、第５阶和第６阶类模态振动对机架的顶部气缸安装　位置产生振动变形，从而对气缸运动的稳定性和传感器标定精度产生影响；　・３７・　—Ｉ　—．—；—ｌ．—１　陕西理ｌＴ学院学报（自然科学版）ｉ５　６　　７　］８　］９　０　１　２　｛３　４　５　　第３３卷　定托　阶模　提供　［１］　ｈｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．Ｓｅｎｓ０ｒ　Ｒｅｖｉｅｗ，２０１０，３０（２）：１３０一ｌ３６．［２］　。焉．０ｏ。＝。。　：　ＮＳＹｓ的巷道顶板锚同系统托盘尺寸参　图７　机架在１阶频率下　［３］　穆霞英．蠕变力学［Ｍ］．西安：西安交通大学ｆＪＪ版社，１９９０．　２０１５　３ｌ（６）：１－６．　数优化［Ｊ］・煤炭　程，２ｏ¨（　２）：８２－８４．　形芸　’。　［４］　张昌明，申言远，陈子玮，等．参数化称重传感器标定托盘有限元分析优化［Ｊ］．陕西理Ｔ学院学报：自然科学版，　冯博琳，王军利，贺洋洋，等．新型称重传感器气缸砝码组件设计［Ｊ］．陕西理工学院学报：自然科学版，２０１７，　３３（１）：２７—３２．　冯博琳，王军利，黄崇利，等．参数化称重传感器标定托架有限元分析及优化［Ｊ］．陕西理工学院学报：自然科学版，　２０１６，３２（６）：１９—２３．　刘刚，吕公润，李永强．铝合金传感器批量蠕变测试自动控制系统［Ｊ］．检验测试，２０１２，４１（１　１）：２２—２５．　袁冰．蓝宝石晶体炉的结构有限元分析［Ｄ］．西安：　安理丁大学，２０１４．　刘志勇．摩托车车架有限元模型及其动态特性分析［Ｄ］．重庆：晕庆大学，２００３．　方同．振动分析及应用［Ｍ］．两安：西北工业大学ｆ｛｛版社，ｌ９９８．　ＥＬＬＩＯＴＩ＂Ａ　Ｓ，ＲＩＣＨＡＲＤＳＯＮ　Ｍ　Ｈ．Ｖｉｒｔｕａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｍｏｄａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ（ＶＥＭＡ）［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｍｏｄａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ—ＩＭＡＣ，１９９８，４０（６）：６０５－６１１．　张宪，何洋，钟汀，等．疲劳振动试验台的模态与谐响应分析［Ｊ］．机械设计与制造，２００８（４）：１２—１４．　谭先占，杨涛．基于有限元的悬臂梁式压电换能器的模型辨识［Ｊ］．系统仿真学报，２０１ｌ，２３（１）：４４４８．　权凌霄，骆洪亮，张晋．斜轴式轴向柱塞泵壳体结构振动谐响应分析［Ｊ］．液压与气动，２０１４（５）：３３—３９．　刘阔，刘春时，林剑峰．ＶＭＣＯ５４０ｄ机床床身和立柱结构的谐响应分析［Ｊ］．机械设计与制造，２０１１（１２）：１６２—１６４．　『责任编辑：谢平］　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｗｅｉｇｈｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ　ｃｒｅｅｐ　ｅｒｒｏｒ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅ　ｒａｃｋ　ＦＥＮＧ　Ｂｏ—ｌｉｎ，ＷＡＮＧ　Ｊｕｎ—ｌｉ，ＸＩＯＮＧ　Ｃｈａｏ，ＨＥ　Ｙａｎｇ・ｙａｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｃｈａｎｇ－ｍｉｎｇ，ＨＵＡＮＧ　Ｃｈｏｎｇ－ｌｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｚｈｏｎｇ　７２３０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｉｎ　ｌｉｇｈｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｒａｍｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｓｅｎｓｏｒ　ｅｒｒｏｒ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｔｌ—　ｓｅｓ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｍｏｄａｌ　ａｎｄ　ｈａｒｍｏｎ—　ｉｃ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｔｏ　ｆｌａｍｅ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ＣＴＡＩＡ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｉｔ　ｃｈｏｏｓｅｓ　ｑｕａｄｒｉｌａｔｅｒａｌ　ｇｒｉｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｔｏ　ｍｅｓｈ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｒｅｆｉｎｅｓ　ｍｅｓｈ　ｌｏｃａｌｌｙ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｏｄａｌ　ａｎｄ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈｅｏｒｙ，ｆｒａｍｅ　ｉｎ—　ｈｅｒｅｎｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ａｒｅ　ｓｏｌｖｅｄ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｏｒｄｅｒ　３，５　ａｎｄ　６　ｏｒｄｅｒ　ｍｏｄａｌ　ｖｉｂｒａ．　ｔｉｏｎ　ｈａｖｅ　ｔｈｅ　ｇｒｅａｔｅｓｔ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｆｌａｍｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ；　ｍｏｄａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ；　ｗｅｉｇｈｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ；　ｅｒｒｏｒ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　・３８・