地磅称重传感器托盘的动态特性研究
地磅称重传感器托盘的动态特性研究
鉴于托盘的稳定性对于地磅称重传感器误差标定装置的测量精度而言有着重要的影响,因此研究托盘在工作过程中发生受迫振动问题有一定的必要性。利用P ro/E 三维设计软件首先建立好托盘三维模型, 然后通过有限元软件A N S Y S 结合模态、谐响应分析技术对托盘结构进行动态特性研究。其结果表明:第 3 阶、第 4 阶和第 6 阶类模态振动对托盘上称重传感器的安装部位影响最大。通过幅频曲线确定托盘各个危险区域的共振频率,为避免称重传感器误差标定装置在实际工作中产生共振提供理论参考。
0引言
伴随着地磅传感器广泛应用在测量、控制以及通信等领域,我国工业化的飞速发展在传感器的制造和设计等方面水平不断提高,随着对传感器的要求不提高,如高精度、高可靠性,因此非常有必要对称重传感器进行标定,称重传感器标定装置的设计现已成为机械设计行业的一大热点。称重传感器误差标定的精度与托盘的稳定性有着密切的联系,从目前来看,应用理论分析及试验研究的方法来对托盘进行研究已经成为国内外主流研究趋势,国外的学者RATNAM M M等研究了托盘的静态变形,国内学67812345图1称重传感器误差标定装置结构图1.托架2.Y坐标直线导轨运动机构3.气缸砝码组机构4.托盘5.气缸夹具夹紧机构6.托盘抬升机构7.称重传感器8.X坐标直线导轨运动机构限元软件来对托盘的固有振型、频率、托盘结构在承受谐载荷时的受迫振动等问题进行研究,可为托盘结构优化设计提供理论依据,从而使得托盘设计的可靠性得到了保证。利用有限元分析可以缩短设计周期降低成本,为避免在传感器工作中发生共振提供重要的理论参考。
1称重传感器误差标定装置工作原理
称重传感器误差标定装置。总体结构如图1所示。称重传感器标定装置基本的标定流程如下: 工作人员首先利用夹具装置将称重传感器固定到托盘下底板,然后进行夹紧。然后通过XY坐标移动装置首先将砝码移动加载机构移动到托盘的中间上方, 到达托盘中间上方时在气缸的推动下砝码缓慢地加载到托盘上。当整个砝码加载过程趋于稳定后, 数据采集系统开始工作, 并将数据采集到计算机中完成一次标定过程,再重复上述步骤完成对托盘四个角标定。
2.托盘有限元建模
托盘材料采用Q235方钢,其密度ρ=7.85 g/cm3,弹性模量 E=210 GPa、泊松比μ=0.3。网格划分采用了四面体类型的网格设置, 有限元网格的划分对后面预应力模态分析以及谐响应分析的精确性有着密切相关,根据实际情况我们要合理地设置好网格划分的各个参数以满足实际情况的要求。经过网格划分得到的托盘有限元模型共有 395 63 个
节点233 07个单元, 三维模型图与有限元模型如图2所示。
3.预应力模态分析
任何一种机械结构都存在固有的模态振型、频率以及阻尼比。模态分析技术现在已经广泛应用在许多工程领域中，如探索如何提高车辆乘坐的舒适性研究、探索采用何种方法可用于降低噪声对环境的污染，以及利用模态分析技术来对产品进行优化设计,从而提高产品的动态特性等。模态分析技术的广泛应用已经成为对产品动力学分析的一种重要手段,可以分析、预测、评价和优化产品的动态特性。
在实际工程当中,低阶共振现象经常发生,而高阶模态由于阻尼比较高, 一般情况下不会出现共振或者说不可能发生共振现象, 结构的动态特性由低阶振型决定。
因此,有必要对托盘的固有频率和振型进行研究,通过对托盘的前六阶模态进行分析, 并根据实际标定过程中托盘承受的最大载荷施加预应力如图3所示,得出预应力模态下托盘前六阶固有频率及对应振型如表1。
通过对比托盘的各阶位移云图, 发现在托盘的前 6阶模态振型中第 3、4、6 阶模态振型皆会在称重传感器安装位置产生振动变形, 从而对称重传感器产生外部载荷,影响称重传感器的精度,其应变云图,如图 4 所示,在模态分析中振型幅值并不能反映实际振动幅值的大小, 因此图中托盘的振动幅值并不是实际加载过程中托盘实际受到的振动幅值。
4.谐响应分析
谐响应分析技术可以对机械结构的稳态受迫振动进行计算, 从而分析托盘机构能不能克服砝码加载过程中引起的共振, 以及其他受迫振动可能引发的对托盘机械结构不利的影响。利用谐响应分析技术,可以对托盘的机械结构进行优化设计, 可以有效避免共振的发生,从而提高称重传感器的精度。本文采用模态叠加法对托盘进行谐响应分析, 根据模态分析的结果以及传感器的工作环境综合考虑选择频率范围为0～300 Hz, 并选定求解频率间隔为2 Hz,取托盘中部进行振动谐响应分析。通过谐响应分析得到了托盘装置各个节点在振动频率为0～Hz时的位移响应曲线,如图5所示。
当外部振源激励频率为 0～300 Hz 时,托盘部位最大相对变形及其频率如表2所示。与模态分析中的托架固有频率表（表1）相对照,发现其出现峰值时的频率与固有模态第1阶103.67 Hz 和第 2阶 139.77 Hz 频率相接近。从幅频响应曲线图中我们可以清楚看到, 当振源与这两个频率接近时,托盘将会产生共振,因此在实际传感器标定过程中应使其工作频率避开这两个共振频率。一旦共振现象发生托盘容易发生疲劳破坏,在设计时应重点考虑。1阶、2阶频率下总体变形云图如图6所示。
5.结 论
本文运用预应力模态分析技术和谐响应分析技术来对称重传感器误差标定装置托盘进行研究分析发现:
1)第 3 阶、第 4 阶和第 6 阶类模态振动对称重传感器的安装位置产生振动变形。由于托盘与传感器采用螺栓链接,在这些模态振动叠加作用下螺栓可能发生松动甚至断裂导致连接刚度下降,从而影响称重传感器的测量精度。
2) 通过谐响应分析模拟砝码加载过程中对托盘振动的影响,确定托盘在工作状态下发生共振的频率。根据上述结论可为托盘机械结构优化设计提供一定的理论参考,提高了托盘机械结构的设计效率。
