地磅稱重傳感器托盤的動態特性研究

鑒于托盤的穩定性對于地磅稱重傳感器誤差標定裝置的測量精度而言有著重要的影響,因此研究托盤在工作過程中發生受迫振動問題有一定的必要性。利用P ro/E 三維設計軟件首先建立好托盤三維模型, 然后通過有限元軟件A N S Y S 結合模態、諧響應分析技術對托盤結構進行動態特性研究。其結果表明:第 3 階、第 4 階和第 6 階類模態振動對托盤上稱重傳感器的安裝部位影響最大。通過幅頻曲線確定托盤各個危險區域的共振頻率,為避免稱重傳感器誤差標定裝置在實際工作中產生共振提供理論參考。

0引言

伴隨著地磅傳感器廣泛應用在測量、控制以及通信等領域,我國工業化的飛速發展在傳感器的制造和設計等方面水平不斷提高,隨著對傳感器的要求不提高,如高精度、高可靠性,因此非常有必要對稱重傳感器進行標定,稱重傳感器標定裝置的設計現已成為機械設計行業的一大熱點。稱重傳感器誤差標定的精度與托盤的穩定性有著密切的聯系,從目前來看,應用理論分析及試驗研究的方法來對托盤進行研究已經成為國內外主流研究趨勢,國外的學者RATNAM M M等研究了托盤的靜態變形,國內學67812345圖1稱重傳感器誤差標定裝置結構圖1.托架2.Y坐標直線導軌運動機構3.氣缸砝碼組機構4.托盤5.氣缸夾具夾緊機構6.托盤抬升機構7.稱重傳感器8.X坐標直線導軌運動機構限元軟件來對托盤的固有振型、頻率、托盤結構在承受諧載荷時的受迫振動等問題進行研究,可為托盤結構優化設計提供理論依據,從而使得托盤設計的可靠性得到了保證。利用有限元分析可以縮短設計周期降低成本,為避免在傳感器工作中發生共振提供重要的理論參考。

1稱重傳感器誤差標定裝置工作原理

稱重傳感器誤差標定裝置。總體結構如圖1所示。稱重傳感器標定裝置基本的標定流程如下: 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,然后進行夾緊。然后通過XY坐標移動裝置首先將砝碼移動加載機構移動到托盤的中間上方, 到達托盤中間上方時在氣缸的推動下砝碼緩慢地加載到托盤上。當整個砝碼加載過程趨于穩定后, 數據采集系統開始工作, 并將數據采集到計算機中完成一次標定過程,再重復上述步驟完成對托盤四個角標定。

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。網格劃分采用了四面體類型的網格設置, 有限元網格的劃分對后面預應力模態分析以及諧響應分析的精確性有著密切相關,根據實際情況我們要合理地設置好網格劃分的各個參數以滿足實際情況的要求。經過網格劃分得到的托盤有限元模型共有 395 63 個

節點233 07個單元, 三維模型圖與有限元模型如圖2所示。

3.預應力模態分析

任何一種機械結構都存在固有的模態振型、頻率以及阻尼比。模態分析技術現在已經廣泛應用在許多工程領域中，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環境的污染，以及利用模態分析技術來對產品進行優化設計,從而提高產品的動態特性等。模態分析技術的廣泛應用已經成為對產品動力學分析的一種重要手段,可以分析、預測、評價和優化產品的動態特性。

在實際工程當中,低階共振現象經常發生,而高階模態由于阻尼比較高, 一般情況下不會出現共振或者說不可能發生共振現象, 結構的動態特性由低階振型決定。

因此,有必要對托盤的固有頻率和振型進行研究,通過對托盤的前六階模態進行分析, 并根據實際標定過程中托盤承受的最大載荷施加預應力如圖3所示,得出預應力模態下托盤前六階固有頻率及對應振型如表1。

通過對比托盤的各階位移云圖, 發現在托盤的前 6階模態振型中第 3、4、6 階模態振型皆會在稱重傳感器安裝位置產生振動變形, 從而對稱重傳感器產生外部載荷,影響稱重傳感器的精度,其應變云圖,如圖 4 所示,在模態分析中振型幅值并不能反映實際振動幅值的大小, 因此圖中托盤的振動幅值并不是實際加載過程中托盤實際受到的振動幅值。

4.諧響應分析

諧響應分析技術可以對機械結構的穩態受迫振動進行計算, 從而分析托盤機構能不能克服砝碼加載過程中引起的共振, 以及其他受迫振動可能引發的對托盤機械結構不利的影響。利用諧響應分析技術,可以對托盤的機械結構進行優化設計, 可以有效避免共振的發生,從而提高稱重傳感器的精度。本文采用模態疊加法對托盤進行諧響應分析, 根據模態分析的結果以及傳感器的工作環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,取托盤中部進行振動諧響應分析。通過諧響應分析得到了托盤裝置各個節點在振動頻率為0～Hz時的位移響應曲線,如圖5所示。

當外部振源激勵頻率為 0～300 Hz 時,托盤部位最大相對變形及其頻率如表2所示。與模態分析中的托架固有頻率表（表1）相對照,發現其出現峰值時的頻率與固有模態第1階103.67 Hz 和第 2階 139.77 Hz 頻率相接近。從幅頻響應曲線圖中我們可以清楚看到, 當振源與這兩個頻率接近時,托盤將會產生共振,因此在實際傳感器標定過程中應使其工作頻率避開這兩個共振頻率。一旦共振現象發生托盤容易發生疲勞破壞,在設計時應重點考慮。1階、2階頻率下總體變形云圖如圖6所示。

5.結 論

本文運用預應力模態分析技術和諧響應分析技術來對稱重傳感器誤差標定裝置托盤進行研究分析發現:

1)第 3 階、第 4 階和第 6 階類模態振動對稱重傳感器的安裝位置產生振動變形。由于托盤與傳感器采用螺栓鏈接,在這些模態振動疊加作用下螺栓可能發生松動甚至斷裂導致連接剛度下降,從而影響稱重傳感器的測量精度。

2) 通過諧響應分析模擬砝碼加載過程中對托盤振動的影響,確定托盤在工作狀態下發生共振的頻率。根據上述結論可為托盤機械結構優化設計提供一定的理論參考,提高了托盤機械結構的設計效率。