力偶方式施加大扭矩的效果研究
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图3 力偶扭矩施加方式有限元分析应力云图
本文提出采用力偶方式施加大扭矩值。大小相等、方向相反, 但不共线的两个平行力组成的力系, 称为力偶。力偶是一种只有合扭矩, 没有合力的力系统。力偶作用于物体, 能够使物体完全不呈现任何平移运动, 只呈现纯旋转运动。对于扭矩基准装置来说, 采用力偶这种扭矩符合扭矩力学模型的施加方式, 将大大减小大扭矩施加时因为单边施加砝码带来的相关不确定度分量。
一、力偶方式与传统方式施加大扭矩的有限元分析对比
本文借助ANSYS有限元仿真计算软件对如图1所示的力臂杠杆系统进行了力偶方式和传统方式施加大扭矩的有限元计算对比。力臂杠杆模型从施力点到轴承中心的距离为l=1m, 材料选择45号钢, 其弹性模量E=2.09GPa、泊松比μ=0.27, 坐标系方向和两种扭矩施加方式如图1所示, 施加的扭矩都为M=2000Nm。
图2、图3是传统扭矩施加方式与力偶扭矩施加方式在X和Y方向的应力变化云图。从图1中对比可以看出传统扭矩施加方式在力臂杠杆与轴承的接触部分有相当程度的应力集中现象, 而力偶扭矩施加方式在此部分的应力集中现象小得多。
为具体分析对比传统扭矩施加方式与力偶扭矩施加方式在力臂杠杆与轴承接触部分的应力分布情况, 选取接触部分的8个节点 (见表1) 进行分析。表1所列出的是这8个节点在传统扭矩施加方式下以及在力偶扭矩施加方式下XY平面上的应力SXY1和SXY2。
图1 传统方式与力偶方式施加扭矩
图2 传统扭矩施加方式有限元分析应力云图
表1 两种扭矩施加方式节点应力值
由表1的数据看出, 各个节点在传统扭矩施加方式下, XY平面的应力值SXY1均大于在力偶扭矩施加方式下XY平面的应力值SXY2。通过计算SXY1/SXY2, 最大差值9号节点, 应力值SXY1是SXY2的123.28倍, 最小差值33号节点SXY1是SXY2的2.18倍。SXY1/SXY2的平均值为44.99。因此, 对比传统扭矩施加方式, 力偶扭矩施加方式将大大减少力臂杠杆与轴承的接触应力, 从而减少摩擦力矩带来的不确定度分量。
二、力偶方式施加扭矩实施方案
力偶方式施加扭矩具体实施的关键在于如何稳定施加竖直向上的力, 目前可借鉴的施力方式有采用机械传动方式加载的叠加式力标准机。量程在1MN及以下的力标准机的力值不确定度可达万分之五。但叠加式力标准机的施力系统都采用粗加载和精密加载两级加载方式, 大都采用的是液压系统, 体积庞大, 控制力源的负荷波动性不足。因此本文提出应用伺服电机驱动滚珠丝杠完成力的粗加载, 应用压电陶瓷材料作为力的微小补偿, 采用闭环反馈控制, 实现力值的精确控制 (见图4) 。
图4 力偶方式施加扭矩实施方案
压电陶瓷具有逆压电效应, 可产生位移并输出力值, 其频率响应高、动态响应快、结构简单、受外力干扰小, 其特性可以作为加载竖直向上力值的微小补偿, 提高力源负荷的波动性。
三、总结
本文采用ANSYS有限元分析软件, 对力偶方式施加大扭矩所产生效果进行了研究, 结果显示力偶方式施加大扭矩与传统扭矩的施加方式相比, 将大大减小附加摩擦力矩。本文同时提出了采用伺服电机驱动滚珠丝杠和压电陶瓷分别作为竖直向上力源的粗加载和微小补偿的方案, 以具体实施力偶方式施加大扭矩。
