【正文】 在此基礎(chǔ)上。為此，許多國家都研制開發(fā)了大型通用的有限元軟件，其功能也日益完善。到了 20 世紀(jì) 70 年代中期，有限元法形成了完備的理論，其應(yīng)用已由彈性力學(xué)平面問題擴(kuò)展到空間問題、板殼問題，由靜力學(xué)問題擴(kuò)展到穩(wěn)定問題、動力學(xué)問題，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)等學(xué)科，成為應(yīng)用廣泛的分析工具 [13]。 1969 年 Oden 。 1964 年 Besseling 。 1955 年美國波音飛機(jī)制造公司的結(jié)構(gòu)工程師 Turner Clough 構(gòu)時(shí)，第一次采用直接剛度法給出了用三角形單元求解平面應(yīng)力問題的正確答案。固體力學(xué)中最早采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的是桿系結(jié)構(gòu)力學(xué)，以桿件為單元，稱為矩陣位移法，它為有限元理論提供了思路。 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 章 碰摩裝置的設(shè)計(jì) 29 圖 碰摩裝置定子部分固定結(jié)構(gòu) 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 章 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的靜力學(xué)與模態(tài)分析 29 第 4章 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 靜力學(xué)與模態(tài)分析 有限元分析方法簡介 有限元法是以計(jì)算機(jī)為工具、根據(jù)變分原理求解數(shù)學(xué)和物理問題的一種現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算方法。 定子部分由兩個(gè)半圓弧結(jié)構(gòu)的鋁合金滑套組成，使用鋁合金材料能減小碰摩時(shí)軸的磨損，滑套 通過螺釘連接固定在固定架上，固定架為鋼結(jié)構(gòu)，通過螺栓連接上下兩部分，其上下左右通過固定板連接了四個(gè) 9333A 型壓力傳器。為此，導(dǎo)軌大多需要淬火處理。 對導(dǎo)軌的技術(shù)要求有： （ 1）導(dǎo)軌的精度要求 導(dǎo)軌面的平面度通常取 ，長度方 面 的直線度通常取,側(cè)導(dǎo)向面的直線度取 ,側(cè)導(dǎo)向面之間的平行度取,側(cè)導(dǎo)向面對導(dǎo)軌地面的垂直度取 。 （ 4）低速運(yùn)動平穩(wěn)性 要使導(dǎo)軌的摩擦阻力小，運(yùn)動輕便，低速運(yùn)動時(shí)無爬行現(xiàn)象。因?qū)к壴诠ぷ鬟^程中難免磨損，所以應(yīng)力求減少磨損量，并在磨損后能自動補(bǔ)償或便于調(diào)整。無論在空載或切削工件時(shí)導(dǎo)軌都應(yīng)有足夠的導(dǎo)軌精度，這是對導(dǎo)軌的基本要求 [12]。當(dāng)運(yùn)動件沿著承導(dǎo)件作直線運(yùn)動時(shí)，承導(dǎo)件上的導(dǎo)軌起支承和導(dǎo)向的作用，即支承運(yùn)動件和保證運(yùn)動件在外力（載荷及運(yùn)動件本身的重量）的作用下，沿給定的方向進(jìn)行直線運(yùn)動。 滾珠絲杠一般采用角接觸球軸承和深溝球軸承進(jìn)行支撐，其中軸向角接觸球軸承是一種具有高剛度、低扭矩、高精度、能承受很大軸向負(fù)載的特殊角接觸球軸承，通過考慮，本次設(shè)計(jì)選用的是軸向角接觸球軸承，其型號為 7204C,下面計(jì)算該軸承的壽命； 收集相關(guān)受力數(shù)據(jù)，建立力學(xué)模型（圖 37），其中 R1=R1=2N,Fa=165N。 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 章 碰摩裝置的設(shè)計(jì) 26 3 電機(jī)扭矩 電機(jī)所需要的驅(qū)動扭矩在等速運(yùn)動、加速運(yùn)動、減速運(yùn)動時(shí)是不同的，應(yīng)根據(jù)式計(jì)算出電機(jī)所需要的驅(qū)動扭矩的最大值，所選用的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)滿足以下關(guān)系：電機(jī)的額定輸出扭矩 TM 負(fù)載的最大扭矩。步進(jìn)電機(jī)所需要的步距角 sθ 必須與機(jī)械系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 Δl 、滾珠絲杠的導(dǎo)程 BP 相匹配，其關(guān)系為： Bs PΔlθ ??360 （ 314） 2 運(yùn)行脈沖速度 2f 步進(jìn)電機(jī)所需要的運(yùn)行脈沖速度可以根據(jù)進(jìn)給脈沖速度及脈沖當(dāng)量求出： ΔlVf max2 1000? （ 315） 其中 maxV 負(fù)載最高進(jìn)給速度， m/s。本次設(shè)計(jì)選用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點(diǎn)。 電機(jī)的選型： 由于滾珠絲桿機(jī)構(gòu)一般都用于精密的進(jìn)給機(jī)構(gòu)，所以在使用滾珠絲桿時(shí)，通常都通過伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，其中伺服電機(jī)驅(qū)動一般用在要求高精度、高效率，高可靠的運(yùn)動控制場合，而步進(jìn)電機(jī)用在要求比伺服電機(jī)稍低的場合， 步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動的電磁執(zhí)行元件 ， 每輸入一進(jìn)一個(gè)步距角增量 ， 電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率 。 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 章 碰摩裝置的設(shè)計(jì) 25 Ls—— 工作行程， mm。 Fn—— 軸向載荷， N。 Lh—— 由運(yùn)行時(shí)間表示的額定疲勞壽命， h。 滾珠絲杠壽命計(jì)算及校核 即使是合理的設(shè)計(jì)、選用滾珠絲杠機(jī)構(gòu)，經(jīng)歷了一定時(shí)間的運(yùn)行后，滾珠絲杠機(jī)構(gòu)都會因?yàn)槟p而不能繼續(xù)使用，從開始使用直至不能使用的時(shí)間稱為滾珠絲杠的壽命，造成滾珠絲杠壽命有限的原因除磨損造成的精度下降外，還有因?yàn)槠谠斐傻钠趬勖?，工程上主要以滾珠絲杠的疲勞壽命來推算其額定壽命。 amaxF 滾珠螺母實(shí)際允許的最大軸向載荷， N。選定螺母型號需要選定并校核以下內(nèi)容： 1 選定螺母類型，根據(jù)安裝空間大小優(yōu)先選定了法蘭型滾珠螺母，型號為FFZD16053(其公稱直徑為 16mm，導(dǎo)程為 5mm，鋼球直徑為 ，基本額定動載荷為 基本額定靜載荷為 ) 圖 法蘭型滾珠螺母 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 章 碰摩裝置的設(shè)計(jì) 24 2 滾珠螺母允許軸向載荷計(jì)算及校核 為了使機(jī)構(gòu)可靠工作，特別是考慮沖擊及起動，停止時(shí)的慣性力影響，必須在額定載荷的基礎(chǔ)上考慮一定的安全系數(shù)，通常用靜安全系數(shù) fs 表示。 42 ??P N, 故滿足要求。 Dr—— 絲桿溝槽最小直徑， mm； σ — 絲杠材料的允許拉伸壓縮應(yīng)力（通常情況下 ζ =147N/mm2). 校核原則：必須保證實(shí)際最大軸向載荷小于上述最大軸向允許載荷計(jì)算值。絲杠安裝間距為 300mm. 41 ??P N, 故滿足要求。 2ηη — 與安裝方式有關(guān)的系數(shù)（由于安裝方式為固定 支撐，故 21ηη、 的值分別為 10） 式 (39)表示絲杠在不發(fā)生彎曲的前提下所允許的最大軸向載荷，公式中考慮了安全系數(shù)（ ）。 Dr—— 絲杠溝槽最小直徑， mm。 軸向允許載荷計(jì)算及校核：計(jì)算出最大軸向載荷后，就可以直接進(jìn)行軸向允許載荷計(jì)算及校核了，校核原則為： 1 在最大軸向載荷作用下絲杠不會發(fā)生彎曲 2 在最大軸向載荷下作用絲桿不會發(fā)生屈服 1 絲桿在不發(fā)生彎曲的前提下所允許的最大軸向載荷計(jì)算：這種軸向允許載荷與絲杠安裝方法，絲杠安裝間距，絲杠溝槽最小直徑等因素有關(guān) 計(jì)算公式為 42422211 10π50 ???? LdηL r (39) 其中， P1—— 最大軸向允許載荷， N。所以實(shí)際上只對這種最大軸向載荷的情況進(jìn)行計(jì)算就可以了。 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 章 碰摩裝置的設(shè)計(jì) 22 a— 負(fù)載滑塊運(yùn)動的加速度， m/s2。 圖 滾珠絲桿機(jī)構(gòu)工作示意圖 根據(jù)力學(xué)原理，可知各種工作情況下的軸向載荷分別為： 加速前進(jìn)時(shí) mafumgF ???1 (33) 等速前進(jìn)時(shí) fumgF ??2 (34) 減速前進(jìn)時(shí) mafumgF ???3 (35) 加速返回時(shí) mafu mgF ????4 (36) 等速返回時(shí) fumgF ???5 (37) 減速返回時(shí) mafu m gF ????6 (38) 其中， F1~F6—— 各種運(yùn)動狀態(tài)下的軸向載荷， N。在一定的絲杠外徑下，絲桿有可能無法承受使用條件下的最大軸向載荷而發(fā)生彎曲，因此還必須對初選絲桿進(jìn)行軸向允許載荷校核，使絲桿直徑具有足夠的剛度，保證在最大軸向載荷下絲桿不會發(fā)生彎曲變形。 使用時(shí)要求電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 NR 必須不小于上述計(jì)算值 NM: NR ≥NM=24r/min 最大進(jìn)給速度設(shè)為 , 步進(jìn)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速大于 24r/min 則 5m m6010 3m a x ????iNVP RB （ 32） 故導(dǎo)程為 5mm滿足要求。 PB—— 滾珠絲杠的導(dǎo)程 ， mm。 校核：根據(jù)導(dǎo)程定義，電機(jī)所需要的轉(zhuǎn)速 NM, 與最大進(jìn)給速度 Vmax， 絲桿導(dǎo)程 PB， 減速比 i之間的關(guān)系為（初步選用步進(jìn)電機(jī)型號為 42HS02，步距角為? ，即轉(zhuǎn)一圈為 200 個(gè)脈沖） ipVN BM 60103m a x ??? （ 31） 其中， NM——— 電機(jī)所需要的轉(zhuǎn)速， r/min。 絲桿精度選擇：工作行程為 270mm，要求從一個(gè)方向進(jìn)給時(shí)定位精度為? ,故精度等級為 C7。 絲桿的固定端與支撐端的支撐件均采用角接觸 球軸承。 滾珠絲杠兩端一 端為固定端一端為支撐端，這種固定方式也適合于精度較高的場合。 (7)傳動效率高 通常在螺紋絲杠機(jī)構(gòu)中僅能夠達(dá)到 20%40%的機(jī)械傳動效率，而滾珠絲杠機(jī)構(gòu)可以獲得很高的機(jī)械傳動效率，最高可以達(dá)到 98%. 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 章 碰摩裝置的設(shè)計(jì) 20 (8)使用壽命長 滾珠絲杠機(jī)構(gòu)中螺母及絲杠的硬度均達(dá)到 HRC58HRC62，滾珠硬度達(dá)到 HRC62HRC66，而且采用滾動的相對運(yùn)動方式，幾乎在沒有磨損的狀態(tài)下運(yùn)行，因而可以達(dá)到較長的使用壽命。 (6)能高速進(jìn)給 由于滾珠絲杠機(jī)構(gòu)可以制造成較大的導(dǎo)程，傳動效率高，發(fā)熱低，因而能實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給。最小進(jìn)給量可達(dá) m。 (3)高精度 滾珠絲杠機(jī)構(gòu)在加工、組裝、檢測等環(huán)節(jié)都經(jīng)過嚴(yán)格的控制，屬于高精度的傳動機(jī)構(gòu)，加上運(yùn)行時(shí)發(fā)熱較少，可以實(shí)現(xiàn)很高的傳動精度，使負(fù)載精確定位。 滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)： (1) 驅(qū)動扭矩小 由于滾珠絲杠機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)滾珠沿絲杠與螺母共同組成的螺旋滾道作滾動運(yùn)動，運(yùn)動阻力極小，驅(qū)動扭矩僅為為螺紋絲桿機(jī)構(gòu)的 1/3 以下，只需要很小的驅(qū)動功率 [10]。 碰摩裝置方案的選擇及其設(shè)計(jì) 經(jīng)過加工經(jīng)濟(jì)性，整體剛度，進(jìn)給穩(wěn)定性等多方面的綜合比較，本人選取了第四種碰摩裝置設(shè)計(jì)方案，下面對該碰摩裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說明。 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 章 碰摩裝置的設(shè)計(jì) 18 方案四（圖 ） 圖 碰摩裝置 該方案為本人初步設(shè)計(jì)的碰摩裝置的第三個(gè)方案，該方案任采用步進(jìn)電機(jī)絲杠傳動的進(jìn)給系統(tǒng)，而對碰摩裝置的上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，定子部分回歸了為由兩個(gè)半圓弧結(jié)構(gòu)的滑套組成，通過螺釘連接固定在固定架上，固定架為鋼結(jié)構(gòu)，其上下左右也通過固定板連接了四個(gè) 9333A 型壓力傳感器。進(jìn)給系統(tǒng)沿用了步進(jìn)電機(jī)螺紋螺桿傳動，但將滑塊在燕尾槽上的滑動形式設(shè)計(jì)成上圖所示的滾動形式，減小了進(jìn)給時(shí)的摩擦力。整個(gè)碰摩裝置上部結(jié)構(gòu)較方案一更加穩(wěn)定。進(jìn)給系統(tǒng)為步進(jìn)電機(jī)螺紋螺桿傳動，使滑塊沿燕尾槽直線運(yùn)動，從而帶動固定于滑塊上的外支架移動，從而改變定轉(zhuǎn)子間間隙，從而改變碰摩程度。碰摩故障輕則使機(jī)組振動劇烈增加，影響機(jī)組使用壽命；重則引起轉(zhuǎn)子永久彎曲，甚至引發(fā)機(jī)毀人亡 的 惡性事故，目前常見的碰摩形式有單點(diǎn)碰摩，多點(diǎn)碰摩，局部弧形碰摩以及圓形整周碰摩，由于實(shí)際生產(chǎn)工作中主要碰摩形式 為局部弧形碰摩，為完整模擬轉(zhuǎn)定子碰摩全過程，采用整周碰摩裝置模擬局部碰摩，故此次設(shè)計(jì)碰摩裝置傾向于圓周碰摩 [9]。 11 箱體（圖 ） 圖 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 章 壓縮機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì) 14 總共有 4 個(gè)箱體，對試驗(yàn)臺起支撐作用，采用灰口鑄鐵，鑄鐵中的石墨組織松軟，能夠吸收震動，使得鑄鐵具有良好的消震性。 10 隔振橡膠 隔震橡膠能大大減小實(shí)驗(yàn)臺振動向地面的傳遞。臺面進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力的退火處理，