基于Ansys的超大中空液压伺服摆动马达有限元分析

　　中空轴大直径液压伺服摆动马达是一种在多自由度高性能转台等关键设备中具有重要用途的关键驱动元件。[1]与其它形式的伺服驱动元件相比,中空液压伺服马达具有诸如以下的优点:由于回转轴中空而可确保被驱动负载的轴中心内部安装,满足了某些被驱动负载的特殊安装要求;避免了采用伺服电机驱动方式下的电磁兼容干扰 ^[2].。

　　由于某型号多自由度液压转台[3]的需要,笔者设计并研制了一台转轴中空直径达550mm的液压伺服摆动马达,这是目前国内中空直径尺寸为最大的液压伺服摆动马达。由于该伺服马达的超大中空直径,导致转轴和缸体在液压油压力作用下的刚性承载成为必须慎重考虑的问题。是否能设计并研制出零件结构合理、系统运行可靠的中空液压马达成为项目成败的关键之一。

　　基于Ansys软件平台对中空液压伺服摆动马达进行有限元分析是确保马达核心零件优化设计的重要步骤,因而也成为十分必要和有意义。

　　1　中空液压马达的结构及问题提出

　　本系统所用的中空液压马达是在双叶片摆动马达基础上研发的,图1为中空液压伺服马达的结构示意图。

　　此中空液压伺服马达中空轴的内径达φ550mm,而该马达在多自由度转台中作为转台的内框,从外框驱动马达的负载角度考虑,中空液压伺服马达在整体重量上有明显限制,不允许中空轴与缸体的壁很厚以致马达对中框和外框转轴转动惯量过大,同时又要在液压油压力作用下具有足够的刚度和强度要求。因而存在马达转轴、端盖、外套等零件既要重量轻、又要在液压腔油压力作用下具有足够的抗变形能力和强度这样一对矛盾。所以对中空马达进行有限元计算分析是确保中空马达设计质量的必要基础。

　　系统刚度是中空液压伺服马达研制过程中面临的主要问题之一。例如马达缸体与中空转轴变形大,将有可能导致泄漏加剧,进而降低系统频带和刚性,所以必须对其进行合理选材和结构设计。在材料的选择方面,马达的缸体和中空转轴均选用40Cr钢,其较好的机械性能为马达的刚性提供很好的基础。

　　为了能对中空液压马达的抗变形能力和强度有一个清晰的认识,我们利用Ansys软件的强大结构分析功能对中空液压马达进行了相应建模和有限元分析。

　　2　Ansys有限元分析原理及失效准则

　　在机械结构的动力学分析中, Ansys有限元法是利用弹性力学有限元法建立的机械结构的动力学模型,进而可以计算出机构的响应变形,响应应力等动力响应。同时也可以根据动力学模型,计算出机构的故有频率、振型等模态参数。