大负载纵弯谐振超声磨削变幅器的设计与试验

基于Mindlin中厚板理论,针对超声磨削系统中的大负载砂轮进行了纵弯谐振变幅器的设计研究。将纵弯谐振变幅器分为变幅杆、基体环盘、磨料层环盘三个部分,分别建立各部分的位移与应力函数,利用边界条件建立纵弯谐振超声磨削变幅器的频率方程。根据频率方程设计了超声磨削变幅器,通过有限元分析和超声谐振试验对所设计的变幅器进行了试验研究。试验结果证明:超声磨削变幅器的谐振频率与设计频率基本一致,实际测得的砂轮振幅曲线与有限元仿真和理论计算取得的曲线的形态基本一致,验证了超声磨削纵弯谐振变幅器设计方法的正确性,为超声磨削系统的设计提供了理论依据。     

纵向谐振变幅器的非谐振设计理论研究与验证

为了实现齿轮超声加工纵向谐振变幅器的设计,提出了纵向谐振变幅器的非谐振设计理论,将变幅器简化为由变幅杆、齿轮等效圆环、心轴、螺母等效圆柱四部分组成的理论分析模型,根据各部分的动力学方程、各结合面的力、位移耦合条件和两端面的边界条件,建立变幅器的频率方程,实现纵向谐振变幅器的设计。分别设计了变幅杆材料为45钢、齿轮材料为铸造锡青铜以及变幅杆材料为45钢、钛合金、硬铝合金、齿轮材料为45钢的纵向谐振变幅器,通过有限元软件ANSYS模态分析和谐振特性实验研究了变幅器的谐振特性,变幅器的谐振频率与理论设计频率的误差小于5%,在误差允许范围内,表明变幅器的非谐振设计理论对于设计齿轮超声加工纵向谐振变幅器具有很好的通用性,为齿轮超声加工振动系统的设计提供了理论基础。     

齿轮孔径比对弯曲振动变幅器谐振特性的影响研究

超声珩齿复合加工有很好的应用前景。变幅器是超声珩齿的关键部件之一。而齿轮工艺孔的大小对变幅器振动系统有一定的影响,因此设计了不同孔径比的齿轮弯曲振动变幅器,应用有限元模态分析方法,研究圆锥型变幅器和复合型变幅器在不同齿轮孔径比条件下对振动系统谐振频率的影响。结果表明:在(18~22)kHz的调节范围内,随着齿轮孔径比的增大,变幅器的振动频率逐渐减小且仍满足工程应用。当孔径比达到0.2及以上时,变幅器的振动频率明显减小或者满足条件的振动频率不存在;同时相对偏差也在逐渐减小。上述研究对超声珩齿齿轮工艺孔的选择有一定的参考价值。     

非谐振单元变幅器的设计及其动力学研究

在超声珩齿加工中,由变幅杆和被加工齿轮组成的变幅器的设计是一项关键技术,变幅器的动力学特性对齿轮的加工质量有很大影响。齿轮作为变幅杆的负载,一方面其尺寸和质量大,对变幅器谐振频率的影响不能忽略,另一方面,齿轮的尺寸是由使用要求决定的,不能被任意设计,因此现有的功率超声变幅杆的设计方法不能适用于这种情况。以Mindlin厚板理论为基础,将齿轮简化为一厚圆板,圆板外径等于齿轮分度圆直径,根据齿轮与变幅杆在连接面的耦合关系及各自的动力学方程,建立变幅杆和齿轮组合系统的动力学模型,在此基础上设计变幅器,并进行动力学特性的分析,分析结论为超声珩齿变幅杆的设计提供了理论依据。通过有限元分析验证了设计理论完全可行。     

阶梯型变幅器的动力学特性研究

根据阶梯型变幅杆位移分布方程和环盘的弯曲方程、边界条件以及力耦合条件,推导出了由非谐振环盘和阶梯型变幅杆组成的变幅器的频率方程,并据此设计出变幅器;最后,由有限元软件分析、阻抗分析仪分析以及实验验证,证明这种设计方法与实验结果比较接近,是一种有效的变幅器设计方法.     

液压颤振器的谐振特性研究

建立了一种单作用液压颤振器的简化振动模型,并推导出谐振频率。采用ANSYS分析了液压颤振器的流固耦合振动模态。实验研究发现,发生谐振时的振幅有显著增加,谐振时的波形明显比非谐振时好;另外,流固耦合作用使系统谐振频率小幅下降,发生谐振的频宽变大。     

大截面圆锥形超声变幅杆的设计及负载特性分析

通过瑞利近似理论假设,对大截面圆锥形变幅杆的纵向振动固有频率进行修正,得到了修正频率表达式,同时研究了负载对大截面圆锥变幅杆的放大系数和谐振频率的影响。利用有限元法对一组大截面的圆锥形变幅杆进行模态分析和负载特性研究,结果表明:修正后的结果与一维理论相比更接近有限元模拟值,其适用范围更大;随着负载直径和长度的增加系统频率将逐渐减小,而放大系数在不断增加,比较可得直径的影响较长度要更显著。研究结果对大截面的圆锥形超声变幅杆的工程计算和此类复合变幅杆的设计和实际应用提供理论依据。     

超声珩齿新型变幅器动力学特性研究

为解决超声珩齿振动系统的设计问题,将齿轮简化为厚环盘,基于变截面变幅杆纵向振动波动方程和中厚圆环板弯曲振动位移方程,根据中间有孔圆锥型变幅杆与中厚圆环组成的新型超声珩齿变幅器的非谐振性和边界条件,推导出了系统谐振频率方程,利用数值计算分析了变幅器的几何参数对系统谐振频率的影响。通过有限元分析得出变幅器的谐振频率与理论计算结果基本一致。在此基础上,对设计的变幅器进行了动力学试验,测得的动力学参数与理论结果一致,其结果不仅证实了非谐振理论的正确性,而且为超声珩齿变幅器的设计和应用提供了理论依据。     

基于电液式负载模拟器的谐振特性研究

为模拟运载火箭推力矢量伺服机构的工作状态,提出一种包含安装柔性和负载柔性的电液式综合负载模拟系统,能够同时模拟惯性、弹性、摩擦和常值四种负载。根据系统结构组成,建立系统的数学模型,并提出了一种简化系统闭环传递函数的方法,从而得到系统谐振峰频率的理论计算公式。搭建仿真模型,对该系统进行仿真,仿真结果表明可以通过改变质量块2来调整第二谐振峰的频率和幅值,验证了理论计算结果的正确性,同时对各种情况下系统中的谐振峰形态进行了论述,为地面测试系统中谐振峰的调整提供了一定的理论依据和方法指导。     

指数型复合变幅杆的设计及负载特性研究

设计了一个指数型复合变幅杆,应用ANSYS有限元分析软件进行模态分析和谐响应动力学分析.研究结果表明,设计的变幅杆的共振频率和放大系数与理论符合,为超声复合变幅杆及工具的设计和应用提供了一定的理论参考.     

超声珩齿指数型变幅器动力学特性研究

为研究超声珩齿振动系统的非谐振设计,扩展该理论的应用范围,提出中厚圆环板及变幅杆组成的变幅器的力耦合条件,建立了变幅器的数学模型,基于Mindlin理论推导了变幅器的频率方程。利用MATLAB软件求出了变幅器设计参数的数值解,得出了一组变幅器的设计参数,用有限元对进行模态分析,发现与理论设计要求的振型和频率完全相同,从而验证了非谐振设计方法的可行性。该理论方法使变幅器设计由含薄圆环板类齿轮的情况拓展到含中厚圆环板类齿轮的情况。     

新型大功率阶梯环形变幅器弯曲振动特性研究

阶梯型辐射体因其辐射面积大、辐射效率高等优点在大功率超声领域获得了广泛的应用。从声学工程应用角度,基于Mindlin理论推导了新型大功率阶梯环形弯曲振动变幅器在内外自由、内外固定、内自由外固定、内固定外自由4种边界条件下的频率方程,并分别进行数值求解。结果表明,4种边界条件下有限元模拟结果与厚板理论计算结果及试验测试结果误差较小;当其他参数一定时,在厚板范围内各阶频率都随圆盘基底厚度、圆盘厚度的增加而增加,随内径的增加减小;当变幅器结构参数保持不变所取的3种材料前3阶频率比较,可得45钢的频率最大,铜的频率最小,铝的频率居中。该结论对大功率阶梯型辐射体的弯曲振动辐射器的设计提供理论参考和频率调试依据。     

纵扭超声变幅杆的优化设计研究

为了减少纵扭超声加工过程中能量的损失,文中从纵扭超声振动中纵向振动与扭转振动中的同一变幅杆中同频共振条件出发,基于ANSYS有限元模态分析、谐响应分析模块,利用ANSYS优化设计方法对变幅杆结构与尺寸进行优化,设计出在同一变幅杆中纵向振动与扭转振动有共同位移节点,同时变幅杆满足许用应力且具较大振幅放大倍数。通过ANSYS仿真验证在共同节点处可对纵扭超声变幅杆进行固定。     

纵弯转换超声振动雾化系统的雾化特性研究

提出了一种由夹心式纵向振动换能器与弯曲振动圆盘构成的纵弯转换模式的超声振动雾化系统。弯曲振动圆盘的周边与变幅杆的端部相连接,并在变幅杆纵向振动的激励下产生弯曲振动。受圆盘弯曲振动的作用,液体在圆盘的端面上实现雾化。通过理论分析和实验对这一振动雾化系统的振动特性、辐射阻抗和声场进行了研究。结果表明：该系统比传统的纵向振动雾化系统具有更高的功率输出能力,并且可以使液体雾化后具有更强的指向性和作用能量。     

大截面复合超声变幅杆振动特性研究

利用有限元法分析了圆锥、指数、悬链线型三类复合大截面超声变幅杆共振频率、放大系数、位移节点随大端面尺寸变化的关系,同时分析了同一截面位置三类超声变幅杆的径向振动分布特点,并与一维纵振动结果比较,研究结果可为此类复合变幅杆的设计及应用提供理论指导。     

纵弯式压电微电机研究

分析了纵弯式压电微电机的驱动机理,提出了电机驱动臂的设计方法。研制了直径为5nm的纵弯式压电微电机并进行了实验研究。     

超声纵-扭复合空心变幅杆的振动特性分析

超声纵-扭复合振动加工具有加工效率高、切削力及切削热量较低、可降低刀具磨损等优势,而纵-扭复合空心变幅杆可提供较好的冷却和排屑效果。利用四端网络法设计了圆锥过渡空心复合变幅杆,在其锥面开设螺旋沟槽作为"模态转换器",从而在变幅杆末端成功输出纵-扭复合振动。通过有限元仿真探究了螺旋沟槽数目n、螺旋沟槽角度θ及沟槽槽宽w对谐振频率f的影响规律及敏感度,结合中心孔直径d对变幅杆节点位置、谐振频率f、放大倍数m、扭纵分量比i等的影响规律,针对开设沟槽后频率偏移问题,提出一种谐振频率修正方法,并设计试验进行了验证。     

超声珩齿指数型变幅器的动力学特性

超声振动可以有效地减小珩磨力,超声空化现象与切削液的共同作用对珩磨轮实现实时动态清洗,从而减小珩磨轮堵塞、提高加工效率,超声和珩齿进行复合加工是一种应用前景良好的齿轮精加工方法.超声珩齿的加工对象--齿轮,是一类特殊负载(直径大,厚度小),且对振动系统的加工频率影响大,在超声振动系统设计时,必须将变幅杆和齿轮组成变幅器进行全面考虑.鉴于此,根据应力耦合,将齿轮作为圆盘,采用指数型变幅杆,推导频率方程,对变幅杆的设计长度和变幅器振动频率进行数值分析,发现变幅杆的共振频率恰好是变幅器的失谐频率,变幅器的共振频率与变幅杆的固有频率也不相同,这能够为超声珩齿变幅器的设计提供理论依据.     

超声珩齿弯曲振动变幅器的位移特性

超声振动可以有效地减小珩磨力,超声空化现象与切削液的共同作用可以对珩磨轮实现实时动态清洗,从而减小珩磨轮堵塞,提高加工效率,因此超声和珩齿的复合加工是一种应用前景良好的齿轮精加工方法.超声珩齿的加工对象--齿轮,直径大,厚度小,是一类特殊负载,且对振动系统的加工频率影响大,所以在超声振动系统设计时,必须将变幅杆和齿轮全面考虑建立动力学方程.为此,将齿轮简化为圆盘,加工过程中齿轮作只有圆节线的弯曲振动,采用圆锥型变幅杆,推导变幅杆和圆盘组成的变幅器的频率方程,并利用它设计了变幅器,对变幅器动力学参数的数值计算、有限元分析及试验测量结果一致.通过计算变幅器中变幅杆和圆盘各自独立的谐振频率,发现与变幅器的谐振频率误差较大,说明变幅器设计时必须同时考虑变幅杆和圆盘的相互作用,否则设计的变幅器谐振频率误差过大.