高速壓力機的振動分析與控制

1、高速壓力機的振動分析與控制高速壓力機的振動分析與控制 江寶明，周星源，周玉 香，楊 洋，裴海涵 （揚州鍛壓機床股份有限公司， 江蘇 揚 州 225128 ） 摘要：隨著電子、通訊、計算機、家電及汽車 工業(yè)的迅猛發(fā)展，沖壓零件的需求量迅速增長，推動了高速 壓力機的普及應(yīng)用。而壓力機在運行過程中，不可避免會產(chǎn) 生振動和噪聲。本文著重分析高速壓力機產(chǎn)生振動的原因及 隔振措施，希望對壓力機生產(chǎn)商的設(shè)計制造提供參考。 關(guān) 鍵詞：高速壓力機；振動；隔振；控制 高速壓力機具有速 度快、精度好、自動化程度高、安全性好等優(yōu)點，在現(xiàn)代金 屬沖壓加工作業(yè)中應(yīng)用日益廣泛。高速壓力機比普通壓力機 行程次數(shù)高，一般在 2

2、001000min-1，因此在運行過程中 產(chǎn)生的振動及噪聲也相應(yīng)增加，往往對周圍環(huán)境造成不利影 響。 研究表明，長期在強振動壓力機旁工作的人，在生理 上會影響消化系統(tǒng)、聽覺系統(tǒng)，并導(dǎo)致嘔吐、頭昏和中樞神 經(jīng)系統(tǒng)紊亂等現(xiàn)象；在心理上則會使人產(chǎn)生疲倦、心情慌亂 并對工作產(chǎn)生厭惡感， 導(dǎo)致工作效率降低。 壓力機振動大， 會加大壓力機零件之間的摩擦、增大設(shè)備的能耗，其本身亦 會出現(xiàn)螺栓松動、零件損傷、電氣元件失效、模具異常磨損 等不良影響，進而縮短設(shè)備的使用壽命。一旦機械壓力機出 現(xiàn)故障， 就會增加維修成本， 給企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營造成巨大損失。同時，壓力機振動能量的一部分通過各種構(gòu)成部件釋放到空 氣中，成為

3、沖壓的主要噪聲源。因此控制壓力機的振動還可 直接降低噪聲。 另外，高速壓力機的振動還會激起基礎(chǔ)振動， 并向地表傳播，使其他精密設(shè)備儀器受到干擾、精度下降。 振動傳至附近的居民區(qū)，亦會對人的正常生活產(chǎn)生影響。 1 高速壓力機產(chǎn)生振動的因素分析 1.1 壓力機本身的結(jié)構(gòu)因 素 機械壓力機工作部分曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，由飛輪作為儲能元 件，飛輪質(zhì)量分布不均時，在高速運轉(zhuǎn)中必然會產(chǎn)生不平衡 的慣性力，即為引起飛輪系統(tǒng)振動的干擾力，造成飛輪系統(tǒng) 的振動，再經(jīng)過支承傳遞給機身，引起整機的振動。 建立 如圖 1 所示的飛輪 -橫梁振動系統(tǒng)， 若飛輪系統(tǒng)的質(zhì)心 a 不在 回轉(zhuǎn)中心0點而偏一個距離e,假設(shè)飛輪系統(tǒng)的質(zhì)量

4、為m ,角速度為3,則回轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的不平衡慣性力F=mew 2;垂直方向的分力，即飛輪系統(tǒng)持續(xù)不斷地產(chǎn)生縱向振動的干擾力 S=md 2sin 3 t，可知S是按正弦規(guī)律變化的， 其振動為簡諧 振動。 圖 1 飛輪 -橫梁振動系統(tǒng)圖 1.飛輪 2.上橫梁 根據(jù)振 動理論,產(chǎn)生振動需要質(zhì)量和彈性兩個因素。為方便研究, 我們將系統(tǒng)簡化為如圖 2 所示的質(zhì)量 -彈性系統(tǒng),將飛輪系統(tǒng) 視為質(zhì)量,將橫梁系統(tǒng)視為彈性體。 圖 2 中, 0 點為飛輪 靜平衡時質(zhì)心位置，入 為靜止時壓下量，k為彈性系數(shù)，則 有mg=kX ;若圖中01點為質(zhì)心在干擾力 S的作用下又下移 距離y后的瞬時平衡位置，則有F=-k（入+y

5、）。根據(jù)運動基本 定律，得到 圖 2 飛輪靜平衡力學(xué)圖 令干擾力的最大值SO=mew 2,代入式(1)得到 轉(zhuǎn)化為二階常系數(shù)非齊次線 性微分方程，得到 求解得到 顯然，減小振動的途徑為減 少干擾力SO,因此一定要對飛輪系統(tǒng)進行動平衡校正試驗， 并盡量使飛輪系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)中心靠近壓力機的幾何中心。 1.2 曲柄滑塊機構(gòu)的運動因素 如圖 3 所示,壓力機曲柄滑塊機 構(gòu)的速度、加速度和轉(zhuǎn)角有如下的關(guān)系： 速度V=Rw (sin a + 入 /2sin2 a 加速度 a=R® 2(cos a + 入 cos2 式 中：入=R/L o圖3曲柄滑塊機構(gòu)簡圖由上述公式可得：當(dāng)a =0°時V=

6、0, a=|amax| , a角增大 V隨之增大；當(dāng)a =75 90° 時,V=Vmax , a=0 ;當(dāng) a =180 °時,V=0 , a=|amax|。就 是說，曲柄滑塊機構(gòu)在一個工作循環(huán)中，其速度和加速度分 別按正弦、余弦規(guī)律變化，因此曲柄滑塊機構(gòu)在運動中要產(chǎn) 生不斷變化的慣性力，速度越大，這種慣性力及其變化也越 大，即： F=|ma|=|mR 3 2(cos a +入cos2 a顯然，在運動的 上下死點處慣性力最大，其值為 F=|m R3此慣性力是屬 于運動系統(tǒng)的內(nèi)干擾力， 也會引起壓力機的振動。 實踐證明， 這種振動往往還很嚴重,不僅影響曲柄滑塊機構(gòu)中零件的強

7、度,而且對機身、軸承、壓力機的精度均有影響。 1.3 沖壓 作業(yè)中加工力的因素 高速壓力機的公稱壓力行程較小,實 際工作行程還要更小,因此壓力機在完成沖壓零件時呈現(xiàn)出 一種短時高峰負荷、長時空載的脈沖沖擊負荷特征。沖裁開始時，沖頭與板料接觸要有沖擊，板料沖穿后會產(chǎn)生失荷沖 擊，這些均要引起強烈的振動。根據(jù)研究數(shù)據(jù)，當(dāng)沖入厚度 達到板料厚度的 45% 左右時， 沖裁力升到最大峰值， 此時機 身、曲柄滑塊機構(gòu)在封閉力系作用下，均要產(chǎn)生彈性變形， 其彈性變形量與沖裁力呈線性關(guān)系。而在沖裁的高峰負荷階 段，壓力機將積蓄一定的彈性勢能， 當(dāng)板料被剪斷的一瞬間， 沖頭突然失荷，壓力機積蓄的彈性勢能將在極短

8、時間內(nèi)釋放 出來而導(dǎo)致壓力機產(chǎn)生強烈的振動。 1.4 壓力機啟動過程及 停止過程引起的振動 壓力機的啟動及停止，是通過離合器 與制動器交替結(jié)合與分離來實現(xiàn)的。當(dāng)離合器結(jié)合時，要驅(qū) 使靜止的曲柄滑塊機構(gòu)加速運動，此時曲柄滑塊機構(gòu)的慣性 力即為飛輪系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)阻力，即干擾力，此干擾力必然會引 起壓力機的振動。當(dāng)制動時，從動部分的慣性力對制動器固 定盤會產(chǎn)生干擾力，同樣會引起壓力機的振動，尤其是緊急 制動時，這種振動更加明顯。 2 高速壓力機的振動防止措 施 2.1 對壓力機本身的結(jié)構(gòu)因素引起的振動控制 飛輪的不 平衡可通過動平衡校正來消除；對曲軸偏心部分及滑塊往復(fù) 運動的不平衡，一般是通過在曲軸偏心

9、曲拐處增加平衡塊來 抵消。至于高速壓力機，要實現(xiàn)平穩(wěn)的運動，最好對往復(fù)運 動部分的質(zhì)量進行平衡，簡單的平衡裝置采用對向滑塊式結(jié) 構(gòu)，復(fù)雜的采用搖動式結(jié)構(gòu)。同時，動平衡機構(gòu)也可以用來 減小或消除壓力機在啟動過程及停止過程中回轉(zhuǎn)部件加速、 減速引起的振動。平衡機構(gòu)一般會增加回轉(zhuǎn)部分的慣性矩， 因而會破壞機床的停止性能，因此在平衡方案設(shè)計時要注意。2.2 對加工力引起的振動控制 在沖壓作業(yè)中， 振動力的大小 與壓力機的剛度和綜合間隙有關(guān)。 壓力機的剛度大， 各連接、 運動部分的綜合間隙小，則振動小，因此高速壓力機一般來 說比普通壓力機剛度大、綜合間隙小。 由于沖壓作業(yè)是一 種苛刻的作業(yè)，對一般板材（

10、沖入率38%60%）進行沖壓時， 如果考慮到滑塊的加速度，可算出其反向負荷約為壓力機公 稱力的 30% 。因此，在沖壓作業(yè)時，沖裁力最好不要超過公 稱力的 70% ，這樣可大大降低壓力機的振動。 2.3 采取必 要的隔振系統(tǒng)，延長彈性勢能的釋放時間 在沖壓結(jié)束的一 瞬間，彈性勢能迅速釋放，必然引起強烈的振動，如果設(shè)法 使壓力機在失荷的瞬間遇到一種阻尼作用，使彈性勢能較緩 慢的釋放，將會大大減小振動。實踐證明在壓力機上采用隔 振器對減少振動的效果很好。 高速壓力機上常采用的隔振 器有彈簧阻尼隔振器、橡膠隔振器、空氣彈簧隔振器、液壓 緩沖器等。彈簧阻尼隔振器是目前工程中使用較為普遍的一 種隔振元件

11、，它由螺旋鋼彈簧及抗老化的阻尼液和金屬殼體、 固定墊板、調(diào)平鋼板等部件構(gòu)成。彈簧能為壓力機在工作狀 態(tài)時提供給緩沖，降低系統(tǒng)固有頻率。阻尼液能在壓力機受 到振動干擾和過共振區(qū)的情況下瞬間吸收振動能量。因此彈 簧阻尼隔振器具有良好的減振和降噪性能。 3 結(jié)論 （1）高速壓力機的激振力主要為曲柄滑塊結(jié)構(gòu)的慣性力和加工 力，一般情況下前者大于后者， 但激振頻率是前者小于后者。 研究表明，當(dāng)隔振系統(tǒng)的固有頻率和慣性激振力頻率之比小 于 1/ 時，對慣性激振力會有隔振效果，對加工力自然更有隔 振效果。為獲得更好的隔振效果，可使隔振系統(tǒng)的固有頻率 盡可能降低。 (2)高速壓力機的行程次數(shù)在2001000次

12、/分鐘之間， 對于不同的行程次數(shù)， 應(yīng)考慮采用不同的隔振 方法。 ( 3)高速壓力機隔振是一個比較復(fù)雜的問題，在隔 振處理時，要根據(jù)實際情況，選用合理的隔振方法。參考文獻： 1何德譽 .曲柄壓力機 M. 北京：機械工業(yè)出版社， 1981. 2 董 康，陳康寧，李天石 .機械控制理論基礎(chǔ) M. 西安： 西安交通大學(xué)出版社， 2005. 3 孫明江，王興松 .閉式高速 壓力機的隔振研究 J.控制工程，2013 , (4).4張德峰.高速壓力機隔振設(shè)計與實驗研究 D. 南京：東南大學(xué)， 2009. Vibration analysis and control of high-speed press

13、JIANG Baoming ， ZHOU Xingyuan ， ZHOU Yuxiang ， YANG Yang ， PEI Haihan( Yangzhou Metal Forming Machine Tool Co.,Ltd.,Yangzhou 225128,Jiangsu China ) Abstract ：The reasons for vibration generated by high-speed press have been mainly analyzed in the text, as well as the isolation measures.It is hoped to provide reference for the designand manufacture of the press. Keywords：High-speedpress;Vibration;Vibration iso