Designer在龍門(mén)機(jī)床部件優(yōu)化中的應(yīng)用分析

錢(qián)鳳來(lái)，李 勇

1.沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司中捷機(jī)床，遼寧 沈陽(yáng) 110141 2.沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司中捷鉆鏜床廠，遼寧 沈陽(yáng) 110141

0 引言

傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，會(huì)在工作運(yùn)行中對(duì)龍門(mén)機(jī)床造成嚴(yán)重的危害并影響工作性能，因此龍門(mén)機(jī)床設(shè)計(jì)工作者對(duì)關(guān)于傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)方面的問(wèn)題必須認(rèn)真解決。在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)過(guò)大的情況下工作，可能導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪打齒、斷軸，甚至對(duì)電機(jī)的性能指標(biāo)產(chǎn)生不良影響。EXCITE-designer是AVL公司開(kāi)發(fā)一款力學(xué)模擬軟件，既可以用于動(dòng)力、傳動(dòng)系統(tǒng)的初期開(kāi)發(fā)，也可以對(duì)現(xiàn)在生產(chǎn)的機(jī)型的動(dòng)力、傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)或校核。它具有界面平易近人、模塊功能強(qiáng)大、后處理功能靈活等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)包括：傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算、傳動(dòng)系統(tǒng)部件強(qiáng)度計(jì)算、液體動(dòng)力軸承計(jì)算等的計(jì)算任務(wù)，并且以據(jù)其計(jì)算結(jié)果對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文針對(duì)以某龍門(mén)機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)在分別安裝皮帶輪和扭轉(zhuǎn)減振器條件下的工作作業(yè)情況展開(kāi)討論和研究，應(yīng)用EXCITE-designer軟件為傳動(dòng)系統(tǒng)建立扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型，并進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算，并闡述了扭轉(zhuǎn)減振器能在改善傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性方面的效果，最后將“橡膠減振器”與“硅油減振器”的減振效果進(jìn)行了對(duì)比。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析

1.1 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)模型的建立

機(jī)床的振動(dòng)按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類(lèi)，主要可以分為兩大類(lèi)：1）即振動(dòng)主要是由機(jī)床的大部件所組成的構(gòu)件系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)；2）主要由機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)部件組成的傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)。傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)一般危害性很大，會(huì)對(duì)機(jī)床的工作性能產(chǎn)生產(chǎn)重的不良影響，比如：因?yàn)檐?chē)床傳動(dòng)絲杠出現(xiàn)顫振，從而產(chǎn)生加工出的螺紋和蝸桿的精密鏟平的表面出現(xiàn)波紋，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢；銑床在進(jìn)行在重切削作業(yè)時(shí)，升降進(jìn)給系統(tǒng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，發(fā)出齒輪相互敲擊的聲音，這是齒輪組發(fā)生了“打齒”現(xiàn)象，嚴(yán)重的可以導(dǎo)致工作臺(tái)作出明顯不均勻的運(yùn)動(dòng)軌跡；再比如，由于龍門(mén)機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，在進(jìn)行銑削加工作業(yè)時(shí)會(huì)加劇機(jī)床振動(dòng)，從而無(wú)法進(jìn)行重切削，還有滾齒機(jī)和弧齒、錐齒輪、切齒機(jī)等，在進(jìn)行切、銑、削等加工作業(yè)時(shí)，因?yàn)閭鲃?dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而出現(xiàn)沖擊，使生產(chǎn)的齒面在切出后秒面帶有鱗片狀波痕等等。

傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、自由度沒(méi)有限制的彈性體扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)。構(gòu)成傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的組件有復(fù)雜的幾何形狀，而且集成有完成如“定軸轉(zhuǎn)動(dòng)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)和平面運(yùn)動(dòng)”等運(yùn)動(dòng)形式的很多構(gòu)件。傳動(dòng)系統(tǒng)的這些因素使扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算的困難很大，所以需要在簡(jiǎn)化實(shí)際傳動(dòng)系統(tǒng)后再進(jìn)行計(jì)算。而對(duì)于機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)的“固有頻率” 特性和“動(dòng)態(tài)頻響”特性方面，過(guò)去曾提出并進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算方法探討，但對(duì)于因?yàn)橛蓹C(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所引發(fā)的動(dòng)力效應(yīng)，和應(yīng)采取哪種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則以使機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)在傳動(dòng)平穩(wěn)性得到提高等方面，還缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)較系統(tǒng)的和理論試驗(yàn)研究。本文在對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的形成機(jī)理、傳動(dòng)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)的識(shí)別、提高抗振性的方法等方面進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上， 力圖解決機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問(wèn)題，希望能有助于提高傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1.2 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果分析

1.2.1 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的自由振動(dòng)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)在加裝減振器前后所產(chǎn)生的固有頻率進(jìn)行的分析。由于對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)采用減振器，所以增加一個(gè)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的自由度個(gè)數(shù)，使無(wú)減振器的最低固有頻率分成兩個(gè)新的頻率。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，表明不帶減振器傳動(dòng)系統(tǒng)模型經(jīng)過(guò)EXCITE-designer軟件的處理，簡(jiǎn)化為13個(gè)自由度扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)，相應(yīng)的，安裝了減振器的傳動(dòng)系統(tǒng)模型將被簡(jiǎn)化成14個(gè)自由度扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)。一節(jié)點(diǎn)主振型一般情況下決定軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性的最重要振犁是一節(jié)點(diǎn)主振型。

1.2.2 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)結(jié)果分析

由于在龍門(mén)機(jī)床的結(jié)構(gòu)中，傳動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)單元較多，因此在本文的討論中，以較接近傳動(dòng)系統(tǒng)前端而且振幅比較高的曲柄銷(xiāo)為例，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)分析。通過(guò)在曲柄銷(xiāo)在振動(dòng)時(shí)，對(duì)不同諧次的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性圖進(jìn)行分型，可看出“3.5階、4階、4.5階、5.5階、6階、6.5階、7.5階和8階”中存在較為明顯的共振峰，由于8階以上諧次振幅很小，因此可以忽略。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到4000r/min左右時(shí)，4階開(kāi)始出現(xiàn)了強(qiáng)烈的共振峰；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到4600r/min左右時(shí)，3.5階也出現(xiàn)了強(qiáng)烈的共振峰，為了加以控制，需要安裝減振器。在把減震器加裝在機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)中以后，對(duì)振動(dòng)進(jìn)行分析。在對(duì)安裝了減振器時(shí)與未帶減振器時(shí)的主要諧次扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性進(jìn)行對(duì)比后，可以從結(jié)果中總結(jié)出來(lái)：“不帶減振器時(shí)各個(gè)主要諧次的振幅都較大程度地降低。3.5階和4階的降幅最大，其他階次也不同程度的降低，共振峰也有向高轉(zhuǎn)速去轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，逐漸脫離常用轉(zhuǎn)速區(qū)”。這種分析結(jié)果說(shuō)明減振器對(duì)曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性的改善效果明顯。

2 減振器優(yōu)化

扭轉(zhuǎn)減振器一般采用兩種減震器：橡膠減振器或者硅油減振器。橡膠扭轉(zhuǎn)減振器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧，但橡膠有物理和力學(xué)性能不穩(wěn)定的特點(diǎn)。工作中的熱量容易使橡膠層發(fā)熱，并導(dǎo)致減振器失效。硅油減振器能較好地控制硅油粘度、慣量、硅油間隙和較好的制造一致性等特點(diǎn)，而且硅油有較大的粘度的選擇范圍和物理及化學(xué)特性穩(wěn)定，性能受環(huán)境因素影響較小等優(yōu)勢(shì)，因此工作性能明顯好于橡膠減振器。EXCITE-designer軟件中能對(duì)這兩種減振器分別提供模型，經(jīng)過(guò)計(jì)算后，對(duì)參數(shù)進(jìn)行合理選擇后產(chǎn)生結(jié)果并輸出曲柄銷(xiāo)1扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的振幅圖：“軟件選用了性能和減震效果更好的硅油減振器，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)效果很穩(wěn)定，不出現(xiàn)新的明顯的共振峰”。

3 結(jié)論

本文介紹應(yīng)用EXCITE-designer動(dòng)力學(xué)模擬軟件，搭建龍門(mén)機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型，并計(jì)算了安裝扭轉(zhuǎn)減振器后的傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性的變化。通過(guò)對(duì)最終計(jì)算結(jié)果的分析得出如下結(jié)論：“減振器可以有效抑制諧次共振峰，安裝減振器后傳動(dòng)系統(tǒng)扭振振幅大幅降低。并進(jìn)一步說(shuō)明了在加工作業(yè)中硅油減振器和橡膠減振器的工作特性對(duì)比”。

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[2]丁宇.傳動(dòng)系統(tǒng)性能分析及曲軸強(qiáng)度計(jì)算方法研究[D].哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，2006，6.