基于模態(tài)和階次分析的大型龍門銑床關(guān)鍵部件質(zhì)量保證技術(shù)研究*

閆俊霞 區(qū)炳顯

(①江南大學(xué)機械工程學(xué)院先進制造中心，江蘇無錫 214122;②江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院無錫分院，江蘇無錫 214174)

擺角銑頭與滑枕為某大型數(shù)控龍門銑床的關(guān)鍵部件，其薄弱環(huán)節(jié)與關(guān)鍵位置處的動態(tài)特性將直接影響整機的加工質(zhì)量［1－2］。為了保證銑床的加工精度，本文以某大型龍門銑床為研究對象，對其在較高轉(zhuǎn)速下常出現(xiàn)的振動異常現(xiàn)象以及影響其動態(tài)性能的關(guān)鍵部件進行動力學(xué)分析。采用丹麥B＆K公司的頻譜脈沖分析系統(tǒng)，應(yīng)用模態(tài)實驗與階次分析功能，對龍門銑床關(guān)鍵部件的固有特性及振動情況進行測試與分析。

1 基于ODS測試方法的模態(tài)實驗分析

1.1 ODS 測試方法

表征結(jié)構(gòu)動態(tài)特性最有效的方法之一是通過測試結(jié)構(gòu)的輸入和輸出響應(yīng)，來獲取結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)，進而利用模態(tài)擬合法識別模態(tài)參數(shù)，以建立結(jié)構(gòu)的模態(tài)模型。但是，頻響函數(shù)的求解方法非常多，典型實驗?zāi)B(tài)分析中的頻響函數(shù)是輸出的傅里葉變換與輸入的傅里葉變換之比，而基于ODS(Operating Deflection Shapes)測試方法的實驗?zāi)B(tài)分析的頻響函數(shù)是輸出的傅里葉變換與“輸入”(即把同樣是被測點的參考點的響應(yīng)作為輸入信號)的傅里葉變換之比［3－4］。

1.2 實驗過程

本文采用丹麥B＆K公司的模態(tài)測試分析系統(tǒng)，主要包括PULSE3560頻譜脈沖分析系統(tǒng)軟件、4507型單向加速度傳感器、信號采集器以及MEscopeVES后處理軟件等。主軸以800 r/min恒速空轉(zhuǎn)時，測點位置及方向如圖1和圖2所示。選取測點37為參考點。

銑頭與滑枕前6階固有頻率與模態(tài)分析如表1所示，前6階模態(tài)振型如圖3～8所示。

從上述圖中可以看出銑頭兩側(cè)懸吊耳環(huán)，銑頭與滑枕連接處及懸吊耳環(huán)與銑頭連接處的振動相對較劇烈，可確定是擺角銑頭與滑枕兩部件的薄弱環(huán)節(jié)。

表1 銑頭與滑枕固有頻率與振型分析

2 擺角頭的階次跟蹤分析

2.1 階次跟蹤方法

階次跟蹤方法是識別旋轉(zhuǎn)機械振動與轉(zhuǎn)速關(guān)系的重要方法。擺角銑頭屬于旋轉(zhuǎn)機械，其振動與轉(zhuǎn)速有著密切的關(guān)系，例如機械轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量不平衡、軸線不對中、齒輪制造精度低等都會引起機械系統(tǒng)的振動，其振動頻率表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速頻率的整數(shù)倍。對于一般的旋轉(zhuǎn)機械，引起振動異常的主要原因有3個:與機械系統(tǒng)轉(zhuǎn)速有關(guān)的強迫振動、與機械結(jié)構(gòu)本身固有頻率有關(guān)的自激振動、與轉(zhuǎn)速有關(guān)的強迫激勵引起的機械系統(tǒng)故有頻率處的強迫固有振動［5］。當(dāng)機械系統(tǒng)的強迫振動頻率與固有頻率接近或相等時，機械系統(tǒng)的振動會急劇增大，導(dǎo)致工作異常。階次與轉(zhuǎn)速的關(guān)系可表示為

式中:n為旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)速，r/min;f為旋轉(zhuǎn)機械的旋轉(zhuǎn)頻率，Hz;l為旋轉(zhuǎn)機械的階次。

階次分析的主要內(nèi)容有階次譜圖、三維譜陣圖和階次譜陣圖3種形式。相比之下階次譜陣圖能較精確地跟蹤旋轉(zhuǎn)機械運轉(zhuǎn)范圍的特征分量，當(dāng)在旋轉(zhuǎn)機械升、降速過程比較短暫的測試場合下，階次譜陣分析的精度要比瀑布圖高［6－7］。

2.2 測試過程

采用丹麥B＆K公司PULSE3560多分析系統(tǒng)軟件，配7700FFT分析軟件和7702階次分析軟件，4507加速度傳感器及MM0024紅外線測速計。

根據(jù)銑頭結(jié)構(gòu)的特點，通過分析擺角銑頭在主軸空轉(zhuǎn)情況下的實際情況，尋找激勵源與結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)作為測點，如圖9所示為測點分布。

圖10所示為銑頭整機的主傳動鏈，取刀柄的轉(zhuǎn)速為參考轉(zhuǎn)速。從傳動鏈中可以看出各對齒輪的傳動比，其中36齒齒輪與18齒齒輪的傳動比為1:2，其余各對齒輪的傳動比都為1:1。

2.3 實驗結(jié)果分析

對擺角頭從空載開始加速，直到主軸所允許的轉(zhuǎn)速800 r/min，此時刀柄的轉(zhuǎn)速為1 600 r/min。由于所有測點的振動信號都比較相似，故選擇擺角頭兩懸吊耳環(huán)處的振動信號來分析。得到擺角頭振動信號的三維譜陣圖和階次譜陣云圖。

從擺角頭三維譜陣圖(圖11)可以看出，當(dāng)頻率為74 Hz，參考轉(zhuǎn)速超過740 r/min，主軸轉(zhuǎn)速370 r/min處，(1處高亮區(qū)域)擺角頭的振動十分強烈，而且振動頻率沒有隨轉(zhuǎn)速增加而增加，因此銑頭與滑枕在74 Hz附近存在固有頻率，這與模態(tài)實驗中所得到的第一階固有頻率77 Hz接近。從擺角頭前60階階次譜陣云圖(見圖12)可以看出，在6階處，當(dāng)參考轉(zhuǎn)速接近700 r/min時，振動開始急劇增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到740 r/min時，振動達到最大值(圖中1處高亮區(qū)域)，根據(jù)轉(zhuǎn)速與階次的關(guān)系，參考軸轉(zhuǎn)頻為74 Hz，隨后振動隨轉(zhuǎn)速的增加而逐漸減小。

取出參考轉(zhuǎn)速分別為740 r/min的階次譜圖(如圖13)和700 r/min的階次譜圖(如圖14)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為740 r/min，在轉(zhuǎn)速6階處(見圖13)，測點的振動速度達到175 μm/s，在轉(zhuǎn)速為700 r/min的階次譜圖上(見圖14)可以看到，6階處振動很小，而在23.5階處振動速度出現(xiàn)了峰值157 μm/s，但比轉(zhuǎn)速為740 r/min時6階處振動小。根據(jù)轉(zhuǎn)速與階次的關(guān)系，轉(zhuǎn)軸的6次諧波所引起的強迫振動頻率接近銑頭與滑枕的第一階固有頻率，產(chǎn)生強迫固有振動。

由圖11還可以看出，在頻率196 Hz，轉(zhuǎn)速500 r/min時，(2處高亮區(qū)域)振動是比較劇烈的，振動頻率隨轉(zhuǎn)速的增加而增加;在275 Hz，轉(zhuǎn)速700 r/min時，(3處高亮區(qū)域)振動出現(xiàn)第二次峰值。根據(jù)轉(zhuǎn)速與階次的關(guān)系，在圖11中該射線斜率(即階次)為23.5階，在擺角頭階次譜陣云圖(見圖12)也可以看到，振動能量主要集中在23.5階處(圖中2處高亮區(qū)域)。從擺角銑頭主傳動鏈(圖10)可以看到，傳動系統(tǒng)主要包括18齒、29齒、35齒、36齒齒輪、主軸及軸承。正常工作情況下，由各傳動件引起的基波與諧波均不產(chǎn)生23.5階特征頻率，因此可以判定是由于齒輪的調(diào)制現(xiàn)象所引起的。

同軸齒輪18齒齒輪與29齒齒輪通過齒輪軸連接，其嚙合頻率的基波與諧波為載波頻率，兩齒輪所在齒輪軸的轉(zhuǎn)頻的5.5階諧波為嚙合調(diào)制頻率。頻譜上出現(xiàn)了連接軸的轉(zhuǎn)頻，并且轉(zhuǎn)頻的成分有較大的增加(圖15)，在轉(zhuǎn)速600 r/min，連接軸轉(zhuǎn)頻10 Hz時，振動響應(yīng)非常明顯。因此根據(jù)齒輪故障的幾種主要形式［8］，考慮應(yīng)該是18齒齒輪與29齒齒輪的連接軸出現(xiàn)了嚴重的不平衡。

3 結(jié)語

將現(xiàn)代測試手段和模態(tài)與階次分析技術(shù)相結(jié)合，分析了銑床關(guān)鍵部件(擺角銑頭與滑枕)動態(tài)特性和主傳動系統(tǒng)振動異常的原因，并提供了結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)與傳動系統(tǒng)存在的問題，為進一步研究其振動問題奠定了基礎(chǔ)，也為銑床關(guān)鍵部件質(zhì)量保證提供了依據(jù)。

［1］向家偉，王榮，徐晉勇，等.大型龍門銑床主軸滑枕結(jié)構(gòu)有限元分析［J］.制造技術(shù)與機床，2009(9):47 －50.

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