合模速度對曲肘合模系統(tǒng)振動頻譜特性的影響

陳學(xué)鋒 徐言生 胡建國 許中明 殷小春

[1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,廣東 順德, 528300;2.聚合物成型加工工程教育部重點(diǎn)實驗室(華南理工大學(xué))，廣東 廣州, 510640]

機(jī)械與模具

合模速度對曲肘合模系統(tǒng)振動頻譜特性的影響

陳學(xué)鋒1徐言生1胡建國1許中明1殷小春2

[1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,廣東 順德, 528300;2.聚合物成型加工工程教育部重點(diǎn)實驗室(華南理工大學(xué))，廣東 廣州, 510640]

對實測合模肘桿機(jī)構(gòu)振動信號進(jìn)行頻譜分析，探索合模速度與肘桿振動能量及振動頻率之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)合模速度的大小只影響與頻率所對應(yīng)的振動能量的大小，而對振動頻率的分布狀態(tài)無明顯影響。

合模速度 肘桿 振動 功率譜

五點(diǎn)斜排雙曲肘式合模機(jī)構(gòu)以其良好的動力特性被廣泛應(yīng)用于塑料高速精密注射成型機(jī)，國內(nèi)外眾多研究者對雙曲肘合模機(jī)構(gòu)進(jìn)行了深入的探討。任彬等[1]針對精密塑料注射成型機(jī)復(fù)雜的動力學(xué)特性，對雙曲肘連桿式合模裝置進(jìn)行了剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)分析；朱俏俏等[2]針對注塑機(jī)雙曲肘內(nèi)翻式合模裝置十字頭連桿過渡結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象和出現(xiàn)斷裂問題，以雙曲肘內(nèi)翻式合模裝置為研究對象進(jìn)行分析，研究并提出了一種采用曲面過渡的設(shè)計方法; 葉成剛等[3]自主研發(fā)了新的曲肘機(jī)構(gòu)分析和優(yōu)化軟件，實現(xiàn)了設(shè)計校驗、仿真校驗、參數(shù)優(yōu)化生成等幾個功能模塊; 王詩強(qiáng)等[4]基于柔體多體動力學(xué)理論和虛擬樣機(jī)技術(shù)，將注塑機(jī)雙曲肘式合模機(jī)構(gòu)的拉桿、肘桿、十字頭等柔性化處理，建立了注塑機(jī)肘桿式合模機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型；Sun S H等[5]在合模機(jī)構(gòu)研究中，將拓?fù)鋬?yōu)化與有限元理論相結(jié)合，優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了剛性和強(qiáng)度；綜觀國內(nèi)外對合模機(jī)構(gòu)的研究，都沒能超出傳統(tǒng)的研究方法，其理論基礎(chǔ)仍是剛體動力學(xué)，難以解釋合模機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)動過程中復(fù)雜的動態(tài)特性。對機(jī)構(gòu)振動信號的頻譜分析是研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動特性的重要方法，下面將頻譜分析法引入對曲肘合模機(jī)構(gòu)的研究，對合模肘桿機(jī)構(gòu)振動信號進(jìn)行頻譜分析，探索合模速度與肘桿振動能量及振動頻率之間的關(guān)系。

1 合模機(jī)構(gòu)

合模機(jī)構(gòu)示意如圖1所示。

首先對圖1所示肘桿機(jī)構(gòu)上D點(diǎn)X軸、Y軸方向振動信號進(jìn)行實測，經(jīng)過消除趨勢項和平滑處理后，再利用快速傅立葉變換(FFT)法進(jìn)行頻譜分析。

2 肘桿振動的頻譜分析

在合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中，由于彈性變形振動的各頻率成分及其對振動貢獻(xiàn)的大小是機(jī)構(gòu)內(nèi)在特性的重要指標(biāo)，頻率的性質(zhì)及其對振動功率貢獻(xiàn)的大小在很大程度上決定了合模機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性，振動信號功率譜能展現(xiàn)振動信號各頻率處功率的分布情況，因此分析研究合模機(jī)構(gòu)振動信號在特定頻段內(nèi)的功率譜隨合模速度的變化規(guī)律，可以找出在相應(yīng)頻段內(nèi)信號能量與合模速度間的對應(yīng)關(guān)系。

由于彈性肘桿機(jī)構(gòu)頻率本身的復(fù)雜性和人們對其認(rèn)識的局限性,致使在對合模肘桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究時，目前國內(nèi)還很少人用到功率譜這個工具。下面利用FFT頻域分析法對合模肘桿機(jī)構(gòu)彈性振動進(jìn)行分析研究，找出影響規(guī)律。

傅立葉變換是把信號按照正弦展開成不同頻率，而FFT就是計算分析信號波形中的頻譜成分強(qiáng)度，將其能量與時間積分，從而得出頻率-能量的關(guān)系式，稱為頻域分析，這種變換無法確認(rèn)信號不同頻率間的幅度關(guān)系，只能計算其能量關(guān)系。

將經(jīng)處理后的肘桿D點(diǎn)(見圖1)振動離散數(shù)據(jù)表示成{xξ}，{xξ}表示經(jīng)過消除趨勢以及平滑處理后的彈性位移信號。

(1)

(2)

上式中，ξ為離散數(shù)據(jù){xξ}的個數(shù)，N為信號采樣點(diǎn)數(shù)，k為采樣點(diǎn)取值范圍。

在實際使用過程中，由于采樣點(diǎn)一般很多，因此傅立葉變換計算量太大，效率低，而FFT是有限序列離散傅立葉變換的一種快速算法，它對變換式進(jìn)行一次次分解，使其成為若干小數(shù)點(diǎn)的組合，從而減少運(yùn)算量；從頻率采樣定律知道，N點(diǎn)序列{xξ}的N個離散時間傅立葉變換等間隔樣本能唯一重構(gòu){xξ}。

N點(diǎn)序列{xξ}的N個離散時間傅立葉變換可表示為：

(3)

其中：

(4)

具體步驟如下：

將N個序列{xξ}先按照ξ的奇偶分成二組,再分別求其N/2點(diǎn)的離散傅立葉變換，得到其前半部分和后半部分。

前半部分：

(5)

后半部分：

(6)

重復(fù)這一過程，即可得到{xξ}的FFT變換結(jié)果，利用MATLAB工具編程，將其圖形化。

圖2～7分別是肘桿上D點(diǎn)X軸、Y軸方向振動頻譜分析圖。合模速度依次為100，300，500 mm/s。

從圖2～7可以看出，隨著合模速度的加大，肘桿上各點(diǎn)相應(yīng)頻率處的振動能量也在上升；盡管合模速度在變化，但是能量集中處的頻率分布基本相同，分布在3個較集中的頻率區(qū)，低頻能量集中在320 Hz附近，中頻能量集中在650 Hz附近，高頻能量集中在970 Hz附近，分別是近似2倍、3倍關(guān)系。低頻能量較大，中頻能量較小，高頻能量最小且較分散，這說明合模速度只影響肘桿彈性振動頻率的能量大小，而對頻率的分布狀態(tài)無明顯影響。由此說明，頻率分布狀態(tài)由合模機(jī)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)、尺寸、材料、阻尼等自身固有性質(zhì)決定，而與合模速度等外在因素大小無關(guān)，合模速度的大小只影響該頻率所對應(yīng)的振動功率能量的大小，合模速度小，則在該頻率處能量也低，隨著合模速度的增加，該頻率處能量也相應(yīng)增加，合模速度越大，該頻率對振動能量的貢獻(xiàn)越大。

3 結(jié)論

a) 合模速度不影響肘桿振動的頻率分布，但會影響合模機(jī)構(gòu)系統(tǒng)振動能量大小，速度越高，振動能量越高，因此設(shè)計時，在滿足使用要求的前提下，應(yīng)盡量降低速度，以減少振動和沖擊。

b) 低頻處振動能量最高，而低頻通常則由機(jī)械本身的結(jié)構(gòu)等造成。在設(shè)計合模機(jī)構(gòu)時，應(yīng)優(yōu)化設(shè)計，以增強(qiáng)系統(tǒng)剛性和運(yùn)動精度。

[1] 任彬,張樹有，譚建榮. 雙曲肘連桿式合模裝置數(shù)字樣機(jī)剛?cè)狁詈蠁栴}求解方法[J].機(jī)械工程學(xué)報，2012, 48(3):133-139.

[2] 朱俏俏 ，張本西.注塑機(jī)合模裝置連桿過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[J]. 機(jī)電工程，2014，31(10)，1287-1290.

[3] 葉成剛，高世權(quán)，顧建華，等.曲肘式合模機(jī)構(gòu)分析與優(yōu)化系統(tǒng)開發(fā)[J].輕工機(jī)械，2014，32(2)，9-11.

[4] 王詩強(qiáng)，謝鵬程，何雪濤,等.注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)特性研究[J].塑料工業(yè)，2013，41(1)：54-57.

[5] SUN S H. Optimum topology design for the stationary platen of a plastic injection machine[J]. Computers in Industry，2004,55(2)：147-158.

[6] 王濟(jì)，胡曉，MATLAB在振動信號處理中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

Victrex收購了一家美國齒輪公司

據(jù)“www.britishplastics.co.uk”報道，Victrex公司宣布收購了美國的一家專門生產(chǎn)齒輪的公司Kleiss Gears，通過此舉，Vitrex將提高為客戶提供“整體解決方案”的能力。Kleiss Gears專門以高性能工程塑料齒輪替代和完善金屬齒輪系統(tǒng)，提高齒輪體系的耐用性、可靠性，使得體系具備更好的性能，顯著減少能源消耗和重量，減少50%的噪音、振動和不平順性(NVH)。

Victrex公司說的Kleiss Gears的高精度齒輪設(shè)計、測試和制造能力，融合其材料技術(shù)、創(chuàng)新焦點(diǎn)、精益求精的技術(shù)和全球商業(yè)規(guī)模，將為客戶提供一個新的整體的方案?！笆召廗leiss Gears是符合公司通過高性能聚合物解決方案創(chuàng)造價值的戰(zhàn)略路線，并演示我們?nèi)绾握谶M(jìn)一步向下游來支持我們的客戶和我們的市場”。Victrex的首席執(zhí)行官大衛(wèi)·胡默爾解釋道。

WhatMore英國公司投資百萬英鎊以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長

據(jù)“www.britishplastics.co.uk”報道，一個位于蘭開夏郡(Lancashire)的塑料產(chǎn)品制造、銷售商WhatMore公司在注塑機(jī)投資上百萬英鎊以促進(jìn)其快速增長。其英國工廠配置了一個新的Krauss Maffei注塑機(jī)機(jī)器。WhatMore英國有限公司已經(jīng)發(fā)展成為英國最大的制造商“Wham”品牌塑料家庭用品、園藝和存儲產(chǎn)品，在過去的12個月投資了540萬英鎊的購置新的Krauss Maffei注塑機(jī)。

800萬英鎊已用于投資開發(fā)和擴(kuò)大公司的配送中心，立足靠近Burnley，使其總經(jīng)營面積略低于50萬平方英尺，且涵蓋制造、分銷及公司總部。從這里該公司出口和銷售650多個產(chǎn)品，63個國家，其中包括遠(yuǎn)東。

該公司的董事Tony Grimshaw說：“不斷地重新投資和開發(fā)新的產(chǎn)品線已經(jīng)支撐了公司的持續(xù)增長，通過不斷開發(fā)和提出創(chuàng)新的理念，制造到最高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并保持價格競爭非常激烈，我們在世界范圍內(nèi)已經(jīng)領(lǐng)先對手不只一步，而是幾步。”

美國公司收購了William Beckett塑料包裝公司

據(jù)“www.britishplastics.co.uk”報道，塑料和橡膠制品生產(chǎn)商美國MOCAP有限責(zé)任公司，已收購位于Sheffield的William Beckett塑料包裝公司。

MOCAP說，收購后將擴(kuò)大其目前的包裝部門——Cleartec包裝，該公司生產(chǎn)的透明半硬質(zhì)塑料包裝管和容器的全套生產(chǎn)線。MOCAP目前將有機(jī)會獲得William Beckett塑料的全系列包裝有限公司的解決方案，包括圓形、方形和矩形伸縮容器，以及箱子、插塞多種包裝和盒子。

從Sheffield工廠的生產(chǎn)將繼續(xù)留在原處，公司計劃加入額外的投資通過提工具和設(shè)備的高現(xiàn)代化來擴(kuò)張產(chǎn)品線促進(jìn)銷售持續(xù)增長。William Beckett塑料包裝有限公司的產(chǎn)品線將生產(chǎn)產(chǎn)品，并通過公司現(xiàn)有的北美，歐洲和亞洲的辦事處銷售到世界各地。

BPF調(diào)查顯示英國塑料行業(yè)正在上升發(fā)展

據(jù)“www.britishplastics.co.uk”報道，根據(jù)最新的英國塑料聯(lián)合會的商業(yè)狀況調(diào)查，英國塑料行業(yè)對未來一年的預(yù)期有所改善。2015年六月和七月上旬最新調(diào)查吸引101個會員的響應(yīng)，揭示了行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，以及投資和招聘方面良好的前景。

“在未來十二個月，預(yù)期收入增長和盈利能力將會改善?！盉PF總干事Philip Law說。72%的受訪者預(yù)測英國的銷售額增加，而最近一次在一月份的調(diào)查顯示只有66%?！邦A(yù)期出口銷售也會上升，預(yù)期增加39%，而在今年早些時候的預(yù)期只有37%。企業(yè)預(yù)期也有小幅上升，盈利能力預(yù)期上升39%的，而年初的預(yù)期只有37%”，Law補(bǔ)充道。一個關(guān)鍵的特點(diǎn)是工廠和設(shè)備的投資正在維持在一個較高的水平。81%的公司宣布在未來12個月的投資意向，同時44%也希望能在同一時期增加員工的水平。

(以上由中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司南京研究院

杜雪娟供稿)

The Influence of Clamping Speed on Vibration Spectrum Characteristics of Toggle Clamping System

Chen Xuefeng1Xu Yansheng1Hu Jianguo1Xu Zhongming1Yin Xiaochun2

[1.Department of Mechanical & Electrical Engineering, Shunde Polytechnic,Shunde,Guangdong,528300;2.Key Laboratory of Polymer Processing Engineering Ministry of Education(South China University of Technology),Guangzhou,Guangdong,510640]

The spectrum of vibration signal of the toggle clamping mechanism is analyzed.The relationship between clamping speed and vibration energy and frequency of toggle is explored. The results show that the clamping speed only can affect vibration energy corresponding to the vibration frequency, but has no effect on the distribution of the vibration frequency.

clamping speed; toggle rod; vibration; power spectrum

2015-02-26;修改稿收到日期:2015-07-06。

陳學(xué)鋒，男，博士，副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計及理論研究。E-mail:1963cxf@sina.com。

廣東省自然科學(xué)基金資助項目(S2012010010199)。