磁流變阻尼器控制砂輪振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

胡航領(lǐng)，何立東

磁流變阻尼器控制砂輪振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

胡航領(lǐng)，何立東

（北京化工大學(xué) 化工安全教育部工程研究中心，北京 100029）

砂輪振動(dòng)是磨床磨削過程中產(chǎn)生工件加工表面振紋，影響加工質(zhì)量的重要因素。針對砂輪不平衡引起主軸振動(dòng)，搭建砂輪振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)臺，模擬磨床工作狀態(tài)。在砂輪主軸上安裝磁流變阻尼器，實(shí)驗(yàn)研究阻尼器對砂輪振動(dòng)控制影響規(guī)律。結(jié)果表明，在砂輪機(jī)工作轉(zhuǎn)速下，阻尼器通入電流，砂輪主軸振動(dòng)峰峰值及轉(zhuǎn)頻振動(dòng)幅值均有明顯下降，降幅隨電流增大而增大。通過分析時(shí)域及頻域波形，可知阻尼器能有效抑制砂輪主軸振動(dòng)，使砂輪振動(dòng)保持在較低水平。

振動(dòng)與波；磁流變阻尼器；砂輪；不平衡；阻尼

磨削作為機(jī)械加工的重要組成部分，是精密和超精密加工的重要手段。砂輪的不平衡量引起的振動(dòng)嚴(yán)重制約著磨削表面、加工精度和生產(chǎn)效率的提高；引起砂輪振動(dòng)的原因有工件和刀具傳動(dòng)系統(tǒng)的擾動(dòng)以及砂輪不平衡引起的主軸振動(dòng)［1］。砂輪不平衡振動(dòng)是較為常見的振動(dòng)類型，對其進(jìn)行振動(dòng)控制可提高加工工件表面表面精度和生產(chǎn)效率。

動(dòng)平衡技術(shù)是砂輪振動(dòng)控制的主要方法，包括人工平衡、半自動(dòng)平衡和自動(dòng)平衡三種［2］。人工平衡需要拆卸砂輪，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，平衡精度低；半自動(dòng)平衡裝置需在砂輪停機(jī)后施加或移動(dòng)質(zhì)量塊，對操作者技術(shù)要求較高，其應(yīng)用受到限制［3］。在線自動(dòng)平衡裝置是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。國外對在線平衡裝置的研究較為成熟，已成功應(yīng)用于實(shí)際磨床中［4］。其中具有代表性的是90年代美國生產(chǎn)的SBS磨床砂輪平衡系統(tǒng)，平衡效率較高，能降低近一個(gè)數(shù)量級的振動(dòng)［5］。國內(nèi)對自動(dòng)平衡裝置的研究起步較晚，仍以進(jìn)口設(shè)備為主。潘鑫等研究適用于磨床的氣壓液體式自動(dòng)平衡裝置，系統(tǒng)振動(dòng)降幅可達(dá)90%，但是需在十幾秒后才能完成平衡過程［6］；李曉東等研制的在線液體自動(dòng)平衡系統(tǒng)可使加工表面波紋度降低60%，平衡后的不平衡量能達(dá)到精密磨床的要求，但是平衡時(shí)間達(dá)到了1分鐘［7］。上述自動(dòng)平衡系統(tǒng)平衡過程花費(fèi)的時(shí)間較長，無法在磨削過程中立即對因砂輪磨損等原因造成的不平衡振動(dòng)進(jìn)行平衡，易引起機(jī)床振動(dòng)，影響正常工作，還需進(jìn)行大量的優(yōu)化研究。砂輪系統(tǒng)增加阻尼以達(dá)到減振目的是另一種砂輪振動(dòng)控制方式。東北大學(xué)金鐵采用有限元方法分析了擠壓油膜阻尼器對磨削振動(dòng)的抑制效果，結(jié)果表明其對砂輪主軸具有較好減振性能，但需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［8］。王軍等研制了一種黏彈性阻尼減振磨桿，動(dòng)態(tài)響應(yīng)幅值較普通鋼制磨桿減小約43%，但是磨桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配后仍需進(jìn)行精加工以保證動(dòng)平衡，否則對其性能影響較大［9］。

磁流變液在磁場作用下能在毫秒級的時(shí)間內(nèi)變?yōu)轭惞腆w，磁流變液阻尼器正是利用這一原理，通過改變磁流變液的磁場環(huán)境獲得阻尼力，運(yùn)用阻尼對控制目標(biāo)進(jìn)行吸能減振。其作為一種新型智能阻尼減振裝置，已成功應(yīng)用于建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域［10］。近年來，學(xué)者們對其應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)控制領(lǐng)域的研究也逐漸增多。汪建曉等將一種剪切式磁流變阻尼器引入轉(zhuǎn)子振動(dòng)控制中，將阻尼器作為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的支承，研究阻尼器對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)剛度和阻尼的影響［11-13］。祝長生將磁流變脂阻尼器引入單盤懸臂轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，研究阻尼器對系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響［14-16］。

針對上述研究現(xiàn)狀，本文搭建砂輪振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)臺，模擬磨床工作狀態(tài)，將磁流變阻尼器作為輔助裝置安裝于砂輪主軸上，在砂輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)研究阻尼器對砂輪不平衡引起的徑向振動(dòng)控制的影響規(guī)律，以提高加工工件表面精度。

1　磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)

磁流變阻尼器利用磁流變效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁流變液的可調(diào)特性。在沒有外加磁場作用情況下，磁流變液中顆粒分布是無規(guī)則的，具有牛頓流體的特征；當(dāng)施加磁場后，磁流變液在毫秒級時(shí)間內(nèi)完成由液體向固體轉(zhuǎn)換的固化現(xiàn)象，體現(xiàn)出高黏度與低流動(dòng)的特性。圖1為磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖。阻尼器由外殼、線圈、阻尼片、套筒和軸承組成。阻尼片分為外阻尼片與內(nèi)阻尼片：外阻尼片與外殼固定而靜止不動(dòng)；內(nèi)阻尼片與套筒固定，套筒與軸承連接，傳遞轉(zhuǎn)子的振動(dòng)。且阻尼片間留有一定間隙，間隙內(nèi)充滿磁流變液。

圖1　磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖

磁流變液本構(gòu)模型選用Bingham模型，阻尼力Fm（I，t）與電流I之間的關(guān)系為

式中S為磁效面積，η為磁流變液黏度，u為剪切速率，t為時(shí)間，h為阻尼片間隙，τy為磁流變液屈服應(yīng)力。

所用磁流變液的成分有羰基鐵粉（粒徑3 μm～5 μm）、二甲基硅油（黏度500 cst）及活性劑。電流與磁場強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1　電流與磁場強(qiáng)度對應(yīng)關(guān)系

2　砂輪振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)研究

2.1實(shí)驗(yàn)臺參數(shù)

阻尼器安裝于砂輪主軸上，如圖2所示。砂輪機(jī)工作轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，砂輪處主軸直徑為d= 12.7 mm，砂輪直徑為D=150 mm，厚度為B=16 mm，砂輪質(zhì)量為m=0.4 kg。由于砂輪為非金屬材質(zhì)，選用電渦流位移傳感器測量砂輪主軸振動(dòng)，測得數(shù)據(jù)為主軸段位移峰值，因?yàn)橹鬏S與砂輪同步旋轉(zhuǎn)，可直接反映砂輪實(shí)際振動(dòng)情況，以反映阻尼器對砂輪的振動(dòng)控制效果。由于磁流變液的流變特性，通電后提供系統(tǒng)一定阻尼力，用于平衡不平衡量對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，降低砂輪振動(dòng)，對系統(tǒng)負(fù)載幾乎沒有影響，不會(huì)影響電機(jī)功率。實(shí)驗(yàn)用測試系統(tǒng)為LC-8008系列多通道振動(dòng)監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)，包含8個(gè)輸入通道和專用振動(dòng)信號處理采集板。

2.2抑振規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速為砂輪工作轉(zhuǎn)速3 000 r/min，阻尼器通入電流，研究阻尼器控制砂輪主軸振動(dòng)的影響規(guī)律。

圖2　砂輪振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)臺

阻尼器分別通入0 A、0.5 A和1.0 A電流，測得各電流下的振動(dòng)數(shù)據(jù)，如圖3和圖4所示。水平方向振動(dòng)峰峰值及降幅的具體數(shù)據(jù)如表2所示，豎直方向振動(dòng)峰峰值及降幅的具體數(shù)據(jù)如表3所示。

圖3　水平方向時(shí)域波形幅值對比

圖4　豎直方向時(shí)域波形幅值對比

表2　水平方向振動(dòng)峰峰值及振動(dòng)降幅

表3　豎直方向振動(dòng)峰峰值及振動(dòng)降幅

如表2中數(shù)據(jù)所示，電流0 A下砂輪主軸水平方向原始振動(dòng)為174.96 μm，電流從0.5 A增加到1.0 A，振幅由48.41 μm降到42.99 μm，降幅由72.3%增加到75.4%；如表3中數(shù)據(jù)所示，電流0 A下砂輪主軸豎直方向原始振動(dòng)為174.40 μm，電流從0.5 A增加到1.0 A，振幅由41.30 μm降到33.24 μm，降幅由76.3%增加到80.9%。

由圖3和圖4可知，在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下，阻尼器通入電流可以有效抑制砂輪主軸振動(dòng)，且降幅隨著電流的增大而增大。

2.3振動(dòng)頻域波形分析

提取阻尼器工作電流為0 A、0.5 A和1.0 A下砂輪主軸的頻域波形，如圖5和圖6所示。其水平方向50 Hz轉(zhuǎn)頻振動(dòng)幅值及降幅如表4所示，豎直方向50 Hz轉(zhuǎn)頻振動(dòng)幅值及降幅如表5所示。

圖5　水平方向頻域波形幅值對比

圖6　豎直方向頻域波形幅值對比

表4　水平方向50 Hz振動(dòng)幅值及振動(dòng)降幅

表5　豎直方向50 Hz振動(dòng)幅值及振動(dòng)降幅

如表4中數(shù)據(jù)所示，電流0 A下砂輪主軸水平方向50 Hz轉(zhuǎn)頻的原始振動(dòng)為68.64 μm，電流從0.5 A增加到1.0 A，振幅由18.05 μm降到15.62 μm，降幅由73.7%增加到77.2%；如表5中數(shù)據(jù)所示，電流0 A下砂輪主軸豎直方向50 Hz轉(zhuǎn)頻的原始振動(dòng)為67.52 μm，電流從0.5 A增加到1.0 A，振幅由15.30 μm降到11.74 μm，降幅由77.3%增加到82.6%。

由圖5和圖6可以看出阻尼器通入電流后，阻尼器對于50 Hz轉(zhuǎn)頻的振動(dòng)幅值降低較為明顯，對倍頻下的振動(dòng)幅值也有減弱，且振動(dòng)降幅隨著電流的增大而增大。

綜上，應(yīng)用磁流變阻尼器可以適時(shí)改變阻尼器電流，在線抑制砂輪主軸振動(dòng)，使砂輪振動(dòng)保持在較低水平。由于本文所用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不具備完善、可靠的工件進(jìn)給裝置，故阻尼器基于不同加工工況（進(jìn)給量、進(jìn)給速度和砂輪轉(zhuǎn)速）對工件磨削表面粗糙度的影響規(guī)律研究，還需將阻尼器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)用于磨床砂輪后進(jìn)行。

3　結(jié)語

本文搭建砂輪振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)臺，將磁流變阻尼器作為輔助裝置安裝于砂輪主軸，在運(yùn)行狀態(tài)下，研究阻尼器對砂輪主軸振動(dòng)控制的規(guī)律，結(jié)果表明磁流變阻尼器能提供較大阻尼力，有效抑制主軸振動(dòng)以降低砂輪徑向振動(dòng)，且降幅隨電流的增大而增大，最大降幅約80%，可使砂輪振動(dòng)保持在較低水平，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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Experiments on Grinding Wheel's Vibration Control with Magneto-rheological Dampers

HU Hang-ling，HE Li-dong
（Engineering Research Center of Chemical Technology Safety Ministry of Education，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

In grinding processing，the vibration of grinding wheel is an important factor which generates surface scrapes and lowers processing quality.In order to reduce the spindle vibration caused by the unbalanced mass of grinding wheel，a grinding wheel vibration control bench is established to simulate the operating condition of the grinding machine.A magneto-rheological damper is installed at the spindle to study the influences of different operation current of the dampers on the wheel vibration.The results show that the peak-to-peak value and the amplitude of the rotational frequency decrease obviously at the operation speed.Through the analysis of the waveform in the time domain and spectrum diagram，it is found that the damper can effectively reduce the spindle vibration and keep the vibration of the grinding wheel in a lower level.

vibration and wave；magneto-rheological dampers；grinding wheel；unbalance；damping

TH113.1；TB535+.1

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.043

1006-1355（2016）03-0210-04

2015-10-20

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（“973”計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2012CB026000）；教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（20110010110009）

胡航領(lǐng)（1991-），男，浙江省寧波市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檗D(zhuǎn)子及管道振動(dòng)控制。

何立東，男，博士生導(dǎo)師。E-mail：1963he@163.com