滑枕動(dòng)態(tài)性能分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

楊 軍， 廖廣宇， 王 丹， 邱海蓮

（云南省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院有限公司 云南省機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 云南 昆明 650031）

0 引言

滑枕是機(jī)床的主要功能部件， 其結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能直接決定著機(jī)床的加工精度，因此，在設(shè)計(jì)階段就必須對(duì)其動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)估。滑枕是我公司與企業(yè)合作，針對(duì)市場(chǎng)需求研發(fā)的龍門數(shù)控銑床的功能部件， 該機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)為齒輪變速、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配在滑枕內(nèi)。因此，準(zhǔn)確預(yù)估滑枕動(dòng)態(tài)性能成為其設(shè)計(jì)、開發(fā)是否成功的關(guān)鍵。利用計(jì)算模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果，通過相關(guān)性分析，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)滑枕的動(dòng)態(tài)特性。

1 機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析概述

機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析是基于已有機(jī)械的動(dòng)力學(xué)模型、系統(tǒng)工作條件和外部激勵(lì)等因素，分析機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，包括固有頻率、動(dòng)力響應(yīng)及穩(wěn)定性等。 目前，機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析方法主要有三類：①有限元建模及分析；②試驗(yàn)建模及分析；③有限元分析與試驗(yàn)相結(jié)合。 本文采用有限元分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)滑枕動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析與試驗(yàn)研究，將仿真模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證仿真模態(tài)分析的準(zhǔn)確性， 為結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

2 滑枕動(dòng)態(tài)特性有限元分析

2.1 材料屬性定義

滑枕采用HT300 材料，整體澆鑄成型、并進(jìn)行時(shí)效處理。 其材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)定義

2.2 滑枕模型建立

利用Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件完成滑枕的實(shí)體建模，對(duì)螺紋安裝孔系、小型倒角等簡(jiǎn)化三維模型，見圖1；應(yīng)用Patran Nastran 作為CAE 分析軟件，對(duì)滑枕劃分網(wǎng)格大小為20mm 的四面體網(wǎng)格， 并對(duì)滑枕進(jìn)行有限元分析，見圖2。

圖1 簡(jiǎn)化后的滑枕模型

圖2 滑枕劃分四面體網(wǎng)格

2.3 滑枕模態(tài)分析

分析中采用自由邊界條件，進(jìn)行求解分析；經(jīng)過有限元分析計(jì)算，得到滑枕的6 階固有頻率及相應(yīng)的振型。見表2。

表2 滑枕固有頻率及振型

3 滑枕試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

在機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中， 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)主要用于測(cè)定結(jié)構(gòu)的3 個(gè)基本參數(shù)：結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。 根據(jù)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)所得到的基本參數(shù)可以顯示結(jié)構(gòu)的固有特性， 通過對(duì)比試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試結(jié)果與有限元分析結(jié)果，可以檢驗(yàn)有限元模型是否準(zhǔn)確。另外通過結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，觀察振型的振幅情況，可以獲得結(jié)構(gòu)的薄弱部件， 從而為結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供必要的參考依據(jù)。

3.1 模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)

采用B&K8207 力錘進(jìn)行激振，力錘頻率范圍0～1000Hz，靈敏度0.225mV/N， 最大激勵(lì)力5000N；B&K4506B 三向加速度傳感器獲得響應(yīng)信號(hào)， 傳感器頻率范圍：0.6～3000Hz，靈敏度為100mV/g，測(cè)量范圍（峰值）70g，最大沖擊（峰值）5000g；使用B&K 3660C 數(shù)據(jù)采集前端與B&K基本分析系統(tǒng)以及PULSE Reflex 高級(jí)模態(tài)采集與分析包，構(gòu)成試驗(yàn)測(cè)試分析系統(tǒng)，見圖3。

圖3 試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試原理圖

3.2 模態(tài)測(cè)試

測(cè)試采用軟繩吊裝， 將滑枕懸空吊裝模擬其自由邊界進(jìn)行試驗(yàn)，見圖4。

圖4 模擬滑枕自由邊界條件

使用錘擊法， 激勵(lì)點(diǎn)為滑枕導(dǎo)軌靠主軸端的X向、Y 向、Z 向， 測(cè)量方式為固定參考點(diǎn)， 移動(dòng)傳感器方法。 本試驗(yàn)整個(gè)滑枕共布置380 個(gè)測(cè)點(diǎn)， 響應(yīng)自由度為380×3=1140。 激勵(lì)點(diǎn)依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選擇在滑枕導(dǎo)軌靠主軸端， 數(shù)量為1 個(gè)， 激勵(lì)自由度為3個(gè)正交方向，總FRF=1140×3=3420，見圖5。

圖5 測(cè)量響應(yīng)自由度

分析帶寬設(shè)為1.6KHz，譜線數(shù)設(shè)為1600，頻率分辨率為1Hz，平均方式為線性平均，平均次數(shù)為5 次；激振力大小為1.0KN～1.5KN； 對(duì)力錘脈沖信號(hào)使用Transient窗函數(shù)，對(duì)響應(yīng)信號(hào)使用Exponential 窗函數(shù)；濾波器設(shè)為7Hz 高通濾波，F(xiàn)RF 為自動(dòng)量程采集。

3.3 測(cè)試結(jié)果

使用PULSE Reflex 分析軟件， 選擇分析帶寬為0～600Hz；采用多參考最小二乘復(fù)頻域法結(jié)合復(fù)模態(tài)指數(shù)函數(shù) （CMIF） 和穩(wěn)態(tài)圖識(shí)別模態(tài)參數(shù)， 利用模態(tài)判定準(zhǔn)則（MAC） 對(duì)得到的模態(tài)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而得到頻率區(qū)間內(nèi)滑枕各階固有頻率和阻尼比，見表3。

表3 滑枕前6 階固有頻率和阻尼比

3.4 測(cè)試結(jié)果分析

通過對(duì)滑枕進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，得到其低階模態(tài)參數(shù)與振型。 在低階振型中，主軸變速箱體部分采用四邊形結(jié)構(gòu)，在箱體頂部和箱體內(nèi)部主傳動(dòng)齒輪的軸承座板處存在局部彎曲和扭擺， 振幅較大，建議進(jìn)一步改進(jìn)、以提高結(jié)構(gòu)的剛度。

4 試驗(yàn)?zāi)B(tài)模型與有限元模型相關(guān)性分析

為對(duì)比結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真與試驗(yàn)?zāi)B(tài)的相關(guān)性分析，確定計(jì)算分析結(jié)果和試驗(yàn)分析結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 通常需要用到一系列方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，包括：頻率、振型等相關(guān)性分析。

4.1 頻率相關(guān)性分析

滑枕前6 階固有頻率有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比情況見表4。 可知：有限元計(jì)算所得的各階固有頻率與試驗(yàn)測(cè)得的頻率值的相對(duì)誤差的絕對(duì)值最大約為1.60%。

表4 固有頻率的相對(duì)誤差

4.2 振型相關(guān)性分析

對(duì)模態(tài)振型進(jìn)行比較的目的之一是進(jìn)行模態(tài)匹配，主要對(duì)其變形位置、 振型方向等相關(guān)信息的一致性進(jìn)行分析比較。

（1）1 階振型：圖6 為滑枕第1 階模態(tài)振型，部件1 次左右扭擺動(dòng)作。

圖6 1 階模態(tài)振型

（2）2 階振型：圖7 為滑枕第2 階模態(tài)振型，部件1 次上下彎曲動(dòng)作。

圖7 2 階模態(tài)振型

（3）3 階振型：圖8 為滑枕第3 階模態(tài)振型，部件1 次左右彎曲動(dòng)作。

圖8 3 階模態(tài)振型

（4）4 階振型：圖9 為滑枕第4 階模態(tài)振型，部件2 次上下彎曲動(dòng)作。

圖9 4 階模態(tài)振型

（5）5 階振型：圖10 為滑枕第5 階模態(tài)振型，部件2次左右扭擺動(dòng)作。

圖10 5 階模態(tài)振型

（6）6 階振型：圖11 為滑枕第6 階模態(tài)振型，部件頭部左右扭擺，尾部上下彎曲。

圖11 6 階模態(tài)振型

4.3 相關(guān)性分析結(jié)果

滑枕固有頻率的相對(duì)誤差的絕對(duì)值最大約為1.60%，振型的變形位置、向量方向一致。 結(jié)果表明：計(jì)算模態(tài)中參數(shù)設(shè)置合理、試驗(yàn)?zāi)B(tài)的設(shè)計(jì)與測(cè)試正確。

5 結(jié)束語(yǔ)

本試驗(yàn)對(duì)滑枕部件分別進(jìn)行了有限元分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試，并進(jìn)行了二者的相關(guān)性分析；獲得了滑枕的特征參數(shù)，驗(yàn)證了滑枕動(dòng)態(tài)分析的正確性，為滑枕系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)化提供依據(jù)。