磁流變阻尼器對單、雙平面砂輪振動控制對比實(shí)驗(yàn)

胡航領(lǐng)　何立東

摘要：磨削過程中，砂輪的振動是產(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的主軸振動，搭建砂輪振動控制實(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)研究阻尼器分別應(yīng)用單平面和雙平面振動控制技術(shù)控制砂輪振動的影響規(guī)律。結(jié)果表明：利用單平面振動控制方法，砂輪主軸振動峰峰值及轉(zhuǎn)頻的振動幅值較原始振動下降明顯，降幅達(dá)80%；雙平面振動控制方法效果更佳，較原始振動降幅達(dá)90%。兩種方法均能有效抑制砂輪主軸振動，使砂輪振動保持在較低水平。

關(guān)鍵詞：振動控制；磁流變阻尼器；阻尼減振；砂輪；磨削

中圖分類號：TB535；TH703.62；TB381

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1004-4523（2017）01-0049-06

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2017.01.007

引言

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。質(zhì)量不平衡是較為常見的故障類型。砂輪的不平衡量引起的振動嚴(yán)重制約著磨削表面、加工精度和生產(chǎn)效率的提高。引起砂輪振動的原因有工件和刀具傳動系統(tǒng)的擾動以及砂輪不平衡引起的主軸振動。目前常用自動平衡裝置來控制砂輪的不平衡振動，但是常需在幾秒甚至十幾秒后才能完成平衡過程，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進(jìn)行平衡，引起機(jī)床振動，影響正常工作。

磁流變液在磁場作用下能在毫秒級的時間內(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)振動控制領(lǐng)域。近年來，學(xué)者們對其應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動控制領(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。祝長生將磁流變體阻尼器及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)動力學(xué)特性的影響。

本文搭建砂輪振動控制實(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)研究阻尼器應(yīng)用單平面振動控制技術(shù)對砂輪振動控制的影響規(guī)律。在另一端的砂輪主軸處增加一臺磁流變阻尼器，實(shí)驗(yàn)研究阻尼器應(yīng)用雙平面振動控制技術(shù)對砂輪振動控制的影響規(guī)律，與單平面振動控制技術(shù)進(jìn)行對比。

1.磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)及減振機(jī)理

1.1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的情況下，磁流變液中的顆粒分布是無規(guī)則的，具有牛頓流體的特征；當(dāng)施加磁場后，磁流變液在毫秒級的時間內(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；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。阻尼片間留有一定間隙，間隙內(nèi)充滿磁流變液。所用磁流變液的成分有羰基鐵粉（粒徑3～5um）、二甲基硅油（黏度5×10^-4m^-2/s）及活性劑。

對于一定的磁流變阻尼器，可通過調(diào)節(jié)控制電流的大小來改變其阻尼力。由文獻(xiàn)，合適的阻尼力可呈現(xiàn)阻尼減振效果，降低轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振幅，但是如果電流過大，阻尼器會由彈性元件轉(zhuǎn)變?yōu)閯傂栽?，反而會增大某些轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的振動。因此，以磁流變阻尼器為系統(tǒng)提供合適的阻尼力，可增加系統(tǒng)的阻尼，抑制系統(tǒng)振動。

1.3磁流變阻尼器性能分析

搭建單跨懸臂實(shí)驗(yàn)臺，分析磁流變阻尼器在不同電流與不同轉(zhuǎn)速下的抑振性能，實(shí)驗(yàn)臺示意圖如圖2所示。轉(zhuǎn)軸直徑為10mm，轉(zhuǎn)軸長400mm，采用2個滑動軸承支承，支承跨度為240mm；轉(zhuǎn)盤直徑為75mm，寬度為15mm，質(zhì)量為0.5kg，阻尼器放置于轉(zhuǎn)盤外側(cè)。實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速在3450r/rain左右，故選擇測量轉(zhuǎn)子在1500～5000r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)阻尼器電流分別為0，0.5，1.0，1.5和2A時的振動數(shù)據(jù)，如圖3所示。

由圖3可得，阻尼器通人電流0.5A時，臨界共振區(qū)的振幅較原始振動下降明顯；電流增加至1.0A，振幅繼續(xù)下降。當(dāng)電流為1.5A時，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速有所上升，且臨界共振區(qū)的振幅較1.0A時的大，這是因?yàn)榇藭r阻尼器由彈性支撐向剛性支撐轉(zhuǎn)變，阻尼器為系統(tǒng)提供的附加剛度已不能忽視，提高了系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，同時阻尼器的吸振能力下降，振動降幅減小。電流為2.0A時，阻尼器附加的支承剛度繼續(xù)增大，系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高，共振區(qū)振幅變大。以上表明，并不是通人電流越大，阻尼器對系統(tǒng)的減振效果越好，過大的電流會增大某些轉(zhuǎn)速下的振動。

由于實(shí)驗(yàn)用砂輪機(jī)的轉(zhuǎn)子可視為剛性轉(zhuǎn)子，即在剛性狀態(tài)下運(yùn)行，以圖3中3000r/min下的振動數(shù)據(jù)為例，電流為0時的原始振動為562.8um，電流由0.5A增加到1.0A，振幅由347.2um降到316.6um，繼續(xù)增加電流至1.5A，振幅降為311.7um，電流增至2.0A時，振幅降至309.5um。由此表明當(dāng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在剛性狀態(tài)下運(yùn)行時，改變阻尼器電流可降低懸臂轉(zhuǎn)子的振動，且系統(tǒng)振幅隨阻尼器電流的增大而減小，振動降幅呈現(xiàn)出先快速增大后變緩的趨勢。

2.單平面振動控制實(shí)驗(yàn)研究

2.1實(shí)驗(yàn)臺參數(shù)

實(shí)驗(yàn)臺由砂輪機(jī)、接桿和阻尼器組成，阻尼器通過接桿安裝于左側(cè)砂輪主軸上，如圖4所示。砂輪機(jī)工作轉(zhuǎn)速為3000r/rain，砂輪處主軸直徑為d=12.7mm，砂輪直徑為D=150mm，厚度為B=16mm，砂輪質(zhì)量為m=0.4kg。由于砂輪為非金屬材質(zhì)，故用電渦流位移傳感器測量砂輪主軸振動。在主軸水平方向及豎直方向放置位移傳感器，分別測量主軸振動。由于磁流變液的流變特性，通電后提供系統(tǒng)一定的阻尼力，用于平衡不平衡量對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，降低砂輪振動，對系統(tǒng)負(fù)載幾乎沒有影響，不會影響電機(jī)功率。

實(shí)驗(yàn)用測試系統(tǒng)為LC-8008系列多通道振動監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)，包含8個輸入通道和專用振動信號處理采集板。

2.2單平面振動控制規(guī)律研究

實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速為砂輪機(jī)工作轉(zhuǎn)速3000r/rain，阻尼器通人電流，研究阻尼器應(yīng)用單平面振動控制技術(shù)控制砂輪振動的影響規(guī)律。阻尼器分別通入0，0.5，1.0，1.5和2A電流，測得左側(cè)砂輪主軸處的振動數(shù)據(jù)如圖5所示。

由圖5可得，阻尼器控制電流在0～1.0A的范圍內(nèi)時，水平方向振動峰峰值由174.96um降為42.99um，降幅為75.4%；豎直方向振動峰峰值由174.40um降為33.24um，降幅為80.9%。水平方向50 Hz轉(zhuǎn)頻的振動幅值由68.64um降為15.62um，降幅為77.2%；豎直方向50Hz轉(zhuǎn)頻的振動幅值由67.52um降為11.74um，降幅為82.6%?？刂齐娏鳛?.5和2.0A時的振動幅值與1.0A時相差無幾，在電流1.0A時，系統(tǒng)的振幅已降低至較低水平，這與磁流變阻尼器性能分析中的結(jié)論相吻合。以電流0和1.0A時水平方向的數(shù)據(jù)為例，時域數(shù)據(jù)對比如圖6所示，頻譜數(shù)據(jù)對比如圖7所示。

由圖6和7可得，在系統(tǒng)工作狀態(tài)下，阻尼器通人電流后，砂輪主軸振動峰峰值及轉(zhuǎn)頻的振動幅值較原始振動下降明顯，降幅約為80%。

結(jié)果表明，阻尼器利用單平面振動控制技術(shù)可有效控制砂輪主軸的振動，降幅隨電流的增大而增大，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3.雙平面振動控制實(shí)驗(yàn)研究

只在單側(cè)砂輪處安裝阻尼器時，阻尼器的控制電流達(dá)到一定值后無法繼續(xù)降低砂輪的振動。故可當(dāng)單側(cè)砂輪工作時，在另一側(cè)砂輪處增加一臺阻尼器，研究該方法能否進(jìn)一步降低工作處砂輪的振動。在單平面振動控制實(shí)驗(yàn)臺的基礎(chǔ)上，在右側(cè)砂輪主軸上增加一臺阻尼器，研究阻尼器應(yīng)用雙平面振動控制技術(shù)控制砂輪振動的影響規(guī)律，如圖8所示。

實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速仍為砂輪機(jī)工作轉(zhuǎn)速3000r/rain，阻尼器分別同時通人0，0.5，1.0，1.5和2A電流，分別測得左側(cè)砂輪主軸及右側(cè)砂輪主軸處振動數(shù)據(jù)，如圖9所示。

由圖9可得，阻尼器通入電流至1.0A，左側(cè)砂輪主軸水平方向振動峰峰值由172.97um降為16.65um，降幅為90.4%，豎直方向振動峰峰值由174.60um降為19.16um，降幅為89.0%。水平方向50 Hz轉(zhuǎn)頻的振動幅值由66.12um降為5.59um，降幅為91.6%，豎直方向50Hz轉(zhuǎn)頻的振動幅值由67.75um降為5.57um，降幅為91.8%。右側(cè)砂輪主軸水平方向振動峰峰值由180.52um降為22.05um，降幅為87.8%，豎直方向振動峰峰值由181.01um降為21.34um，降幅為88.2%。水平方向50Hz轉(zhuǎn)頻的振動幅值由71.49um降為7.28um，降幅為89.9%，豎直方向50Hz轉(zhuǎn)頻的振動幅值由72.33um降為6.84um，降幅為90.5%。此時，振動幅值較應(yīng)用單平面振動控制技術(shù)時有進(jìn)一步的降低，且兩側(cè)砂輪主軸的振動均較小。控制電流為1.5和2.0A時的振動幅值與1.0A時的相近，變化不大。在實(shí)驗(yàn)中，左側(cè)砂輪主軸的振幅略小于右側(cè)砂輪，這可能是由于在分別配置兩臺阻尼器內(nèi)的磁流變液時，其配比略有不同造成的。

以電流0和1.0A時左側(cè)砂輪主軸水平方向的振動數(shù)據(jù)為例，時域數(shù)據(jù)對比如圖10所示，頻譜數(shù)據(jù)對比如圖11所示。

由圖10和11可得，在系統(tǒng)工作狀態(tài)下，阻尼器通人電流后，阻尼器能同時降低砂輪主軸振動峰峰值及轉(zhuǎn)頻的振動幅值，振幅較單平面技術(shù)時的小，降幅可達(dá)90%，且隨電流的增大而增大。

綜上所述，阻尼器利用雙平面振動控制技術(shù)可有效控制砂輪主軸振動，振動控制效果優(yōu)于單平面振動控制技術(shù)。上述實(shí)驗(yàn)處于機(jī)理研究階段，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)給裝置與主軸調(diào)速裝置，故阻尼器基于不同加工工況（砂輪轉(zhuǎn)速、工件進(jìn)給量和進(jìn)給速度）對砂輪主軸振動及工件磨削表面粗糙度的影響規(guī)律研究尚未進(jìn)行。如何將該技術(shù)應(yīng)用于磨床砂輪振動控制中，還需對磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

4.結(jié)論

本文搭建單平面及雙平面振動控制實(shí)驗(yàn)臺，將磁流變阻尼器作為輔助裝置安裝于砂輪主軸，在砂輪機(jī)工作狀態(tài)下，研究阻尼器利用單平面及雙平面振動控制技術(shù)控制砂輪振動的規(guī)律，并對比分析了兩種方法的控制效果，得到如下結(jié)論：

1）當(dāng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在剛性狀態(tài)下運(yùn)行時，改變阻尼器電流可降低轉(zhuǎn)子振動，且系統(tǒng)振幅隨阻尼器電流的增大而減小，振動降幅呈現(xiàn)出先快速增大后變緩的趨勢；

2）在單平面振動控制實(shí)驗(yàn)中，磁流變阻尼器可以在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下，有效抑制砂輪主軸振動峰峰值及轉(zhuǎn)頻的振動幅值，降幅約為80%；

3）在雙平面振動控制實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下，磁流變阻尼器對砂輪機(jī)兩側(cè)的砂輪主軸振動峰峰值及轉(zhuǎn)頻的振動幅值均有較好的振動控制效果，振動降幅約為90%；

4）兩種振動控制方法均能將砂輪振動保持在較低水平，系統(tǒng)振幅隨電流的增大而減小，且雙平面振動控制技術(shù)的振動控制效果優(yōu)于單平面振動控制技術(shù)的振動效果。