高速压力机的振动分析与控制

1、高速压力机的振动分析与控制高速压力机的振动分析与控制 江宝明，周星源，周玉 香，杨 洋，裴海涵 （扬州锻压机床股份有限公司， 江苏 扬 州 225128 ） 摘要：随着电子、通讯、计算机、家电及汽车 工业的迅猛发展，冲压零件的需求量迅速增长，推动了高速 压力机的普及应用。而压力机在运行过程中，不可避免会产 生振动和噪声。本文着重分析高速压力机产生振动的原因及 隔振措施，希望对压力机生产商的设计制造提供参考。 关 键词：高速压力机；振动；隔振；控制 高速压力机具有速 度快、精度好、自动化程度高、安全性好等优点，在现代金 属冲压加工作业中应用日益广泛。高速压力机比普通压力机 行程次数高，一般在 2

2、001000min-1，因此在运行过程中 产生的振动及噪声也相应增加，往往对周围环境造成不利影 响。 研究表明，长期在强振动压力机旁工作的人，在生理 上会影响消化系统、听觉系统，并导致呕吐、头昏和中枢神 经系统紊乱等现象；在心理上则会使人产生疲倦、心情慌乱 并对工作产生厌恶感， 导致工作效率降低。 压力机振动大， 会加大压力机零件之间的摩擦、增大设备的能耗，其本身亦 会出现螺栓松动、零件损伤、电气元件失效、模具异常磨损 等不良影响，进而缩短设备的使用寿命。一旦机械压力机出 现故障， 就会增加维修成本， 给企业生产经营造成巨大损失。同时，压力机振动能量的一部分通过各种构成部件释放到空 气中，成为

3、冲压的主要噪声源。因此控制压力机的振动还可 直接降低噪声。 另外，高速压力机的振动还会激起基础振动， 并向地表传播，使其他精密设备仪器受到干扰、精度下降。 振动传至附近的居民区，亦会对人的正常生活产生影响。 1 高速压力机产生振动的因素分析 1.1 压力机本身的结构因 素 机械压力机工作部分曲柄滑块结构，由飞轮作为储能元 件，飞轮质量分布不均时，在高速运转中必然会产生不平衡 的惯性力，即为引起飞轮系统振动的干扰力，造成飞轮系统 的振动，再经过支承传递给机身，引起整机的振动。 建立 如图 1 所示的飞轮 -横梁振动系统， 若飞轮系统的质心 a 不在 回转中心0点而偏一个距离e,假设飞轮系统的质量

4、为m ,角速度为3,则回转时产生的不平衡惯性力F=mew 2;垂直方向的分力，即飞轮系统持续不断地产生纵向振动的干扰力 S=md 2sin 3 t，可知S是按正弦规律变化的， 其振动为简谐 振动。 图 1 飞轮 -横梁振动系统图 1.飞轮 2.上横梁 根据振 动理论,产生振动需要质量和弹性两个因素。为方便研究, 我们将系统简化为如图 2 所示的质量 -弹性系统,将飞轮系统 视为质量,将横梁系统视为弹性体。 图 2 中, 0 点为飞轮 静平衡时质心位置，入 为静止时压下量，k为弹性系数，则 有mg=kX ;若图中01点为质心在干扰力 S的作用下又下移 距离y后的瞬时平衡位置，则有F=-k（入+y

5、）。根据运动基本 定律，得到 图 2 飞轮静平衡力学图 令干扰力的最大值SO=mew 2,代入式(1)得到 转化为二阶常系数非齐次线 性微分方程，得到 求解得到 显然，减小振动的途径为减 少干扰力SO,因此一定要对飞轮系统进行动平衡校正试验， 并尽量使飞轮系统的回转中心靠近压力机的几何中心。 1.2 曲柄滑块机构的运动因素 如图 3 所示,压力机曲柄滑块机 构的速度、加速度和转角有如下的关系： 速度V=Rw (sin a + 入 /2sin2 a 加速度 a=R® 2(cos a + 入 cos2 式 中：入=R/L o图3曲柄滑块机构简图由上述公式可得：当a =0°时V=

6、0, a=|amax| , a角增大 V随之增大；当a =75 90° 时,V=Vmax , a=0 ;当 a =180 °时,V=0 , a=|amax|。就 是说，曲柄滑块机构在一个工作循环中，其速度和加速度分 别按正弦、余弦规律变化，因此曲柄滑块机构在运动中要产 生不断变化的惯性力，速度越大，这种惯性力及其变化也越 大，即： F=|ma|=|mR 3 2(cos a +入cos2 a显然，在运动的 上下死点处惯性力最大，其值为 F=|m R3此惯性力是属 于运动系统的内干扰力， 也会引起压力机的振动。 实践证明， 这种振动往往还很严重,不仅影响曲柄滑块机构中零件的强

7、度,而且对机身、轴承、压力机的精度均有影响。 1.3 冲压 作业中加工力的因素 高速压力机的公称压力行程较小,实 际工作行程还要更小,因此压力机在完成冲压零件时呈现出 一种短时高峰负荷、长时空载的脉冲冲击负荷特征。冲裁开始时，冲头与板料接触要有冲击，板料冲穿后会产生失荷冲 击，这些均要引起强烈的振动。根据研究数据，当冲入厚度 达到板料厚度的 45% 左右时， 冲裁力升到最大峰值， 此时机 身、曲柄滑块机构在封闭力系作用下，均要产生弹性变形， 其弹性变形量与冲裁力呈线性关系。而在冲裁的高峰负荷阶 段，压力机将积蓄一定的弹性势能， 当板料被剪断的一瞬间， 冲头突然失荷，压力机积蓄的弹性势能将在极短

8、时间内释放 出来而导致压力机产生强烈的振动。 1.4 压力机启动过程及 停止过程引起的振动 压力机的启动及停止，是通过离合器 与制动器交替结合与分离来实现的。当离合器结合时，要驱 使静止的曲柄滑块机构加速运动，此时曲柄滑块机构的惯性 力即为飞轮系统的运转阻力，即干扰力，此干扰力必然会引 起压力机的振动。当制动时，从动部分的惯性力对制动器固 定盘会产生干扰力，同样会引起压力机的振动，尤其是紧急 制动时，这种振动更加明显。 2 高速压力机的振动防止措 施 2.1 对压力机本身的结构因素引起的振动控制 飞轮的不 平衡可通过动平衡校正来消除；对曲轴偏心部分及滑块往复 运动的不平衡，一般是通过在曲轴偏心

9、曲拐处增加平衡块来 抵消。至于高速压力机，要实现平稳的运动，最好对往复运 动部分的质量进行平衡，简单的平衡装置采用对向滑块式结 构，复杂的采用摇动式结构。同时，动平衡机构也可以用来 减小或消除压力机在启动过程及停止过程中回转部件加速、 减速引起的振动。平衡机构一般会增加回转部分的惯性矩， 因而会破坏机床的停止性能，因此在平衡方案设计时要注意。2.2 对加工力引起的振动控制 在冲压作业中， 振动力的大小 与压力机的刚度和综合间隙有关。 压力机的刚度大， 各连接、 运动部分的综合间隙小，则振动小，因此高速压力机一般来 说比普通压力机刚度大、综合间隙小。 由于冲压作业是一 种苛刻的作业，对一般板材（

10、冲入率38%60%）进行冲压时， 如果考虑到滑块的加速度，可算出其反向负荷约为压力机公 称力的 30% 。因此，在冲压作业时，冲裁力最好不要超过公 称力的 70% ，这样可大大降低压力机的振动。 2.3 采取必 要的隔振系统，延长弹性势能的释放时间 在冲压结束的一 瞬间，弹性势能迅速释放，必然引起强烈的振动，如果设法 使压力机在失荷的瞬间遇到一种阻尼作用，使弹性势能较缓 慢的释放，将会大大减小振动。实践证明在压力机上采用隔 振器对减少振动的效果很好。 高速压力机上常采用的隔振 器有弹簧阻尼隔振器、橡胶隔振器、空气弹簧隔振器、液压 缓冲器等。弹簧阻尼隔振器是目前工程中使用较为普遍的一 种隔振元件

11、，它由螺旋钢弹簧及抗老化的阻尼液和金属壳体、 固定垫板、调平钢板等部件构成。弹簧能为压力机在工作状 态时提供给缓冲，降低系统固有频率。阻尼液能在压力机受 到振动干扰和过共振区的情况下瞬间吸收振动能量。因此弹 簧阻尼隔振器具有良好的减振和降噪性能。 3 结论 （1）高速压力机的激振力主要为曲柄滑块结构的惯性力和加工 力，一般情况下前者大于后者， 但激振频率是前者小于后者。 研究表明，当隔振系统的固有频率和惯性激振力频率之比小 于 1/ 时，对惯性激振力会有隔振效果，对加工力自然更有隔 振效果。为获得更好的隔振效果，可使隔振系统的固有频率 尽可能降低。 (2)高速压力机的行程次数在2001000次

12、/分钟之间， 对于不同的行程次数， 应考虑采用不同的隔振 方法。 ( 3)高速压力机隔振是一个比较复杂的问题，在隔 振处理时，要根据实际情况，选用合理的隔振方法。参考文献： 1何德誉 .曲柄压力机 M. 北京：机械工业出版社， 1981. 2 董 康，陈康宁，李天石 .机械控制理论基础 M. 西安： 西安交通大学出版社， 2005. 3 孙明江，王兴松 .闭式高速 压力机的隔振研究 J.控制工程，2013 , (4).4张德峰.高速压力机隔振设计与实验研究 D. 南京：东南大学， 2009. Vibration analysis and control of high-speed press

13、JIANG Baoming ， ZHOU Xingyuan ， ZHOU Yuxiang ， YANG Yang ， PEI Haihan( Yangzhou Metal Forming Machine Tool Co.,Ltd.,Yangzhou 225128,Jiangsu China ) Abstract ：The reasons for vibration generated by high-speed press have been mainly analyzed in the text, as well as the isolation measures.It is hoped to provide reference for the designand manufacture of the press. Keywords：High-speedpress;Vibration;Vibration iso