螺紋數控修複車床（chuáng）主軸部（bù）件動態特性分析（下）-數控機床市場網（wǎng）

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螺紋數控修複車床主軸部件動態特（tè）性分析（下）

2017-4-7 來源：沈陽工業大學（xué）作者：肖磊

第 4 章主軸動態試驗研究

第 3 章對（duì）螺紋（wén）數（shù）控修複車（chē）床的主軸部件進行了動態特（tè）性分析，得到了該車床（chuáng）主軸在不同約束條件下的固有頻率和振型。在車床實際加工過程中（zhōng），主軸動態特性（xìng）受到的影響因素很多，軸承支撐剛度的計算也隻是依靠經驗公式計算出來的，並不（bú）是準確的定值，所以有限元動（dòng）態分析結果可能會受到影響。下麵對主軸進行動態試驗分析，研究（jiū）主軸在（zài）實際工況下的動態（tài）特性，比較有限（xiàn）元分析結果與試驗分析結果，檢驗（yàn）有限元分析結果的準確性，同時，利用動態試驗分析結果修改（gǎi）有限（xiàn）元動態分析參數（shù），進一步（bù）對主軸動態特性作預測分析。

4.1 試驗模（mó）態分析簡（jiǎn）介

動態試驗分析技術（shù）最早以 20 世紀（jì） 30 年代的機械阻抗技術為基礎，隨著（zhe）計算機技術的發展，動態試（shì）驗分析（xī）技術應運而生，其發展曆程主要（yào）包含三個階段（duàn）。

（1）單輸（shū）入/單輸出法：起（qǐ）源於 70 年代初期，通過各自擬合每一測點的頻響函數（shù）以獲得結（jié）構係統的固有頻率和振型。主要應用於單自由度、純模態和模態密度稀疏的分析（xī）情況（kuàng），但（dàn）這種方法計算量大，且準確度不高。

（2）單（dān）輸入多輸出法：出（chū）現在 70 年代末期。通過整體（tǐ）擬合全部測（cè）點的（de）所有頻響函數數據，獲得結構係統相對準確的固（gù）有頻率和阻尼比。但在試驗過程中如果（guǒ）激振點恰選在某階模態的節點上，會導致遺漏可能存在的模態參數。

（3）多輸入多輸出法:基於多點激振測（cè）試（shì）技術，出現於 80 年代。該方法對多個（gè）頻響函（hán）數數據進行擬合，可以忽略因環境（jìng）不（bú）同、支撐條件的變化和激振（zhèn）設備位置變（biàn）化等引起的誤差，廣泛應用於體積較大（dà）、結構複雜的係統。

動態試驗研究主要是指結構的模（mó）態試驗分析，又稱試驗模態（tài）分析法（fǎ）。在分析（xī）過程中，由試驗測得激勵和響應的（de）時間過程（chéng），利用數（shù）字信號處理（lǐ）技術獲得頻響函數或（huò）脈衝函數，通過曲線擬合獲得結構的非參數模型，之後利用參數處（chù）理方法，求解出係統的模態參數，從而（ér）建立係統的試驗動態（tài）模型。所以，試驗模態分析（xī）是主要利（lì）用線性振動理論、動態測（cè）試技術、數字信（xìn）號技術處理和參數識別等技術，通過（guò）識（shí）別結構係統，對結構整體進行（háng）建模分析的一（yī）種試驗建模方法[45-47]。

振動係統（tǒng）包（bāo）含三個要素：係統特性、激勵和（hé）響應。通過激（jī）勵與響（xiǎng）應，便可求出整體結構係統的動態特性[48]。可以把（bǎ）連續的（de）機械結構（gòu）離散處理，將其變成具有一定自由度（dù）的子係統，由第 2 章的（de）理論可知，對於一個自由度為 n 的振動子係統，式（4.1）可（kě）以表示其動態特性微分方程：

文25

式（4.3）描（miáo）述（shù）了係統的輸入和輸出關係。再通過各（gè）種數據處理和數學分（fèn）析方法，可識別係統的模態參數（shù），建立相應的運動方程。利用試驗分析結果分析係統在不同工作狀態下的特性，為設計提供試驗（yàn）依據。

4.2 激振方法簡介（jiè）

4.2.1 激振（zhèn）方法（fǎ）

試驗模態分析中通常采用的激振方式主要有穩態（tài）正弦激振、隨機激振和瞬態激振。

（1）穩態正弦激（jī）勵：采用頻率不同的一組正弦信（xìn）號，放大功率後通過激（jī）振器產生的激振力施加給機械結構。其具（jù）有激振力大，能量集中（zhōng），高信噪比和高測試（shì）精度等優點，但測試時間相對較（jiào）長。

（2）隨機激勵：激勵信（xìn）號通常選用白噪聲或偽隨機信號（hào）。其測試頻率範圍寬，試驗效率很高。但是，在隨機信號的譜估計過程（chéng）中不可避免存（cún）在原（yuán）理性的隨機誤差（chà），為了減小這種隨機（jī）誤（wù）差帶（dài）來的影（yǐng）響，通常平滑處理譜估計，所以降低了試驗精度，通常它的（de）測試精度比正弦激勵的略低。

（3）瞬態激勵：主要有正弦掃頻激振、脈衝（chōng）激振和階躍激振（zhèn）等幾種激振方法，通常脈衝激振因其具備諸多優點被廣泛采用。在脈衝激振過程中，激振力由實驗（yàn）員利（lì）用力錘敲擊實驗對象測點產生。這種方（fāng）法簡（jiǎn）單方便，節省操作時間，激振點選取靈活。但是，由於在試驗操作中，力（lì）錘敲擊通常是人工控製的，敲擊力一致性較低，因此測試精度相對較低。同（tóng）時脈衝激振的能（néng）量較（jiào）小，隻適用於（yú）結構不太複雜的中小型結構。

上述激振方法都是單點激振法。近年來（lái），多點隨機激振（zhèn）方式逐漸成熟，這種方法可將多個激振點同時布置在實驗對象，從而避免單個激振點恰好布置在某階模態的節點（diǎn）而遺漏這一節點模態（tài）情況的識別，同時多點激振法的激振能量較大（dà），測量精度較高。

4.2.2 錘擊法簡（jiǎn）介

錘擊法激振實驗對象（xiàng）是當前分析結構的模態時廣泛應用的一種試驗方法，屬於脈衝激振法。錘擊法通過力錘敲擊實驗對象從而獲得激振力（lì），利用數據采集儀收集激勵信號 F（t）和響應信號

（t），再將獲得的時域信號經過 FFT 處理轉（zhuǎn）換為頻域信號，從而獲得頻率響應曲線，最後得到係統的動態特性。

錘擊法激振實驗對（duì）象時，設備簡（jiǎn）單，操作便利，敲擊點（diǎn）選擇具有很大靈活性，在試驗時現場安裝試驗設備即可，節省了大量時間，同時設備的（de）傳（chuán）感器較小，不會給（gěi）實驗對象帶來額外的質量、剛度和阻（zǔ）尼影響，測試非常方便[49]。理論上力錘的每次激振時間趨近於零，激振（zhèn）力無窮大，它（tā）的頻譜圖為一條直線，如圖 4.1 所示。但現實（shí）條件下，由於力（lì）錘和實驗對象的材料具有彈性特性，激振時間和激振力的情況會發生變化，它的（de）激振力信號與頻譜（pǔ）圖如圖 4.2 所示（shì），力譜的（de）幅值（zhí）在低頻處變化較小（xiǎo），可近似看成（chéng）直線，隨著頻率增高幅值逐漸（jiàn）下降，激振能量逐漸較（jiào）小。在試驗時為了得到更加準確的結果，可以多（duō）次敲擊激振（zhèn），提高信噪比，同時應避（bì）免（miǎn）力（lì）錘的重（chóng）複激勵。

圖 4.1 理想脈衝信（xìn）號與頻譜（pǔ）圖

圖 4.2 現實錘擊力信號與頻譜圖

本文采用脈衝激振方法對主軸進行激振，利用數據采集係統對激勵產生的振動信號進行采集，並對數據（jù）進行處理，獲得主軸模態信息（xī），指導主軸的（de）動態優化設計（jì），整（zhěng）個過程如圖 4.3 所示。

圖 4.3 試驗模態分析過程

4.3 自（zì）由狀態下（xià）主軸的動態試驗（yàn）

本文主軸部件的動態試驗包括兩部分，包括測量主軸在自由狀（zhuàng）態下的固有（yǒu）頻率（lǜ）和振型，以及測量（liàng）主軸在裝配條件下的固有頻（pín）率。通過試驗獲得主軸的動態特性與有限元分析（xī）結果進行比對，分析有限元分析存在問題並指導主軸的結構（gòu）改進。下麵進行主（zhǔ）軸在（zài）自（zì）由狀態下的動態試驗。

4.3.1 試（shì）驗設備

在本動態試驗中，所用到設備如表 4.1 所示，同時車（chē）床主（zhǔ）軸由於體積較大（dà），質量（liàng）較高，測試力錘無法提供足夠（gòu）激振能量，所以采（cǎi）用簡單的鐵錘進行敲擊，由於其不具有傳感器而無法收集激振力信號，所以得到的參數值是相對的。

表 4.1 試驗主要設備

4.3.2 試驗方案

在本次試驗中，目的是獲取主軸在自（zì）由狀態下的固有頻率及振型（xíng）。為（wéi）了獲取主軸的（de）振型，需要測得主軸不同部位的振動響應情況。第 3 章在建模軟件中建（jiàn）立的主軸模型（xíng）可（kě）知，主軸的軸向為 X 向，主軸的徑向截（jié）麵處於 Y 向和 Z 向，在（zài） Y 向和 Z 向每個方向各取 11 個測點測（cè）量主軸的動態特性，並在主軸的中（zhōng）間部分（fèn）激勵主（zhǔ）軸，以便主軸整體（tǐ）能夠（gòu）被充分激振（zhèn）。首先，對所有測點進行振動響應情況（kuàng）測試，獲得主軸的振型。其（qí）次（cì），改變（biàn）測量參（cān）數，同時選取主軸 2 點和 8 點，測量主軸的（de）固有頻率。在試（shì）驗中，由於選擇鐵錘對主軸進行激（jī）振，為了避免鐵錘衝擊主軸對（duì）其造（zào）成無法修複的破壞，特選（xuǎn）取未加工的主軸件進行激振試驗，經（jīng）測量，該（gāi）主軸徑向平均尺寸比加工完成後的成品主軸徑向尺寸大 6mm,理論（lùn）上對測量結果（guǒ）影響不大，所以選擇（zé）該主軸（zhóu）進行激振試驗。各（gè）測點的參數坐（zuò）標如表 4.2 所示（shì），試驗方案如圖 4.4 所示。

表 4.2 各測點坐標參數

圖 4.4 主軸測（cè）試係統

4.3.3 試驗過程

為了測試主軸自由狀態下的動態特性，同時（shí）盡量減小周圍環境振動（dòng）和支撐剛度對測試結果的（de）影響（xiǎng），將主軸在中間部位采用一根彈性繩吊（diào）起至距離地麵 10cm 的（de）位置，同時調（diào）整彈（dàn）性繩位置，使主軸盡量保持水平，通過此方法，模（mó）擬（nǐ）主軸的自由狀態。該數據分析儀為多通道數據分析儀器，根據現有（yǒu）條（tiáo）件，在測試前檢查加速度計和（hé）調整數（shù）據分析儀為雙通道激振測試，隻記（jì）錄響（xiǎng）應信號。每次測試中，兩個（gè）加速度計通過磁頭分別吸附在主軸同一徑向截麵的 Y 向和（hé） Z 向測（cè）點上，準備測試，根據有限元分析主（zhǔ）軸自由（yóu）狀態下的一階固有頻率值設定數據分（fèn）析儀的測試（shì）頻率範圍為 0 到（dào） 1500Hz，激勵（lì）點選在主（zhǔ）軸中間位（wèi）置，以便（biàn）每次激勵能（néng）夠充（chōng）分激振這各個測點。此外，為了使每次鐵錘（chuí）敲擊力度盡量（liàng）一致，利用帶有摩擦阻力的線繩吊（diào）住鐵（tiě）錘，使其敲擊麵與主軸麵貼合，距離地麵為固定位（wèi）置，每次敲擊時，拉動（dòng）其到固定位置，再鬆開鐵錘，使主（zhǔ）軸受到鐵錘的水平激振力，這樣便得到了近似相（xiàng）同的激振力，試驗情況如圖 4.5 所示。