機械振動理論在拋光磨頭故障分析中的應用

摘 要：本文理論聯系實際，對凸輪式拋光磨頭生產及使用中常見的故障現象進行了原因分析，對產品生產及使用有現實的指導意義。

關鍵詞：拋光磨頭；故障機理；信號采集；功率譜分析；間隙；沖擊

1 引 言

KD268C拋光磨頭是科達機電陶瓷拋光機的重要配套部件，其結構原理為凸輪驅動磨腳擺動。該款磨頭以其工作可靠、效率高、維護簡便而得到廣泛應用。但是，該款磨頭出廠初期（跑合期內）易產生振動，該問題曾是長期困擾拋光機的一大技術難題。

2 拋光磨頭產生振動的原因分析

2.1旋轉體的振動機理

作旋轉運動的零部件，可統稱為回轉體或轉子。在理想狀態下，回轉體回轉時與不回轉時，對軸承產生的壓力是一樣的，這樣的回轉體是平衡回轉體。但工程實際中的回轉體，由于材質不均或毛坯缺陷、加工及裝配產生的誤差，甚至設計時就具有非對稱的幾何形狀等多種因素，使得回轉體在旋轉時，每個微小質點產生的離心慣性力不能相互抵消，而離心慣性力又會加劇自身的變形，通過軸承作用到機器上，從而引起振動。

2.2磨頭振動分析

圖1是回轉體振動分析時的物理模型。設其質量為m，質心與旋轉軸線的偏心距為e，角速度為ω，則其激振力為：f（t）=meω2sinωt。對簡單的剛體旋轉體，可用此精確描述其動力學特性，如生產中廣泛使用的慣性激振器等。

圖2為KD268C拋光磨頭，該研究對象內部結構設計上是完全對稱的，且所有零件表面都經過機械加工或精密鑄造，基本上是平衡的。實際生產中可能存在的零件材質不均、零件加工及裝配誤差的存在，因此嚴格意義上它又確是一個非均質體。但這種不均勻性對實際使用影響有多大？究竟是不是產品故障的主要根源？當時確有很多意見認為出廠前平衡處理是關鍵。在實際使用中，我們注意到：產品空載運行（不磨磚）時無振動現象，一部分產品在運行一段時間后振動還可自行消除；更有趣的是：有些振動磨頭去掉一個磨塊后，反而沒有了振動，可見質量分布不均在這里并非主要矛盾。

在分析旋轉機械的振動問題時，需根據作旋轉運動的零部件的剛度及相關尺寸，將其視為剛體或彈性體，建立不同的運動方程，采用不同分析方法，從而采取相應的解決措施。如短粗軸上的齒輪或飛輪，可將其視為剛體，一般來說，解決平衡問題即可；而細長軸上的齒輪或飛輪，則不能視為剛體，需要進行臨界轉速或扭振分析等。

在實際生產中，磨頭振動與外部相關部件往往有密切關系，要解決振動問題不能孤立地僅關注磨頭本身，而需要進行整體分析。

圖3是拋光磨頭工作時的整個傳動系統，運動通過上部皮帶輪、傳動軸及聯接法蘭傳至磨頭，從而使磨頭旋轉。上下兩軸承是支承系統，下端軸承至磨塊工作面是系統懸伸長度。工作過程中，磨塊受載不可能完全對稱，由于軸承不可避免地有間隙存在，工作時可能產生圖4的情況。故系統中考慮了設置輔助支承，如圖3中的固定筒，開機前調試必須將固定筒找正后將壓緊塊鎖緊。實際生產中的很多振動情況就是因此處未調節好而引起的。

另一個要注意的問題是，磨頭上部必須與機架工作面垂直，如果傾斜，會使磨頭工作時受載不均，導致系統振動，如圖5。

3磨頭振動的解決措施

在實際生產中，振動問題解決并非如此簡單。很多情況都可能引起振動，既有產品自身的，也有外部的，且帶有很大的隨機性及不確定性，如何在錯綜復雜的現象中找出本質性的規律？以及在相同外界條件情況下，提高產品自身抵抗外界干擾的能力，使產品穩定性有一個根本性的改善，是擺在我們面前必須解決的問題。

通常解決工程振動有兩種方法：一種是解析的方法，通過建立理論模型的運動微分方程組，從而達到解決振動問題的目的，如與航空航天密切相關的發動機設計；另一種是工程測試的方法，通過某種激勵的方法使系統產生一定的振動響應，或通過現場實測，利用有關儀器設備直接得到系統的響應，從而使對振動問題的主要根源做出準確判斷，達到解決問題的目的。而后者就是隨著電子、信息技術不斷發展而日臻成熟的現代診斷技術。

在解決拋光磨頭振動問題時，我們借助科研院校的力量對產品行了全面分析，將產品抽象成相應的力學模型和數學模型，對其固有頻率、主振型進行了計算，運用現代診斷手段，采用時域法、頻域法（功率譜分析）對采集的信號進行分析，診斷出故障主要來源于系統擺動機構的傳動部分。

擺動機構傳動工作原理如圖6、圖7所示，在磨盤公轉的同時，通過差動輪系，使凸輪相對磨盤產生一個相對轉動，由于凸輪1曲面高低起伏變化，通過主動滾輪2驅動主動擺桿3(三個)往復擺動;主動擺桿通過從動滾輪4、球面螺釘5又驅動被動擺桿6(三個)往復擺動。

這里有兩個工作面，一個是主動滾輪與凸輪曲面接觸面；另一個是從動滾輪與球面螺釘的接觸面。特點：這兩處傳遞驅動力的同時，又有相對運動。從傳力的角度考慮，接觸面要緊密，不應該有間隙，否則會引起運動沖擊；而從運動的角度考慮，要有一定間隙，否則運動阻力太大也會導致振動。

狀態要求：在保證能正常運動的條件下，間隙盡可能小。間隙包括兩個方面：一個是大小，另一個是均勻性。

凸輪曲面與主動滾輪間隙（圖6、圖7，間隙2）：大小由裝配調節保證，而均勻性由設計及加工控制。設計方面的要求是，凸輪曲線必須是共軛曲線，如圖8，兩滾輪在任何位置都能可靠接觸，當然，擺桿相關參數也必須合適。

從動滾輪與球面螺釘的接觸面間隙（圖6、圖7，間隙1）、大小及均勻性都需要出廠調試保證。為什么這兩處間隙對磨頭振動有如此大的影響呢？

圖9為常見的刨床刀具安裝圖，工作時刀柄務必鎖緊，否則就會產生振動，使得機床無法正常工作。不僅如此，所有機床加工時刀柄均必須如此。

拋光磨頭磨塊也相當于切削刀具，如圖10，主動擺桿磨塊部分相當于刀刃，而支點O（擺軸）與兩滾輪N1、N2處相當于刀柄，為使其能正常工作，N1、N2、O必須穩固，達到這個要求的基本前提是：兩滾輪要與凸輪可靠接觸。單從支點穩定性角度出發，兩點卡得越緊越好，但由于工作過程中凸輪與主動滾輪是有相對運動的（凸輪旋轉），卡得太緊使運動阻力增加，會引起振動。同理，被動擺桿球面螺釘與從動滾輪也是如此，如圖11。從振動理論角度分析，支點剛性是影響系統固有頻率的重要參數，且往往很難具體量化。