Designer在龍門機床部件優化中的應用分析

錢鳳來，李 勇

1.沈陽機床股份有限公司中捷機床，遼寧 沈陽 110141 2.沈陽機床股份有限公司中捷鉆鏜床廠，遼寧 沈陽 110141

0 引言

傳動系統的扭轉振動，會在工作運行中對龍門機床造成嚴重的危害并影響工作性能，因此龍門機床設計工作者對關于傳動系統的扭轉振動方面的問題必須認真解決。在扭轉振動過大的情況下工作，可能導致傳動系統的齒輪打齒、斷軸，甚至對電機的性能指標產生不良影響。EXCITE-designer是AVL公司開發一款力學模擬軟件，既可以用于動力、傳動系統的初期開發，也可以對現在生產的機型的動力、傳動系統進行改進設計或校核。它具有界面平易近人、模塊功能強大、后處理功能靈活等特點，可以實現包括：傳動系統扭轉振動計算、傳動系統部件強度計算、液體動力軸承計算等的計算任務，并且以據其計算結果對傳動系統進行優化設計。本文針對以某龍門機床傳動系統在分別安裝皮帶輪和扭轉減振器條件下的工作作業情況展開討論和研究，應用EXCITE-designer軟件為傳動系統建立扭轉振動模型，并進行扭轉振動計算，并闡述了扭轉減振器能在改善傳動系統的扭轉振動特性方面的效果，最后將“橡膠減振器”與“硅油減振器”的減振效果進行了對比。

1 傳動系統扭轉振動分析

1.1 扭轉振動系統模型的建立

機床的振動按其結構特點分類，主要可以分為兩大類：1）即振動主要是由機床的大部件所組成的構件系統產生的振動；2）主要由機床的傳動系統部件組成的傳動系統振動。傳動系統的振動一般危害性很大，會對機床的工作性能產生產重的不良影響，比如：因為車床傳動絲杠出現顫振，從而產生加工出的螺紋和蝸桿的精密鏟平的表面出現波紋，導致產品報廢；銑床在進行在重切削作業時，升降進給系統產生扭轉振動，發出齒輪相互敲擊的聲音，這是齒輪組發生了“打齒”現象，嚴重的可以導致工作臺作出明顯不均勻的運動軌跡；再比如，由于龍門機床的傳動系統的扭轉振動，在進行銑削加工作業時會加劇機床振動，從而無法進行重切削，還有滾齒機和弧齒、錐齒輪、切齒機等，在進行切、銑、削等加工作業時，因為傳動系統的扭轉振動而出現沖擊，使生產的齒面在切出后秒面帶有鱗片狀波痕等等。

傳動系統的扭轉振動系統是一個復雜的、自由度沒有限制的彈性體扭轉振動系統。構成傳動系統扭轉振動系統的組件有復雜的幾何形狀，而且集成有完成如“定軸轉動、往復運動和平面運動”等運動形式的很多構件。傳動系統的這些因素使扭轉振動計算的困難很大，所以需要在簡化實際傳動系統后再進行計算。而對于機床的傳動系統的“固有頻率” 特性和“動態頻響”特性方面，過去曾提出并進行了相關計算方法探討，但對于因為由機床傳動系統的結構特點所引發的動力效應，和應采取哪種結構設計原則以使機床傳動系統在傳動平穩性得到提高等方面，還缺乏實際經驗較系統的和理論試驗研究。本文在對傳動系統扭轉振動的形成機理、傳動系統的薄弱環節的識別、提高抗振性的方法等方面進行綜合分析的基礎上， 力圖解決機床傳動系統的扭轉振動問題，希望能有助于提高傳動系統的設計質量。

1.2 扭轉振動系統計算結果分析

1.2.1 扭轉振動系統的自由振動結果分析

經過對扭轉振動系統在加裝減振器前后所產生的固有頻率進行的分析。由于對傳動系統采用減振器，所以增加一個軸系扭轉振動的自由度個數，使無減振器的最低固有頻率分成兩個新的頻率。對計算結果進行分析，表明不帶減振器傳動系統模型經過EXCITE-designer軟件的處理，簡化為13個自由度扭轉振動系統，相應的，安裝了減振器的傳動系統模型將被簡化成14個自由度扭轉振動系統。一節點主振型一般情況下決定軸系扭轉振動特性的最重要振犁是一節點主振型。

1.2.2 扭轉振動系統的強迫振動結果分析

由于在龍門機床的結構中，傳動系統的節點單元較多，因此在本文的討論中，以較接近傳動系統前端而且振幅比較高的曲柄銷為例，對傳動系統進行強迫振動分析。通過在曲柄銷在振動時，對不同諧次的扭轉振動特性圖進行分型，可看出“3.5階、4階、4.5階、5.5階、6階、6.5階、7.5階和8階”中存在較為明顯的共振峰，由于8階以上諧次振幅很小，因此可以忽略。當轉速達到4000r/min左右時，4階開始出現了強烈的共振峰；當轉速達到4600r/min左右時，3.5階也出現了強烈的共振峰，為了加以控制，需要安裝減振器。在把減震器加裝在機床的傳動系統中以后，對振動進行分析。在對安裝了減振器時與未帶減振器時的主要諧次扭轉振動特性進行對比后，可以從結果中總結出來：“不帶減振器時各個主要諧次的振幅都較大程度地降低。3.5階和4階的降幅最大，其他階次也不同程度的降低，共振峰也有向高轉速去轉移的趨勢，逐漸脫離常用轉速區”。這種分析結果說明減振器對曲軸扭轉振動特性的改善效果明顯。

2 減振器優化

扭轉減振器一般采用兩種減震器：橡膠減振器或者硅油減振器。橡膠扭轉減振器的優點是結構簡單、輕巧，但橡膠有物理和力學性能不穩定的特點。工作中的熱量容易使橡膠層發熱，并導致減振器失效。硅油減振器能較好地控制硅油粘度、慣量、硅油間隙和較好的制造一致性等特點，而且硅油有較大的粘度的選擇范圍和物理及化學特性穩定，性能受環境因素影響較小等優勢，因此工作性能明顯好于橡膠減振器。EXCITE-designer軟件中能對這兩種減振器分別提供模型，經過計算后，對參數進行合理選擇后產生結果并輸出曲柄銷1扭轉振動的振幅圖：“軟件選用了性能和減震效果更好的硅油減振器，在整個轉速范圍內效果很穩定，不出現新的明顯的共振峰”。

3 結論

本文介紹應用EXCITE-designer動力學模擬軟件，搭建龍門機床的傳動系統扭轉振動模型，并計算了安裝扭轉減振器后的傳動系統扭轉振動特性的變化。通過對最終計算結果的分析得出如下結論：“減振器可以有效抑制諧次共振峰，安裝減振器后傳動系統扭振振幅大幅降低。并進一步說明了在加工作業中硅油減振器和橡膠減振器的工作特性對比”。

[1]雷宣揚.曲軸動態振動特性的模擬[D].大連理工大學，2003.

[2]丁宇.傳動系統性能分析及曲軸強度計算方法研究[D].哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，2006，6.