高速壓力機的振動分析與控制

江寶明，周星源，周玉香，楊 洋，裴海涵

（揚州鍛壓機床股份有限公司，江蘇 揚州 225128）

高速壓力機的振動分析與控制

江寶明，周星源，周玉香，楊 洋，裴海涵

（揚州鍛壓機床股份有限公司，江蘇 揚州 225128）

隨著電子、通訊、計算機、家電及汽車工業的迅猛發展，沖壓零件的需求量迅速增長，推動了高速壓力機的普及應用。而壓力機在運行過程中，不可避免會產生振動和噪聲。本文著重分析高速壓力機產生振動的原因及隔振措施，希望對壓力機生產商的設計制造提供參考。

高速壓力機；振動；隔振；控制

高速壓力機具有速度快、精度好、自動化程度高、安全性好等優點，在現代金屬沖壓加工作業中應用日益廣泛。高速壓力機比普通壓力機行程次數高，一般在200～1000min-1，因此在運行過程中產生的振動及噪聲也相應增加，往往對周圍環境造成不利影響。

研究表明，長期在強振動壓力機旁工作的人，在生理上會影響消化系統、聽覺系統，并導致嘔吐、頭昏和中樞神經系統紊亂等現象；在心理上則會使人產生疲倦、心情慌亂并對工作產生厭惡感，導致工作效率降低。

壓力機振動大，會加大壓力機零件之間的摩擦、增大設備的能耗，其本身亦會出現螺栓松動、零件損傷、電氣元件失效、模具異常磨損等不良影響，進而縮短設備的使用壽命。一旦機械壓力機出現故障，就會增加維修成本，給企業生產經營造成巨大損失。

同時，壓力機振動能量的一部分通過各種構成部件釋放到空氣中，成為沖壓的主要噪聲源。因此控制壓力機的振動還可直接降低噪聲。另外，高速壓力機的振動還會激起基礎振動，并向地表傳播，使其他精密設備儀器受到干擾、精度下降。振動傳至附近的居民區，亦會對人的正常生活產生影響。

1 高速壓力機產生振動的因素分析

1.1 壓力機本身的結構因素

機械壓力機工作部分曲柄滑塊結構，由飛輪作為儲能元件，飛輪質量分布不均時，在高速運轉中必然會產生不平衡的慣性力，即為引起飛輪系統振動的干擾力，造成飛輪系統的振動，再經過支承傳遞給機身，引起整機的振動。

建立如圖1所示的飛輪-橫梁振動系統，若飛輪系統的質心a不在回轉中心O點而偏一個距離e，假設飛輪系統的質量為m，角速度為ω，則回轉時產生的不平衡慣性力F=meω2；垂直方向的分力，即飛輪系統持續不斷地產生縱向振動的干擾力S=meω2sinωt，可知S是按正弦規律變化的，其振動為簡諧振動。

圖1 飛輪-橫梁振動系統圖

根據振動理論，產生振動需要質量和彈性兩個因素。為方便研究，我們將系統簡化為如圖2所示的質量-彈性系統，將飛輪系統視為質量，將橫梁系統視為彈性體。

圖2中，O點為飛輪靜平衡時質心位置，λ為靜止時壓下量，k為彈性系數，則有mg=kλ；若圖中O1點為質心在干擾力S的作用下又下移距離y后的瞬時平衡位置，則有F=-k(λ+y)。根據運動基本定律，得到

圖2 飛輪靜平衡力學圖

令干擾力的最大值S0=meω2，代入式（1）得到

轉化為二階常系數非齊次線性微分方程，得到

求解得到

顯然，減小振動的途徑為減少干擾力S0，因此一定要對飛輪系統進行動平衡校正試驗，并盡量使飛輪系統的回轉中心靠近壓力機的幾何中心。

1.2 曲柄滑塊機構的運動因素

如圖3所示，壓力機曲柄滑塊機構的速度、加速度和轉角有如下的關系：

速度

V=Rω(sinα+λ/2sin2α)；

加速度

a=Rω2(cosα+λcos2α)

式中：λ=R/L。

圖3 曲柄滑塊機構簡圖

由上述公式可得：當α=0°時，V=0，a=|amax|，α角增大V隨之增大；當α=75～90°時，V=Vmax，a=0；當α=180°時，V=0，a=|amax|。就是說，曲柄滑塊機構在一個工作循環中，其速度和加速度分別按正弦、余弦規律變化，因此曲柄滑塊機構在運動中要產生不斷變化的慣性力，速度越大，這種慣性力及其變化也越大，即：

F=|ma|=|mRω2(cosα+λcos2α)|

顯然，在運動的上下死點處慣性力最大，其值為F=|m·R·ω2|

此慣性力是屬于運動系統的內干擾力，也會引起壓力機的振動。實踐證明，這種振動往往還很嚴重，不僅影響曲柄滑塊機構中零件的強度，而且對機身、軸承、壓力機的精度均有影響。

1.3 沖壓作業中加工力的因素

高速壓力機的公稱壓力行程較小，實際工作行程還要更小，因此壓力機在完成沖壓零件時呈現出一種短時高峰負荷、長時空載的脈沖沖擊負荷特征。沖裁開始時，沖頭與板料接觸要有沖擊，板料沖穿后會產生失荷沖擊，這些均要引起強烈的振動。根據研究數據，當沖入厚度達到板料厚度的45%左右時，沖裁力升到最大峰值，此時機身、曲柄滑塊機構在封閉力系作用下，均要產生彈性變形，其彈性變形量與沖裁力呈線性關系。而在沖裁的高峰負荷階段，壓力機將積蓄一定的彈性勢能，當板料被剪斷的一瞬間，沖頭突然失荷，壓力機積蓄的彈性勢能將在極短時間內釋放出來而導致壓力機產生強烈的振動。

1.4 壓力機啟動過程及停止過程引起的振動

壓力機的啟動及停止，是通過離合器與制動器交替結合與分離來實現的。當離合器結合時，要驅使靜止的曲柄滑塊機構加速運動，此時曲柄滑塊機構的慣性力即為飛輪系統的運轉阻力，即干擾力，此干擾力必然會引起壓力機的振動。當制動時，從動部分的慣性力對制動器固定盤會產生干擾力，同樣會引起壓力機的振動，尤其是緊急制動時，這種振動更加明顯。

2 高速壓力機的振動防止措施

2.1 對壓力機本身的結構因素引起的振動控制

飛輪的不平衡可通過動平衡校正來消除；對曲軸偏心部分及滑塊往復運動的不平衡，一般是通過在曲軸偏心曲拐處增加平衡塊來抵消。至于高速壓力機，要實現平穩的運動，最好對往復運動部分的質量進行平衡，簡單的平衡裝置采用對向滑塊式結構，復雜的采用搖動式結構。同時，動平衡機構也可以用來減小或消除壓力機在啟動過程及停止過程中回轉部件加速、減速引起的振動。平衡機構一般會增加回轉部分的慣性矩，因而會破壞機床的停止性能，因此在平衡方案設計時要注意。

2.2 對加工力引起的振動控制

在沖壓作業中，振動力的大小與壓力機的剛度和綜合間隙有關。壓力機的剛度大，各連接、運動部分的綜合間隙小，則振動小，因此高速壓力機一般來說比普通壓力機剛度大、綜合間隙小。

由于沖壓作業是一種苛刻的作業，對一般板材(沖入率38%～60%)進行沖壓時，如果考慮到滑塊的加速度，可算出其反向負荷約為壓力機公稱力的30%。因此，在沖壓作業時，沖裁力最好不要超過公稱力的70%，這樣可大大降低壓力機的振動。

2.3 采取必要的隔振系統，延長彈性勢能的釋放時間

在沖壓結束的一瞬間，彈性勢能迅速釋放，必然引起強烈的振動，如果設法使壓力機在失荷的瞬間遇到一種阻尼作用，使彈性勢能較緩慢的釋放，將會大大減小振動。實踐證明在壓力機上采用隔振器對減少振動的效果很好。

高速壓力機上常采用的隔振器有彈簧阻尼隔振器、橡膠隔振器、空氣彈簧隔振器、液壓緩沖器等。彈簧阻尼隔振器是目前工程中使用較為普遍的一種隔振元件，它由螺旋鋼彈簧及抗老化的阻尼液和金屬殼體、固定墊板、調平鋼板等部件構成。彈簧能為壓力機在工作狀態時提供給緩沖，降低系統固有頻率。阻尼液能在壓力機受到振動干擾和過共振區的情況下瞬間吸收振動能量。因此彈簧阻尼隔振器具有良好的減振和降噪性能。

3 結論

（1）高速壓力機的激振力主要為曲柄滑塊結構的慣性力和加工力，一般情況下前者大于后者，但激振頻率是前者小于后者。研究表明，當隔振系統的固有頻率和慣性激振力頻率之比小于1/時，對慣性激振力會有隔振效果，對加工力自然更有隔振效果。為獲得更好的隔振效果，可使隔振系統的固有頻率盡可能降低。

（2）高速壓力機的行程次數在200～1000次/分鐘之間，對于不同的行程次數，應考慮采用不同的隔振方法。

（3）高速壓力機隔振是一個比較復雜的問題，在隔振處理時，要根據實際情況，選用合理的隔振方法。

[1]何德譽.曲柄壓力機[M].北京：機械工業出版社，1981.

[2]董 康，陳康寧，李天石.機械控制理論基礎[M].西安：西安交通大學出版社，2005.

[3] 孫明江，王興松.閉式高速壓力機的隔振研究 [J].控制工程，2013，（4）．

[4] 張德峰.高速壓力機隔振設計與實驗研究[D].南京：東南大學，2009.

Vibration analysis and control of high-speed press

JIANG Baoming，ZHOU Xingyuan，ZHOU Yuxiang，YANG Yang，PEI Haihan
（Yangzhou Metal Forming Machine Tool Co.,Ltd.,Yangzhou 225128,Jiangsu China）

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 design and manufacture of the press.

High-speed press;Vibration;Vibration isolation

TG315.5

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.008

1672-0121（2017）02-0028-03

2016-10-27；

2017-01-06

江寶明（1987-）男，工程師，碩士，從事高速沖壓設備設計開發。

E-mail：beijing2008chenc@163.com