金屬材料加工機械的動力學特征及建模分析

王云德

（甘肅畜牧工程職業技術學院，甘肅 武威 733006）

在保證質量的前提條件下，為提升金屬材料加工機械的生產效率，對金屬材料加工機械提出了更高的要求。希望金屬材料加工機械在實際運行過程中，能夠在提升勞動效率的基礎上，真正做到高效低耗的生產效果[1]。為實現這一目的，機械生產領域的研究人員對金屬材料加工機械進行了綜合的深入研究，通過引入不同的現代化技術，對其運行模式改革。但目前并沒有任何研究是從金屬材料加工機械自身角度出發，研究出符合其自身運動的生產模式[2]。基于此，本文開展金屬材料加工機械的動力學特征及建模分析，從而為后續生產自動化模式提供理論依據。

1 金屬材料加工機械的動力學特征

1.1 翻轉等效力矩特征

金屬材料加工機械在生產線的作用下會產生復雜的振動效果。遇到沖擊載荷的頻率不斷增加時，金屬材料加工機械會產生巨大的振動幅度，嚴重影響生產過程的穩定性。因此需要對金屬材料加工機械進行動力學分析。金屬材料加工機械在實際生產過程中，其不斷反復運動的位置可稱之為翻轉機構，其產生的等效力矩特征實質上是相關運動參數不斷變化產生的結果[3]。

通過翻轉等效力矩特征，可以在一定范圍內，確定金屬材料加工機械的特定數據，并代表其實際的運行程度和模型模式。金屬材料加工機械主要是用于對各類金屬類零部件進行加工的設備，因此對其實際工作要求有著更強的限制性，需要以最小和最快的速度實現對胚料的加工。同時，還需要更加精細化的成型設計，再加之最快速度形成來回往復的工作任務，并將相關的物料送入到下一個循環工作當中，完成一系列工作任務[4]。此后，上模可繼續從側面將物料送入到代加工位置，從而完成一整個循環。

1.2 等效轉動慣量特征

金屬材料加工機械的等效轉動慣量特征實質上是對等效力矩的一種深化運轉。通常情況下，生產線上的金屬材料加工機械包含兩個基本執行結構，分別為沖壓結構和送料結構，通過兩個結構的相互作用，完成金屬材料加工機械的整個操作。

在實際運行過程中，機械還需要采取一種等效運動的方式，并同時具備急回的特性和良好的動力特性。

除此之外，金屬材料加工機械在實際的送料過程中屬于一種間歇式的送料方式，無法一次實現送料。在此過程中，間歇式的送料方式必然會導致金屬材料加工機械的等效轉動慣量出現偏差。因此，必須通過設計等效轉動慣量模型，對金屬材料加工機械的動力學特征數據加以建模分析，最大限度上減少分析誤差。考慮到金屬材料加工機械的動力學特征，在金屬材料加工機械的動力學特征分析中，針對質量和摩擦力對金屬材料加工機械的影響微乎其微，可以忽略不計，只要確保金屬材料加工機械的各構件質量均處于平均分布的狀態即可。以此，作為金屬材料加工機械的動力學等效轉動慣量特征的前提，通過建模分析的方式，進而掌握金屬材料加工機械的動力學特征。由此可見，在明確金屬材料加工機械的動力學特征的基礎上，為下文構建金屬材料加工機械的動力學模型提供基礎特征數據。

2 金屬材料加工機械的動力學模型構建

2.1 構建金屬材料加工機械動力學方程

根據上文對金屬材料加工機械的動力學特征分析，構建金屬材料加工機械動力學方程。假設金屬材料加工機械的廣義等效力矩為M，不同的等效力為m，根據上述分析有等效力矩得出其動力學方程為：

公式（1）中，m1、m2、m3分別表示為三個不同方向上金屬材料加工機械的等效力矩；F 表示為機械作用力；v 表示為作用點上的機械運動速度；＊符號表示為互易積。在上述金屬材料加工機械的動力學方程進一步簡化，得出標準形式的動力學方程式為：

2.2 明確各階段模態振型

根據上述得出的金屬材料加工機械動力學方程，構建各階段模態振動模型。由于利用有限元分析軟件對其進行分析能力強，但在建模過程中實際應用效果較差。

因此，在建模時，本文采用UG 三維建模軟件完成對金屬材料加工機械的模型并進一步對其各階段的振動模態進行分析。

為了確保分析結果的準確性，本文通過利用虛擬樣機提高物理樣機的形式，降低分析過程中的工作強度。假設金屬材料加工機械的制作材料是均勻且連續分布的[5]。在忽略掉機械設備在實際運行過程中產生的無關緊要的倒角，保留重要的圓角，并忽略機械整體的凹凸性。由于金屬材料加工機械的各個組成部分都是通過焊接的方式相互連接，因此在利用UG 三維建模軟件建立符合要求的虛擬模型，在建模分析的過程中主要針對機械中零位移的約束有效力進行分析，對其無關載荷可直接忽略。針對上述分析，在實際操作過程中可在有限元模型當中施加一個外界約束條件，將轉動自由度保留。

根據金屬材料加工機械的運行流程，將其劃分為6 個不同階段，表1 為在相同約束條件下金屬材料加工機械的六個階段模態振動頻率。

表1 金屬材料加工機械的六個階段模態振動頻率

在保證分析精度的基礎上，對金屬材料加工機械的六個階段模態振型以不同顏色深度體現，由此得出由于金屬材料加工機械自身重力較大，因此在前3 個階段，其模態振動均沒有超過300Hz，頻率相對較低。此時，有利于機械對產生的振動進行抑制。

從表1 中的數據得出，隨著其模態振動頻率的不斷增加，機械的模態振動逐漸復雜。同時對其實際運行進行觀察發現，在前3 個階段的模態振型均產生了較為明顯的平滑過渡現象，而沒有形成明顯的沖突變化。從第4 個階段開始，逐漸產生了輕微的扭轉和變形現象，此時說明金屬材料加工機械的抗扭轉能力相對更強。

3 結束語

本文通過對金屬材料加工機械的動力學特征及建模分析得出，金屬材料加工機械在實際運行和生產過程中會產生明顯的振動現象，對于其運行質量而言造成一定影響。因此，在開展提升其運行質量的研究時，應當將其動力學特征引入，進行綜合考量。

同時，由于本文在建模分析過程中以虛擬樣機的形式替代了原本的物理樣機，因此在其實際運行過程中并沒有受到實際作業環境當中產生的載荷影響。因此，為保證分析結果與實際更相符，在后續的研究中還將結合物理樣機開展更加詳細的分析研究。