Designer在龙门机床部件优化中的应用分析

摘要 本文利用AVL公司的EXCITE―designer软件，建立传动系统扭转振动的模型，对比了安装减振器前后传动系统扭转振动特性的变化并分析其形成原理。计算结果表明：减振器能明显改善曲轴扭振特性，并且研究得出硅油减振器比橡胶减振器的性能好很多。

关键词 传动系统扭转振动；橡胶减振器；硅油减振器

中图分类号TG502 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）46-0089-02

0 引言

传动系统的扭转振动，会在工作运行中对龙门机床造成严重的危害并影响工作性能，因此龙门机床设计工作者对关于传动系统的扭转振动方面的问题必须认真解决。在扭转振动过大的情况下工作，可能导致传动系统的齿轮打齿、断轴，甚至对电机的性能指标产生不良影响。EXCITE-designer是AVL公司开发一款力学模拟软件，既可以用于动力、传动系统的初期开发，也可以对现在生产的机型的动力、传动系统进行改进设计或校核。它具有界面平易近人、模块功能强大、后处理功能灵活等特点，可以实现包括：传动系统扭转振动计算、传动系统部件强度计算、液体动力轴承计算等的计算任务，并且以据其计算结果对传动系统进行优化设计。本文针对以某龙门机床传动系统在分别安装皮带轮和扭转减振器条件下的工作作业情况展开讨论和研究，应用EXCITE-designer软件为传动系统建立扭转振动模型，并进行扭转振动计算，并阐述了扭转减振器能在改善传动系统的扭转振动特性方面的效果，最后将“橡胶减振器”与“硅油减振器”的减振效果进行了对比。

1 传动系统扭转振动分析

1.1 扭转振动系统模型的建立

机床的振动按其结构特点分类，主要可以分为两大类：1）即振动主要是由机床的大部件所组成的构件系统产生的振动；2）主要由机床的传动系统部件组成的传动系统振动。传动系统的振动一般危害性很大，会对机床的工作性能产生产重的不良影响，比如：因为车床传动丝杠出现颤振，从而产生加工出的螺纹和蜗杆的精密铲平的表面出现波纹，导致产品报废；铣床在进行在重切削作业时，升降进给系统产生扭转振动，发出齿轮相互敲击的声音，这是齿轮组发生了“打齿”现象，严重的可以导致工作台作出明显不均匀的运动轨迹；再比如，由于龙门机床的传动系统的扭转振动，在进行铣削加工作业时会加剧机床振动，从而无法进行重切削，还有滚齿机和弧齿、锥齿轮、切齿机等，在进行切、铣、削等加工作业时，因为传动系统的扭转振动而出现冲击，使生产的齿面在切出后秒面带有鳞片状波痕等等。

传动系统的扭转振动系统是一个复杂的、自由度没有限制的弹性体扭转振动系统。构成传动系统扭转振动系统的组件有复杂的几何形状，而且集成有完成如“定轴转动、往复运动和平面运动”等运动形式的很多构件。传动系统的这些因素使扭转振动计算的困难很大，所以需要在简化实际传动系统后再进行计算。而对于机床的传动系统的“固有频率” 特性和“动态频响”特性方面，过去曾提出并进行了相关计算方法探讨，但对于因为由机床传动系统的结构特点所引发的动力效应，和应采取哪种结构设计原则以使机床传动系统在传动平稳性得到提高等方面，还缺乏实际经验较系统的和理论试验研究。本文在对传动系统扭转振动的形成机理、传动系统的薄弱环节的识别、提高抗振性的方法等方面进行综合分析的基础上， 力图解决机床传动系统的扭转振动问题，希望能有助于提高传动系统的设计质量。

1.2 扭转振动系统计算结果分析

1.2.1 扭转振动系统的自由振动结果分析

经过对扭转振动系统在加装减振器前后所产生的固有频率进行的分析。由于对传动系统采用减振器，所以增加一个轴系扭转振动的自由度个数，使无减振器的最低固有频率分成两个新的频率。对计算结果进行分析，表明不带减振器传动系统模型经过EXCITE-designer软件的处理，简化为13个自由度扭转振动系统，相应的，安装了减振器的传动系统模型将被简化成14个自由度扭转振动系统。一节点主振型一般情况下决定轴系扭转振动特性的最重要振犁是一节点主振型。

1.2.2 扭转振动系统的强迫振动结果分析

由于在龙门机床的结构中，传动系统的节点单元较多，因此在本文的讨论中，以较接近传动系统前端而且振幅比较高的曲柄销为例，对传动系统进行强迫振动分析。通过在曲柄销在振动时，对不同谐次的扭转振动特性图进行分型，可看出“3.5阶、4阶、4.5阶、5.5阶、6阶、6.5阶、7.5阶和8阶”中存在较为明显的共振峰，由于8阶以上谐次振幅很小，因此可以忽略。当转速达到4 000r/min左右时，4阶开始出现了强烈的共振峰；当转速达到4 600r/min左右时，3.5阶也出现了强烈的共振峰，为了加以控制，需要安装减振器。在把减震器加装在机床的传动系统中以后，对振动进行分析。在对安装了减振器时与未带减振器时的主要谐次扭转振动特性进行对比后，可以从结果中总结出来：“不带减振器时各个主要谐次的振幅都较大程度地降低。3.5阶和4阶的降幅最大，其他阶次也不同程度的降低，共振峰也有向高转速去转移的趋势，逐渐脱离常用转速区”。这种分析结果说明减振器对曲轴扭转振动特性的改善效果明显。

2 减振器优化

扭转减振器一般采用两种减震器：橡胶减振器或者硅油减振器。橡胶扭转减振器的优点是结构简单、轻巧，但橡胶有物理和力学性能不稳定的特点。工作中的热量容易使橡胶层发热，并导致减振器失效。硅油减振器能较好地控制硅油粘度、惯量、硅油间隙和较好的制造一致性等特点，而且硅油有较大的粘度的选择范围和物理及化学特性稳定，性能受环境因素影响较小等优势，因此工作性能明显好于橡胶减振器。EXCITE-designer软件中能对这两种减振器分别提供模型，经过计算后，对参数进行合理选择后产生结果并输出曲柄销1扭转振动的振幅图：“软件选用了性能和减震效果更好的硅油减振器，在整个转速范围内效果很稳定，不出现新的明显的共振峰”。

3 结论

本文介绍应用EXCITE-designer动力学模拟软件，搭建龙门机床的传动系统扭转振动模型，并计算了安装扭转减振器后的传动系统扭转振动特性的变化。通过对最终计算结果的分析得出如下结论：“减振器可以有效抑制谐次共振峰，安装减振器后传动系统扭振振幅大幅降低。并进一步说明了在加工作业中硅油减振器和橡胶减振器的工作特性对比”。

参考文献

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