齊齊哈爾二機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司 （黑龍江 161005） 余發(fā)國 楊明川

高速壓力機(jī)工作時(shí)，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的不平衡慣性力將在軸承中引起附加動(dòng)壓力，不但會(huì)增大軸承處的摩擦與桿件中的內(nèi)應(yīng)力，降低機(jī)械效率和使用壽命，且由于慣性力大小和方向的周期性變化，將引起高速壓力機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，如果振幅較大，或頻率接近于機(jī)械本身的共振頻率，將引起惡劣的后果。本文針對(duì)J75型高速壓力機(jī)進(jìn)行動(dòng)平衡分析與優(yōu)化，以期將高速壓力機(jī)高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的不平衡慣性力加以平衡，從而減少慣性力的不良影響，提高高速壓力機(jī)品質(zhì)。

1.模型建立

利用Inventor軟件建立J75型高速壓力機(jī)三維實(shí)體模型，將該實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為IGES格式的文件導(dǎo)入到ADAMS，在ADAMS中分別對(duì)主軸、連桿、配重塊、滑塊、活塞桿建立相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副，如圖1、圖2所示。

圖1 高速壓力機(jī)虛擬樣機(jī)模型

2.高速壓力機(jī)慣性力的確定

高速壓力機(jī)在工作過程中的慣性力主要包括以下幾個(gè)方面：主軸高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心慣性力、滑塊上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的往復(fù)慣性力，以及連桿平面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力。由于連桿運(yùn)動(dòng)的慣性計(jì)算較為復(fù)雜，傳統(tǒng)計(jì)算將其簡化，主要考慮前兩項(xiàng)，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際有所差別。

采用ADAMS軟件進(jìn)行仿真，可以考慮所有運(yùn)動(dòng)部件在高速運(yùn)動(dòng)下的受力情況，從而保證了計(jì)算精度。

圖2 單側(cè)平衡結(jié)構(gòu)示意

3.高速壓力機(jī)的動(dòng)平衡分析與優(yōu)化

高速壓力機(jī)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)作用在機(jī)座上的力較大，容易引起機(jī)床振動(dòng)，進(jìn)而限制高速壓力機(jī)轉(zhuǎn)速的提高。為進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速，需降低或者消除傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作用在機(jī)座上的力。對(duì)于動(dòng)平衡優(yōu)化有完全平衡法和近似平衡法兩種方法，完全平衡法要求的結(jié)構(gòu)空間較大，而近似平衡法的精度較低。以往設(shè)計(jì)一般采用單變量進(jìn)行逐次優(yōu)化，如配重塊的質(zhì)量等，其優(yōu)化效果相對(duì)有限。為進(jìn)一步提高優(yōu)化效果，在ADAMS中將平衡機(jī)構(gòu)的偏心距、連桿長度和配重塊質(zhì)量進(jìn)行參數(shù)化，如圖2所示。

在ADAMS中創(chuàng)建偏心距、連桿長度和配重塊質(zhì)量三個(gè)設(shè)計(jì)變量，其中偏心距的取值范圍根據(jù)其幾何形狀可定于0～32mm，在設(shè)計(jì)時(shí)選擇連桿長度為160mm，配置塊重345kg，參考以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際使用情況，設(shè)定連桿長度的取值范圍為160～600mm，配重塊重量的取值范圍為200～600kg。

根據(jù)技術(shù)協(xié)議高速壓力機(jī)的轉(zhuǎn)速為600r/min，給定偏心距為30mm，連桿長度為160mm，配重塊重量為345kg，對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行時(shí)間為0.2s，步長為500運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。主軸和滑塊上受到的作用力將反映到機(jī)架上，其合力為引起機(jī)架振動(dòng)的力，對(duì)高速壓力機(jī)進(jìn)行仿真分析，得到如圖3所示的合力圖。

圖3 優(yōu)化分析前機(jī)架所受合力

由圖3可看出，在工作過程中，作用在機(jī)架上的最大力為200kN，最小力為25kN。其最大值和最小值之間的差值較大，機(jī)架易在工作中發(fā)生振動(dòng)。根據(jù)高速壓力機(jī)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，減少運(yùn)動(dòng)部件作用在機(jī)架上的合力波動(dòng)可減少高速壓力機(jī)的振動(dòng)。由此可以將作用在機(jī)架上合力的方差最小作為主要的優(yōu)化目標(biāo)，使機(jī)架的受力趨于恒定，從而減小振動(dòng)。對(duì)高速壓力機(jī)進(jìn)行優(yōu)化分析得到數(shù)據(jù)，合力的方差從52559減少到2126.5，大幅減小作用在機(jī)架上合力的波動(dòng)。取優(yōu)化結(jié)果：連桿長度為600mm，偏心距為15.1mm，配置塊重量為600kg，改變模型參數(shù)進(jìn)行再次仿真分析，得機(jī)架所受合力如圖4所示。可以看出機(jī)架所受最大力為23kN，最小力為17kN，與初始結(jié)果相比，機(jī)構(gòu)的慣性力波動(dòng)得到了大幅減小。

圖4 優(yōu)化分析后機(jī)架所受合力

若單純采用改變配重塊質(zhì)量的方法效果并不理想，當(dāng)偏心距和連桿長度不變時(shí)，在原結(jié)構(gòu)上將配重塊質(zhì)量分別設(shè)為600kg、345kg及200kg時(shí)分析結(jié)果如圖5所示。分析結(jié)果表明當(dāng)偏心距和連桿長度不變時(shí)僅改變配重塊質(zhì)量，機(jī)架受到合力的波動(dòng)遠(yuǎn)大于優(yōu)化后的結(jié)果。

圖5 配重塊重分別為600kg、345kg及200kg時(shí)合力示意

4.結(jié)語

對(duì)現(xiàn)有J75型高速壓力機(jī)，僅改變其配重塊質(zhì)量，經(jīng)分析得到運(yùn)動(dòng)部件作用在機(jī)架上的合力波動(dòng)仍較大，因此其速度提升受到一定限制，而將其偏心距、連桿長度及配重塊質(zhì)量三個(gè)參數(shù)同時(shí)作為優(yōu)化變量，以運(yùn)動(dòng)部件作用在機(jī)架上的合力波動(dòng)最小作為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化后得出運(yùn)動(dòng)部件作用在機(jī)架上的力明顯減小，具有一定意義。