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三 面 切 書 機 振 動 分 析 的 階 次 跟 蹤 方 法 文 章 編 號 一 一 一 三 面 切 書 機 振 動 分 析 的 階 次 跟 蹤 方 法 易 立 新 , 王 民 北 京 工 業(yè) 大 學(xué) 先 進 制 造 技 術(shù) 實 驗 室 , 北 京 摘 要 旋 轉(zhuǎn) 機 械 的 固 有 特 性 導(dǎo) 致 其 在 運 行 過 程 中 會 產(chǎn) 生 振 動 , 當 振 動 過 于 強 烈 時 , 會 導(dǎo) 致 機 器 工 作 異 常 , 甚 至 產(chǎn) 生 生 產(chǎn) 事 故 。 如 何 有 效 地 控 制 振 動 , 成 為 工 程 技 術(shù) 人 員 的 一 個 重 要 研 究 課 題 。 采 用 階 次 分 析 方 法 對 三 面 切 書 機 振 動 進 行 測 試 分 析 , 確 定 振 動 產(chǎn) 生 的 原 因 。 為 進 一 步 的 控 制 和 降 低 三 面 切 書 機 的 振 動 提 供 參 考 和 依 據(jù) 。 關(guān) 鍵 詞 振 動 與 波 三 面 切 書 機 階 次 跟 蹤 振 動 測 試 中 圈 分 類 號 珊 文 獻 標 識 碼 · 一 環(huán) 姓 刀 召 材 藝 盯 盯 , , 而 , 沈 一 一 一 一 對 于 印 后 加 工 的 裝 訂 生 產(chǎn) 線 , 當 其 中 的 三 面 切 書 機 的 轉(zhuǎn) 速 達 到 一 定 值 的 時 候 , 其 振 動 急 劇 增 大 , 導(dǎo) 致 工 作 異 常 , 致 使 整 條 生 產(chǎn) 線 的 生 產(chǎn) 效 率 無 法 提 高 。 為 了 提 高 生 產(chǎn) 線 的 工 作 效 率 , 必 須 分 析 三 面 切 書 機 振 動 異 常 產(chǎn) 生 的 原 因 , 為 降 低 三 面 切 書 機 的 振 動 及 結(jié) 構(gòu) 改 進 提 供 參 考 和 依 據(jù) 。 階 次 跟 蹤 方 法 旋 轉(zhuǎn) 機 械 的 振 動 與 機 械 的 轉(zhuǎn) 速 有 著 密 切 的 關(guān) 系 , 如 機 械 轉(zhuǎn) 軸 的 質(zhì) 量 不 平 衡 、 軸 線 不 對 中 、 齒 輪 制 造 精 度 較 低 等 都 會 引 起 機 械 系 統(tǒng) 振 動 。 一 個 單 軸 或 多 軸 組 成 的 旋 轉(zhuǎn) 機 械 , 其 激 勵 主 要 是 周 期 性 激 勵 , 根 據(jù) 傅 立 葉 變 換 , 周 期 性 信 號 是 由 基 波 信 號 和 一 系 列 頻 率 為 基 波 整 數(shù) 倍 的 諧 波 信 號 組 成 。 旋 轉(zhuǎn) 機 械 的 激 勵 信 號 也 是 由 基 波 和 諧 波 信 號 組 成 。 機 械 系 統(tǒng) 會 對 激 勵 產(chǎn) 生 同 頻 率 的 響 應(yīng) 。 當 機 械 系 統(tǒng) 的 轉(zhuǎn) 速 改 變 時 , 激 勵 的 頻 率 和 幅 值 會 隨 著 機 械 轉(zhuǎn) 速 的 改 變 產(chǎn) 生 變 化 , 機 械 系 統(tǒng) 的 響 應(yīng) 也 會 產(chǎn) 生 相 應(yīng) 的 變 化 , 當 激 勵 頻 率 與 機 械 結(jié) 構(gòu) 的 固 有 頻 率 接 近 或 相 等 時 , 機 械 系 統(tǒng) 的 振 動 會 急 劇 增 加 , 導(dǎo) 致 機 械 工 作 異 常 。 階 次 分 析 方 法 是 識 別 旋 轉(zhuǎn) 機 械 振 動 與 旋 轉(zhuǎn) 速 度 關(guān) 系 的 重 要 方 法 之 一 。 當 旋 轉(zhuǎn) 機 械 升 降 速 時 , 激 勵 收 稿 日 期 刀 一 作 者 簡 介 易 立 新 一 , 男 , 湖 北 人 , 碩 士 研 究 生 。 力 頻 率 以 及 振 動 信 號 的 頻 率 隨 轉(zhuǎn) 速 改 變 而 變 化 。 在 這 種 情 況 下 , 不 滿 足 傅 立 葉 變 換 對 信 號 的 平 穩(wěn) 性 要 求 。 因 此 不 能 用 常 規(guī) 的 頻 譜 分 析 法 進 行 分 析 。 為 了 解 決 這 一 問 題 , 在 階 次 分 析 中 , 對 振 動 信 號 不 再 是 等 時 間 采 樣 , 而 是 采 用 等 角 度 采 樣 , 即 轉(zhuǎn) 軸 每 轉(zhuǎn) 過 一 定 的 角 度 對 振 動 信 號 采 樣 一 次 。 采 樣 頻 率 隨 轉(zhuǎn) 速 變 化 而 變 化 , 轉(zhuǎn) 速 越 高 , 采 樣 頻 率 越 高 , 轉(zhuǎn) 速 越 慢 , 采 樣 頻 率 越 低 。 在 角 域 內(nèi) , 振 動 信 號 變 成 了 平 穩(wěn) 信 號 。 在 角 域 內(nèi) 對 振 動 信 號 進 行 譜 分 析 得 到 的 譜 圖 稱 為 階 次 譜 。 譜 圖 中 橫 坐 標 反 應(yīng) 旋 轉(zhuǎn) 機 械 振 動 頻 率 與 轉(zhuǎn) 速 的 比 值 , 即 階 次 , 縱 坐 標 反 應(yīng) 振 動 信 號 的 幅 值 。 階 次 分 析 的 主 要 方 法 有 階 次 譜 圖 、 三 維 譜 陣 圖 和 階 次 譜 陣 圖 三 種 形 式 。 階 次 譜 圖 是 二 維 譜 圖 , 它 顯 示 的 是 某 一 轉(zhuǎn) 速 下 振 動 幅 值 隨 轉(zhuǎn) 速 階 次 的 分 布 。 即 橫 坐 標 是 轉(zhuǎn) 速 的 階 次 , 縱 坐 標 是 振 動 的 幅 值 。 三 維 譜 陣 圖 又 稱 瀑 布 圖 是 旋 轉(zhuǎn) 機 械 升 、 降 速 時 振 動 信 號 分 析 的 一 種 常 用 方 法 , 以 轉(zhuǎn) 速 、 頻 率 和 幅 值 構(gòu) 成 三 維 坐 標 , 三 維 譜 陣 圖 顯 示 了 振 動 信 號 頻 譜 隨 轉(zhuǎn) 速 的 變 化 。 由 固 有 頻 率 引 起 的 振 動 頻 率 不 隨 轉(zhuǎn) 速 的 變 化 而 變 化 , 由 轉(zhuǎn) 軸 旋 轉(zhuǎn) 產(chǎn) 生 的 振 動 頻 率 隨 轉(zhuǎn) 速 變 化 而 變 化 , 三 維 譜 陣 圖 可 識 別 機 械 的 固 有 頻 率 。 階 次 譜 陣 圖 分 別 是 以 轉(zhuǎn) 速 、 階 次 、 階 次 幅 值 譜 為 坐 標 , 按 等 速 間 隔 排 列 的 一 組 階 次 譜 圖 。 它 比 三 維 譜 陣 圖 更 能 精 確 地 識 別 旋 轉(zhuǎn) 機 械 與 轉(zhuǎn) 速 有 關(guān) 的 振 動 特 性 。 年 月 噪 聲 與 振 動 控 制 第 期 實 驗 裝 置 及 測 點 和 參 考 轉(zhuǎn) 速 的 選 取 實 驗 儀 器 的 選 擇 本 次 實 驗 采 用 的 儀 器 設(shè) 備 是 丹 麥 公 司 的 巧 多 分 析 系 統(tǒng) 軟 件 , 配 有 刃 分 析 軟 件 , 階 次 分 析 軟 件 , 加 速 度 傳 感 器 、 紅 外 線 測 速 計 。 實 驗 目 的 本 次 實 驗 的 目 的 是 確 定 三 面 切 書 機 高 速 運 轉(zhuǎn) 時 振 動 異 常 產(chǎn) 生 的 原 因 , 為 降 低 振 動 提 供 參 考 依 據(jù) 。 機 不 能 長 時 間 正 常 工 作 。 書書書書書書書書助助 、、 、、 尹尹 尸 戶戶 比比 亡 圖 三 面 切 書 機 機 構(gòu) 示 意 圖 圖 三 面 切 書 機 的 傳 動 圖 測 點 安 排 , 如 圖 所 示 , 三 面 切 書 機 運 動 主 要 由 兩 部 分 組 成 , 一 是 供 紙 輪 將 紙 傳 送 到 切 紙 的 位 置 , 當 切 紙 完 成 后 , 供 紙 輪 又 將 紙 送 離 切 紙 的 位 置 。 二 是 偏 心 凸 輪 驅(qū) 動 刀 架 上 下 運 動 , 切 刀 隨 刀 架 上 下 運 動 完 成 切 紙 過 程 。 當 供 紙 導(dǎo) 軌 振 動 過 大 時 , 導(dǎo) 致 紙 張 定 位 不 準 , 切 紙 精 度 降 低 。 刀 架 質(zhì) 量 較 大 , 其 重 力 作 用 在 凸 輪 上 , 是 導(dǎo) 致 三 面 切 書 機 振 動 最 主 要 的 激 勵 源 。 因 此 測 點 選 擇 在 供 紙 導(dǎo) 軌 和 刀 架 導(dǎo) 軌 上 。 由 于 切 書 機 的 機 架 是 箱 體 結(jié) 構(gòu) , 并 且 結(jié) 構(gòu) 比 較 大 , 是 整 個 機 器 的 薄 弱 環(huán) 節(jié) , 在 機 架 上 也 選 擇 幾 個 測 點 。 參 考 轉(zhuǎn) 速 的 選 擇 。 圖 是 三 面 切 書 機 驅(qū) 動 凸 輪 運 動 的 傳 動 系 統(tǒng) , 為 了 測 量 的 方 便 , 選 擇 齒 輪 的 傳 動 軸 轉(zhuǎn) 速 作 為 參 考 轉(zhuǎn) 速 。 齒 輪 與 齒 輪 的 轉(zhuǎn) 速 比 。 齒 輪 與 凸 輪 同 軸 , 參 考 轉(zhuǎn) 速 與 凸 輪 轉(zhuǎn) 速 比 也 是 。 實 驗 結(jié) 果 及 分 析 三 面 切 書 機 在 空 載 下 加 速 , 一 直 加 速 到 空 載 允 許 的 最 高 轉(zhuǎn) 速 , 即 本 小 時 。 當 切 書 機 工 作 速 度 接 近 本 小 時 , 振 動 開 始 急 劇 增 加 。 當 轉(zhuǎn) 速 達 到 本 小 時 , 切 書 機 振 動 變 得 十 分 劇 烈 , 切 書 圖 三 面 切 書 機 前 階 階 次 譜 陣 云 圖 由 于 所 有 測 點 振 動 信 號 的 譜 圖 比 較 類 似 , 選 擇 機 架 導(dǎo) 軌 振 動 信 號 做 分 析 。 圖 、 圖 分 別 是 三 面 切 書 機 機 架 導(dǎo) 軌 振 動 信 號 的 三 維 譜 陣 云 圖 、 階 次 譜 陣 云 圖 。 從 圖 可 以 看 出 , 在 處 , 當 轉(zhuǎn) 速 超 過 , 三 面 切 書 機 振 動 十 分 強 烈 。 當 轉(zhuǎn) 速 超 過 , 在 處 , 三 面 切 書 機 同 樣 振 動 十 分 劇 烈 。 而 且 振 動 頻 率 沒 有 隨 轉(zhuǎn) 速 增 加 而 增 加 。 因 此 三 面 切 書 機 在 和 附 近 存 在 固 有 頻 率 。 從 圖 可 以 看 出 , 在 轉(zhuǎn) 速 階 處 , 當 參 考 轉(zhuǎn) 速 接 近 , 即 本 每 小 時 , 振 動 開 始 劇 烈 增 加 。 當 轉(zhuǎn) 速 達 到 左 右 時 , 振 動 達 到 最 大 值 。 隨 后 , 振 動 隨 轉(zhuǎn) 速 增 加 開 始 逐 漸 減 小 。 當 轉(zhuǎn) 速 超 過 時 , 在 轉(zhuǎn) 速 階 處 振 動 非 常 小 , 但 在 轉(zhuǎn) 速 階 次 , 振 動 開 始 加 劇 , 當 轉(zhuǎn) 速 達 到 時 , 振 動 幅 值 達 到 最 大 值 。 然 后 振 動 逐 漸 減 弱 。 旋 轉(zhuǎn) 機 械 升 降 速 的 過 程 中 , 當 轉(zhuǎn) 軸 旋 轉(zhuǎn) 產(chǎn) 生 的 激 勵 力 基 波 及 其 諧 波 頻 率 接 近 或 等 于 機 械 結(jié) 構(gòu) 的 固 有 頻 率 時 , 在 基 頻 或 諧 波 頻 率 處 激 起 的 振 動 較 劇 烈 , 當 激 勵 力 基 頻 或 諧 波 頻 率 離 固 有 頻 率 較 遠 時 , 激 起 的 振 動 越 小 。 當 參 考 轉(zhuǎn) 速 達 到 時 , 參 考 轉(zhuǎn) 速 的 階 頻 率 和 凸 輪 轉(zhuǎn) 速 的 第 八 階 頻 率 與 固 有 頻 率 最 接 近 , 在 轉(zhuǎn) 速 的 階 處 , 三 面 切 書 機 的 振 動 較 大 。 從 圖 可 以 看 出 , 三 面 切 書 機 的 固 有 頻 率 是 。 在 階 次 處 , 當 轉(zhuǎn) 速 為 時 , 凸 輪 軸 激 勵 力 的 次 諧 波 頻 率 也 與 固 有 頻 率 接 近 , 振 動 也 較 大 。 同 樣 的 道 理 , 在 參 考 轉(zhuǎn) 三 面 切 書 機 振 動 分 析 的 階 次 跟 蹤 方 法 速 的 階 處 , 當 參 考 轉(zhuǎn) 速 達 到 時 , 凸 輪 轉(zhuǎn) 速 的 次 諧 波 頻 率 與 三 面 切 書 機 的 固 有 頻 率 接 近 。 此 時 三 面 切 書 機 固 有 頻 率 是 。 同志加湘 、二 待 七 一 口 … … 目 , , , “ , 二 七… 二 翻 七 ﹄瀚 ﹄瀚。 二 目 一 側(cè)尸一認日以一巾川川呷一 圖 切 書 機 階 次 譜 圖 參 考 轉(zhuǎn) 速 司回 ﹄加 婦 ﹄九 二 甲 … “ 二 ‘ 比 白 二 湘 “ 心 ,‘ 一 , 二 腸 ‘ 腸 ” 么 … 熱﹄﹄ 卜 儼 八 獷 牙 幼 聲 。 , 諸 、 ‘ 一 ‘ 圖 切 書 機 階 次 譜 圖 參 考 轉(zhuǎn) 速 管 激 勵 力 較 大 , 在 參 考 轉(zhuǎn) 速 的 階 次 處 和 階 次 處 , 振 動 仍 小 于 時 階 次 處 的 振 動 。 從 上 面 的 分 析 可 知 , 導(dǎo) 致 切 書 機 振 動 異 常 最 主 要 的 原 因 是 參 考 轉(zhuǎn) 速 轉(zhuǎn) 軸 產(chǎn) 生 激 勵 力 的 基 次 頻 率 及 凸 輪 軸 產(chǎn) 生 激 勵 力 的 八 次 諧 波 頻 率 與 三 面 切 書 機 的 固 有 頻 率 接 近 或 重 合 。 要 提 高 三 面 切 書 機 的 工 作 轉(zhuǎn) 速 , 一 種 方 法 是 改 進 三 面 切 書 機 的 結(jié) 構(gòu) , 盡 可 能 提 高 三 面 切 書 機 的 固 有 頻 率 。 三 面 切 書 機 采 用 的 是 偏 心 凸 輪 結(jié) 構(gòu) 驅(qū) 動 刀 架 上 下 往 復(fù) 運 動 。 刀 架 的 重 量 作 用 在 偏 心 凸 輪 , 刀 架 越 重 , 激 勵 力 越 大 同 樣 轉(zhuǎn) 速 條 件 下 , 結(jié) 構(gòu) 振 動 的 響 應(yīng) 也 越 大 。 因 此 , 減 輕 刀 架 質(zhì) 量 也 能 夠 降 低 三 面 切 書 機 的 振 動 , 提 高 工 作 轉(zhuǎn) 速 。 可 以 通 過 采 用 輕 質(zhì) 的 鑄 鋁 件 代 替 鑄 鐵 件 做 為 刀 架 的 材 料 。 結(jié) 語 三 面 切 書 機 的 振 動 異 常 主 要 原 因 是 參 考 轉(zhuǎn) 速 轉(zhuǎn) 軸 產(chǎn) 生 激 勵 力 的 基 次 頻 率 及 凸 輪 軸 產(chǎn) 生 激 勵 力 的 八 次 諧 波 頻 率 與 三 面 切 書 機 的 固 有 頻 率 重 合 , 導(dǎo) 致 三 面 切 書 機 產(chǎn) 生 劇 烈 的 振 動 。 要 提 高 三 面 切 書 機 的 工 作 轉(zhuǎn) 速 , 必 須 盡 可 能 的 提 高 三 面 切 書 機 的 固 有 頻 率 , 讓 三 面 切 書 機 的 固 有 頻 率 避 開 階 轉(zhuǎn) 速 的 頻 率 。 刀 架 的 重 量 是 三 面 切 書 機 最 主 要 的 激 勵 力 。 減 小 激 勵 力 , 有 助 于 降 低 三 面 切 書 機 的 振 動 , 應(yīng) 盡 量 減 輕 三 面 切 書 機 刀 架 的 重 量 。 參 考 文 獻 〕 ,, 幾」,‘飛︶廠一一匕︸ 取 出 轉(zhuǎn) 速 分 別 為 的 階 次 圖 圖 和 的 階 次 圖 圖 , 當 轉(zhuǎn) 速 為 時 , 在 轉(zhuǎn) 速 階 處 , 測 點 振 動 速 度 達 到 而 , 當 轉(zhuǎn) 速 為 時 , 轉(zhuǎn) 速 階 處 振 動 很 小 , 而 階 處 和 階 處 振 動 速 度 分 別 為 而 和 。 但 都 比 轉(zhuǎn) 速 為 時 轉(zhuǎn) 速 階 處 振 動 小 。 當 轉(zhuǎn) 速 為 時 , 參 考 轉(zhuǎn) 速 軸 產(chǎn) 生 的 激 勵 力 的 基 波 和 凸 輪 軸 產(chǎn) 生 激 勵 力 的 八 次 諧 波 都 與 固 有 頻 率 接 近 , 當 轉(zhuǎn) 速 為 犯 時 , 只 有 凸 輪 軸 產(chǎn) 生 激 勵 力 的 諧 波 頻 率 與 固 有 頻 率 ’ 接 近 , 參 考 轉(zhuǎn) 速 的 基 波 頻 率 與 固 有 頻 率 相 隔 較 遠 , 盡 」 巧 , , , , , 一 , , 服 , 即 , 仁 郭 瑜 , 秦 樹 人 旋 轉(zhuǎn) 機 械 非 穩(wěn) 定 信 號 的 偽 轉(zhuǎn) 速 跟 蹤 階 比 分 析 振 動 與 沖 擊 , , 上 接 第 頁 差 分 格 式 計 算 值 吻 合 得 很 好 。 本 文 的 研 究 對 于 聲 傳 輸 元 件 的 設(shè) 計 具 有 一 定 的 參 考 價 值 , 同 時 對 于 豐 富 和 發(fā) 展 聲 學(xué) 理 論 也 具 有 一 定 的 學(xué) 術(shù) 價 值 。 參 考 文 獻 「 馬 大 酞 , 沈 壕 聲 學(xué) 手 冊 〕 北 京 科 學(xué) 出 版 社 , 兀 嶺 〔 〕 仁 〕 , , 助 , 廠 〕 , , 一 仁 仁 , , 一 李 太 寶 計 算 聲 學(xué) 【 二 北 京 科 學(xué) 出 版 社 , 昭 , “ 〕 一 , ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 現(xiàn) 代 制 造 工 程 2006年 第 8期 設(shè) 備 設(shè) 計 /診 斷 維 修 /再 制 造 切 書 機 基 礎(chǔ) 件 的 有 限 元 分 析 3 易 立 新 ,王 民 ,李 俊 勤 ,李 小 富 ,費 仁 元 (北 京 工 業(yè) 大 學(xué) 北 京 市 先 進 制 造 技 術(shù) 重 點 實 驗 室 ,北 京 100022) 摘 要 國 產(chǎn) 切 書 機 在 設(shè) 計 過 程 中 ,很 少 考 慮 切 書 機 基 礎(chǔ) 件 的 動 態(tài) 性 能 。 當 國 產(chǎn) 切 書 機 在 高 速 運 轉(zhuǎn) 時 ,振 動 急 劇 加 大 ,嚴 重 影 響 加 工 質(zhì) 量 和 工 作 效 率 。 利 用 ANSYS有 限 元 分 析 軟 件 ,對 切 書 機 基 礎(chǔ) 件 進 行 模 態(tài) 分 析 ,根 據(jù) 基 礎(chǔ) 件 的 振 型 ,對 基 礎(chǔ) 件 結(jié) 構(gòu) 進 行 改 進 ,并 對 改 進 前 后 的 結(jié) 構(gòu) 進 行 諧 響 應(yīng) 分 析 ,證 明 改 進 效 果 比 較 明 顯 。 關(guān) 鍵 詞 :切 書 機 基 礎(chǔ) 件 ANSYS 模 態(tài) 分 析 諧 響 應(yīng) 分 析 中 圖 分 類 號 : O242; TH16 文 獻 標 識 碼 : A 文 章 編 號 : 1671— 3133 (2006) 08— 0092— 03 F in ite elem en t ana lysis of ba sic structure of cutting2book mach ine Yi L ixin,W ang M in, L i Junqin, L i Xiaofu, Fei Renyuan (Beijing University of Technology, Beijing 100022, CHN) Abstract During the p rocess of designing, dynam ic feature of basic structure of cutting2book machine designed in China is less taken consider. W hen itworks in high2speed, its vibration grows greatly, which results in p roducts of bad quality. Based on ANSYS software, the model analysis of cutting2book machine is done. The natural frequencies and the modes of basic structure of cutting2 book machine are analyzed. According to figure of structure in vibration, its structure is mended. And harmonic response analysis of structure of both original basic structure and basic structure mended is respectively done and the result is satisfactory. Key words:Cutting2book machine Basic structure ANSYS Model analysis Harmonic response analysis 國 產(chǎn) 切 書 機 在 低 速 運 轉(zhuǎn) 時 穩(wěn) 定 性 好 ,切 書 質(zhì) 量 良 好 ,但 若 要 提 高 主 機 運 轉(zhuǎn) 速 度 ,機 器 將 因 高 速 而 引 起 系 統(tǒng) 振 動 ,直 接 影 響 切 書 質(zhì) 量 。 因 此 ,提 高 機 械 的 抗 振 特 性 ,將 是 提 高 生 產(chǎn) 效 率 和 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 的 一 項 重 要 的 研 究 課 題 。 本 文 應(yīng) 用 ANSYS對 切 書 機 進 行 模 態(tài) 分 析 ,計 算 出 其 固 有 頻 率 和 振 型 ,找 出 基 礎(chǔ) 件 原 始 設(shè) 計 方 案 中 的 薄 弱 環(huán) 節(jié) ,提 出 相 應(yīng) 的 結(jié) 構(gòu) 改 進 建 議 和 局 部 強 化 措 施 , 并 對 改 進 前 后 的 結(jié) 構(gòu) 進 行 諧 響 應(yīng) 分 析 。 1 模 態(tài) 分 析 的 動 力 學(xué) 理 論 模 態(tài) 分 析 的 基 本 思 想 是 把 一 個 復(fù) 雜 的 結(jié) 構(gòu) 按 其 結(jié) 構(gòu) 的 特 點 分 成 若 干 個 子 結(jié) 構(gòu) ,然 后 用 離 散 法 和 有 限 元 法 對 子 結(jié) 構(gòu) 作 各 種 力 學(xué) 分 析 。 對 一 個 具 有 連 續(xù) 質(zhì) 量 的 結(jié) 構(gòu) 用 有 限 元 法 進 行 模 態(tài) 分 析 時 ,先 將 該 結(jié) 構(gòu) 離 散 為 有 限 個 單 元 組 成 的 模 型 ,求 出 單 元 剛 度 矩 陣 [ K ] 和 單 元 質(zhì) 量 矩 陣 ,按 照 節(jié) 點 自 由 度 序 號 對 號 ,對 各 單 元 的 剛 度 矩 陣 和 質(zhì) 量 矩 陣 進 行 組 集 ,得 到 總 剛 度 矩 陣 和 總 質(zhì) 量 矩 陣 [M ],對 于 線 性 動 力 系 統(tǒng) 的 小 阻 尼 結(jié) 構(gòu) ,可 以 采 用 復(fù) 合 阻 尼 [C ],得 出 結(jié) 構(gòu) 的 振 動 微 分 方 程 (動 力 方 程 ) : [M ] { q · · } + [C ]{ q} + [ K ]{ q} = { F ( t) } 式 中 : { q · · }為 加 速 度 向 量 ; { q}為 速 度 向 量 ; { q}為 節(jié) 點 位 移 向 量 ; { F ( t) }為 整 體 載 荷 向 量 。 因 為 要 對 結(jié) 構(gòu) 進 行 模 態(tài) 分 析 ,要 求 解 的 是 固 有 頻 率 和 振 型 參 數(shù) 固 有 模 態(tài) 與 外 載 荷 無 關(guān) ,結(jié) 構(gòu) 阻 尼 對 固 有 頻 率 的 影 響 很 小 ,在 求 結(jié) 構(gòu) 固 有 頻 率 和 振 型 時 ,可 以 不 考 慮 阻 尼 ,上 式 則 簡 化 為 無 阻 尼 自 由 振 動 方 程 : ( -ω 2i [M ] + [ K ]) { q} = 0 式 中 :ω i 為 自 由 振 動 固 有 頻 率 ;展 開 此 行 列 式 ,得 到 一 個 關(guān) 于 ω 2i 的 n次 多 項 式 ,多 項 式 的 根 (特 征 值 )即 為 模 型 的 固 有 頻 率 ,將 特 征 值 代 入 公 式 ,就 可 求 出 特 征 向 量 ,從 而 獲 得 給 定 頻 率 下 的 振 型 。 固 有 頻 率 和 振 型 是 承 受 動 態(tài) 載 荷 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 中 的 重 要 參 數(shù) 。 29 3 北 京 市 先 進 制 造 技 術(shù) 重 點 實 驗 室 開 放 項 目 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 設(shè) 備 設(shè) 計 /診 斷 維 修 /再 制 造 現(xiàn) 代 制 造 工 程 2006年 第 8期 2 切 書 機 基 礎(chǔ) 件 的 模 態(tài) 分 析 211 三 面 切 書 機 基 礎(chǔ) 件 的 建 模 在 用 ANSYS做 動 力 學(xué) 有 限 元 分 析 時 ,由 于 要 求 的 是 整 個 結(jié) 構(gòu) 的 各 階 固 有 頻 率 和 振 型 。 這 是 從 整 體 的 角 度 來 研 究 問 題 ,而 結(jié) 構(gòu) 上 的 一 些 細 節(jié) 問 題 是 可 以 適 當 忽 略 的 。 并 且 ,由 于 切 書 機 結(jié) 構(gòu) 比 較 復(fù) 雜 ,除 了 忽 略 一 些 結(jié) 構(gòu) 上 的 細 節(jié) 外 ,在 建 模 時 ,把 模 型 分 為 五 個 部 分 分 別 繪 制 ,包 括 左 、 右 、 前 、 后 、 底 部 ,最 后 再 組 合 起 來 。 212 邊 界 條 件 基 礎(chǔ) 件 底 部 的 四 個 角 用 高 強 度 螺 栓 固 定 在 底 座 上 ,故 基 礎(chǔ) 件 底 部 的 四 個 角 看 成 全 方 位 約 束 (包 括 X、 圖 1 基 礎(chǔ) 件 第 一 階 振 型 圖 2 基 礎(chǔ) 件 第 四 階 振 型 圖 3 基 礎(chǔ) 件 第 六 階 振 型 圖 4 基 礎(chǔ) 件 第 八 階 振 型 Y、 Z 及 三 個 旋 轉(zhuǎn) 方 向 )。 213 模 態(tài) 分 析 的 計 算 結(jié) 果 通 過 ANSYS的 模 態(tài) 分 析 ,基 礎(chǔ) 件 的 固 有 頻 率 如 表 1 所 示 , 部 分 振 型 如 圖 1至 圖 4所 示 。 刀 架 的 支 撐 桿 是 由 偏 心 凸 輪 驅(qū) 動 的 , 支 撐 桿 沿 著 固 定 的 基 礎(chǔ) 件 上 的 支 撐 架 的 滑 動 軌 道 做 沿 Y軸 往 復(fù) 運 動 。 由 于 傳 動 部 分 和 支 撐 架 都 安 裝 在 基 礎(chǔ) 件 上 ,當 切 書 機 高 速 運 轉(zhuǎn) ,偏 心 凸 輪 引 起 的 激 勵 力 的 頻 率 及 其 諧 波 頻 率 與 基 礎(chǔ) 件 某 階 固 有 頻 率 接 近 或 相 等 時 ,基 礎(chǔ) 件 產(chǎn) 生 劇 烈 振 動 ,從 而 帶 動 整 個 機 器 振 動 。 要 提 高 加 工 質(zhì) 量 、 增 加 效 率 ,必 須 提 高 基 礎(chǔ) 件 的 抗 振 性 能 。 當 基 礎(chǔ) 件 以 第 一 階 固 有 頻 率 振 動 時 , 基 礎(chǔ) 件 帶 動 支 撐 桿 和 刀 架 沿 X 軸 左 右 擺 動 ,這 將 會 導(dǎo) 致 刀 架 定 位 不 準 確 。 同 時 也 會 加 劇 支 撐 桿 與 支 撐 架 滑 動 軌 道 的 摩 擦 ,增 加 振 動 和 噪 聲 。 中 間 梁 上 安 裝 紙 的 傳 輸 機 構(gòu) ,紙 傳 輸 機 構(gòu) 的 振 動 太 大 ,導(dǎo) 致 紙 張 卡 位 不 準 確 ,因 此 減 小 中 間 梁 的 振 動 對 提 高 加 工 質(zhì) 量 也 具 有 重 要 意 義 ,同 時 提 高 中 間 梁 的 剛 度 對 基 礎(chǔ) 件 整 體 剛 度 有 重 要 意 義 。 為 了 減 少 基 礎(chǔ) 件 沿 X 軸 方 向 的 振 動 和 機 架 整 體 的 扭 動 ,對 基 礎(chǔ) 件 進 行 了 兩 處 修 改 。 第 一 ,在 機 器 左 側(cè) 內(nèi) 部 距 離 前 端 200mm處 ,加 一 個 豎 直 向 上 、 長 度 為 500mm的 加 強 筋 。 在 機 器 右 側(cè) 內(nèi) 板 內(nèi) 側(cè) 相 對 于 左 側(cè) 的 位 置 ,增 加 一 加 強 筋 。 第 二 ,在 機 器 左 右 兩 側(cè) 后 部 中 間 梁 加 一 個 寬 為 38mm,高 為 30mm ,長 度 為 68mm 的 矩 形 筋 。 第 三 ,為 了 提 高 中 間 梁 的 抗 振 性 能 ,在 機 器 前 部 中 間 梁 下 部 左 、 右 兩 端 ,各 加 一 個 沿 著 Z 軸 方 向 、 邊 長 為 30mm的 等 腰 三 角 形 。 表 1 基 礎(chǔ) 件 固 有 頻 率 及 振 型 描 述 階 次 固 有 頻 率 振 型 描 述 1 9419 一 階 振 型 為 機 器 沿 X方 向 左 右 擺 動 2 17816 二 階 振 型 為 后 梁 沿 Z方 向 前 后 擺 動 3 20619 三 階 振 型 為 機 器 前 后 梁 繞 Y軸 中 間 處 扭 轉(zhuǎn) 4 22313 四 階 振 型 為 機 器 中 間 梁 前 部 繞 中 間 梁 底 部 X 方向 扭 轉(zhuǎn) 5 28516 五 階 振 型 為 前 后 梁 沿 X方 向 左 右 擺 動 6 29912 六 階 振 型 為 中 間 梁 后 部 繞 中 間 梁 底 部 X軸 扭 轉(zhuǎn) 7 34212 七 階 振 型 為 中 間 梁 后 部 繞 X方 向 扭 轉(zhuǎn) 8 35716 八 階 振 型 為 前 后 左 右 四 面 向 中 間 靠 攏 9 38516 九 階 振 型 主 要 為 切 書 機 前 部 梁 前 后 擺 動 10 43018 十 階 振 型 主 要 為 整 體 彎 扭 復(fù) 合 模 態(tài) 214 基 礎(chǔ) 件 改 進 后 模 態(tài) 分 析 的 結(jié) 果 切 書 機 基 礎(chǔ) 件 結(jié) 構(gòu) 改 進 后 ,利 用 ANSYS進 行 模 態(tài) 分 析 。 改 進 前 后 基 礎(chǔ) 件 的 固 有 頻 率 如 表 2所 示 。 表 2 改 進 前 后 的 固 有 頻 率 階 次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 改 前 的 固 有 頻 率 9419 17816 20619 22313 28516 29912 34212 35716 38516 43018 改 后 的 固 有 頻 率 9514 17911 20513 22813 28014 30118 34510 35810 38419 42313 3 切 書 機 基 礎(chǔ) 件 的 諧 響 應(yīng) 分 析 諧 響 應(yīng) 分 析 是 用 于 確 定 線 性 結(jié) 構(gòu) 隨 時 間 按 正 弦 (簡 諧 )規(guī) 律 變 化 的 載 荷 在 穩(wěn) 態(tài) 響 應(yīng) 時 的 一 種 技 術(shù) 。 分 析 的 目 的 是 計 算 出 結(jié) 構(gòu) 在 規(guī) 定 的 頻 率 內(nèi) 的 響 應(yīng) 并 得 到 一 些 響 應(yīng) 值 (通 常 是 位 移 )對 頻 率 的 曲 線 。 為 了 解 修 改 前 后 基 礎(chǔ) 件 振 動 的 變 化 情 況 ,對 切 書 機 基 礎(chǔ) 件 39 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 現(xiàn) 代 制 造 工 程 2006年 第 8期 設(shè) 備 設(shè) 計 /診 斷 維 修 /再 制 造 進 行 諧 響 應(yīng) 分 析 ,選 取 對 切 書 影 響 較 大 的 四 個 點 。 其 中 有 兩 個 點 是 支 撐 刀 架 的 地 方 ,另 外 兩 個 點 選 在 左 右 兩 側(cè) 切 書 機 上 部 中 間 處 (如 圖 5、 圖 6所 示 )。 在 AN2 SYS中 諧 響 應(yīng) 分 析 有 三 種 方 法 , Full法 、 Reduced法 、 Mode superposition法 。 由 于 切 書 機 基 礎(chǔ) 件 結(jié) 構(gòu) 比 較 復(fù) 雜 ,采 用 Mode superposition法 比 較 適 宜 ,因 此 ,使 用 Mode superposition法 對 切 書 機 基 礎(chǔ) 件 進 行 諧 響 應(yīng) 分 析 。 切 書 機 最 主 要 載 荷 是 在 切 書 的 過 程 中 ,由 凸 輪 帶 圖 5 諧 響 應(yīng) 分 析 測 點 圖 圖 6 諧 響 應(yīng) 分 析 施 加 的 載 荷 動 刀 架 引 起 的 。 因 此 ,把 載 荷 加 在 安 裝 凸 輪 軸 的 孔 心 位 置 , 加 載 荷 方 向 如 圖 6所 示 。 選 擇 四 個 點 做 諧 響 應(yīng) 分 析 ,以 驗 證 改 進 后 結(jié) 構(gòu) 的 動 態(tài) 特 性 。 第 一 點 是 基 礎(chǔ) 件 與 刀 架 連 桿 連 接 處 , 第 二 點 是 基 礎(chǔ) 件 橫 梁 的 中 間 點 ,第 三 點 是 橫 梁 的 右 側(cè) 點 ,第 四 點 是 基 礎(chǔ) 件 與 刀 架 連 桿 連 接 處 另 一 側(cè) 與 第 一 點 相 對 應(yīng) 的 點 。 圖 7是 第 一 點 X 方 向 修 改 前 后 的 諧 響 應(yīng) 圖 。 從 圖 中 可 以 看 出 ,在 接 近 360Hz處 (第 八 階 固 有 頻 率 ) , 出 現(xiàn) 振 動 峰 值 點 ,經(jīng) 過 改 進 后 ,最 大 振 幅 明 顯 下 降 (下 降 近 30% )。 在 95Hz處 (第 一 階 固 有 頻 率 )的 振 幅 也 有 小 幅 下 降 。 圖 7 第 一 點 X向 改 進 前 后 諧 響 應(yīng) 圖 8是 第 四 點 X方 向 的 諧 響 應(yīng) 圖 ,第 四 點 與 第 一 點 的 位 置 是 相 對 的 ,都 是 在 機 器 的 上 部 中 間 處 ,只 是 一 左 一 右 。 但 是 因 為 機 器 結(jié) 構(gòu) 左 右 兩 側(cè) 不 平 衡 ,所 以 兩 側(cè) 都 進 行 測 量 。 同 第 一 點 一 樣 ,峰 值 振 幅 出 現(xiàn) 在 接 近 360Hz處 (第 八 階 固 有 頻 率 ) ,改 進 后 的 振 幅 下 降 近 20%。 切 書 機 基 礎(chǔ) 件 第 二 點 Z 方 向 的 位 移 最 大 峰 值 出 現(xiàn) 在 220Hz處 (第 四 階 固 有 頻 率 )。 第 四 點 Z 方 向 300Hz(第 六 階 固 有 頻 率 )和 360Hz (第 八 階 固 有 頻 率 ) 的 振 幅 較 大 ,經(jīng) 過 改 進 后 ,基 礎(chǔ) 件 在 這 兩 點 Z 方 向 的 振 幅 均 有 較 大 的 下 降 。 第 二 點 的 幅 值 下 降 16% (見 圖 9)。 第 三 點 Z方 向 在 300Hz (第 六 階 固 有 頻 率 )的 幅 值 下 降 24%。 在 360Hz (第 八 階 固 有 頻 率 )處 的 幅 值 下 降 約 50% (見 圖 10)。 圖 8 第 四 點 X向 改 進 前 后 諧 響 應(yīng) 圖 9 第 二 點 Z向 改 進 前 后 諧 響 應(yīng) 圖 10 第 三 點 Z向 改 進 前 后 諧 響 應(yīng) 4 結(jié) 語 本 文 利 用 ANSYS對 切 書 機 基 礎(chǔ) 件 進 行 模 態(tài) 分 析 , 計 算 出 基 礎(chǔ) 件 的 固 有 頻 率 和 振 型 。 根 據(jù) 基 礎(chǔ) 件 的 薄 弱 環(huán) 節(jié) 和 實 際 工 作 情 況 ,對 基 礎(chǔ) 件 的 設(shè) 計 提 出 了 幾 點 改 進 意 見 ,并 對 改 進 前 后 的 結(jié) 構(gòu) 進 行 諧 響 應(yīng) 分 析 。 與 改 進 前 的 結(jié) 構(gòu) 比 較 ,改 進 后 的 結(jié) 構(gòu) 動 態(tài) 性 能 得 到 了 有 效 的 提 高 ,振 幅 有 了 明 顯 的 下 降 ,切 書 機 的 工 作 效 率 也 會 進 一 步 提 高 。 參 考 文 獻 : [ 1 ] 王 勖 成 ,邵 敏 . 有 限 元 法 基 本 原 理 的 數(shù) 值 方 法 [M ]. 北 京 :清 華 大 學(xué) 出 版 社 , 2000. [ 2 ] 大 久 保 信 行 (日 ). 機 械 模 態(tài) 分 析 [M ]. 上 海 :上 海 交 通 大 學(xué) 出 版 社 , 1985. 作 者 簡 介 :易 立 新 ,研 究 生 。 電 話 : (010) 67391624 收 稿 日 期 : 2005212228 49 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 印刷平臺 60 2008/8 特種印刷 2008/10 三面切書機是上海紫宏機械有限公司自1998年起致 力研發(fā)，與折頁機齊頭并進的兩大主流產(chǎn)品之一。由于 三面切書機在整個裝訂后道工序中占據(jù)不可或缺的地 位，有著很大的客戶群體和市場需求，所以紫宏早就對 QS80全自動三面切書機投入了大量時間和精力進行研 發(fā)、試制、批產(chǎn)，并不斷完善，并在消化吸收國外同類 產(chǎn)品的基礎(chǔ)上自主開發(fā)了適合我國國情的、操作簡單、 成本低廉的QS60和QS70系列三面切書機。 如今，紫宏針對不同的裁切要求已擁有不同種類的 三面切書機QSB60A、QS70、QSB70A、QS80系列，并在 國內(nèi)外擁有眾多高低端用戶，滿足了不斷提升的市場需 求。幾年來這些設(shè)備在使用可靠性和穩(wěn)定性，以及裁切 質(zhì)量、精度、噪聲和使用壽命等方面都經(jīng)受住了用戶的 考驗。 QS80集高質(zhì)量和先進技術(shù)于一體，使用性能穩(wěn) 定，其裁切精準、自動化程度、生產(chǎn)效率等方面在國內(nèi) 三面切書機產(chǎn)品中具有領(lǐng)先優(yōu)勢。其主要特點是機身采 用整體澆注，穩(wěn)固抗震；高精度、多面體加工確保了精 確的裁切質(zhì)量；重要齒輪修正采用高精度磨齒加工工 藝，使動作更加準確可靠；不銹鋼花紋板的進書本臺面 可減少書本封面摩擦，避免劃傷，使裁切書本整潔完 整；控制系統(tǒng)采用PLC無級調(diào)速控制，工作速度在15～ 40次/分鐘間可調(diào)；無書時能自動停止裁切，減少刀片 磨損，降低機器損耗；使用集中自動潤滑系統(tǒng)，保證機 器重要部位定時、定量的潤滑，提高了機器使用壽命。 該機性能優(yōu)良，質(zhì)量可靠，是一款經(jīng)久耐用，自動化程 度較高的中高檔三面切書機。 QS70半自動三面切書機，面向國內(nèi)中小型廠家的 需求而設(shè)計，其適用性強、操作簡易、性價比高，是 國內(nèi)三面切書機中銷量最好的機器。手動進本，以書 背定位夾緊送書裁切，速度分為16次/分鐘和23次/分 鐘兩級。目前推出的QSB70A是QS70的升級產(chǎn)品，擴大 了裁切范圍，從最大開本（450mm×300mm）到最小 開本（105mm×75mm）均可裁切。 改進后的QSB60A也是半自動三面切書機，手動放 書，以毛邊定位夾緊送書裁切，速度為25次/分鐘。 其特點是可堆積連續(xù)工作、速度快、效率高、操作方 便、價格低廉。由于書本可在書斗中堆積連續(xù)工作， 故放書省時省力，操作安全方便，尤其受到國外用戶 的青睞，遠銷海外。 盡管紫宏公司的三面切書機已涵蓋國內(nèi)大多數(shù)中 小型用戶所需，但隨著市場的不斷變化和用戶需求的 多樣化，國內(nèi)高端客戶對三面切書機的品質(zhì)和功能提 出了更高的要求，有以下幾方面問題亟待加強：主機 上沒有直接與膠訂聯(lián)動線連接的堆積裝置；裁切速度 還跟不上高速膠訂聯(lián)動線速度的提升；更換開本大小 的準備時間較長；操作調(diào)整自動化程度低。所以開發(fā) 設(shè)計并生產(chǎn)制造一臺高性能的、直接配高速膠訂聯(lián)動 線、簡化調(diào)整時間、操作自動化的高檔三面切書機已 迫在眉睫。如今紫宏設(shè)計人員正為此不懈努力，爭取 在今年11月能推出具有以上各項功能，填補國內(nèi)空白 的高檔三面切書機 — DQS100全自動三面切書機。 淺談紫宏三面切書機的演變和發(fā)展趨勢 上海紫宏機械有限公司 朱 聯(lián) 從 1896年德國制造第一臺手工操作單面切紙機以來，切紙機經(jīng)歷了漫長的衍化和變革。從最初單面裁切的 單刀切紙機延伸到四面旋轉(zhuǎn)裁切的三面切書機，從手工堆放的半自動切書機擴展到全自動進給的三面切 書機，裁切速度從20次/分鐘提高到100次/分鐘，切紙機技術(shù)一直在持續(xù)發(fā)展。