數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床動態(tài)特性研究

龔立新，胡金龍，吳長明，佘 健

（江蘇揚(yáng)力數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床作為金屬板材加工領(lǐng)域中的重要設(shè)備，至今已有近七十年的應(yīng)用和發(fā)展，是汽車、家用電器、計(jì)算機(jī)、儀器儀表、電子信息、紡織機(jī)械等行業(yè)中重要的工藝裝備。近年來，數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床正向著高速、高精、大噸位、柔性化方向發(fā)展。但隨之而來的振動和噪聲問題則需引起足夠重視。對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床而言，其沖裁噪聲聲壓級一般在90～110dB 之間，嚴(yán)重影響到生活環(huán)境、 產(chǎn)品加工精度以及設(shè)備使用壽命。因此，對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的振動和噪聲控制進(jìn)行研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

本文以公司的T30 型數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床為例，在通用前處理軟件Hyperworks 中建立了有限元模型，在Ansys 中進(jìn)行了模態(tài)分析，在顯式動力學(xué)分析軟件LS-DYNA 中對轉(zhuǎn)塔沖床在打樁工況下的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了分析和研究，該方法和成果具有重要意義。

1 有限元模型的建立

非線性顯式動力學(xué)分析程序LS-DYNA 對有限元格要求很高，實(shí)體模型最好采用全六面體單元，不推薦使用四面體單元。另外，網(wǎng)格的大小也必須加以控制，過小的網(wǎng)格尺寸直接導(dǎo)致時(shí)間步長過小，雖然有利于提高計(jì)算精度，但是計(jì)算時(shí)間過長，甚至達(dá)上萬小時(shí)。模型采用3D 實(shí)體單元Solid164 進(jìn)行離散，單元算法采用單點(diǎn)高斯積分(Const.stress)，Lagrange算法。通過關(guān)鍵字control_bulk_viscosity 和control_hourglass 進(jìn)行沙漏能控制。

圖1 在Hyperworks 建立的轉(zhuǎn)塔沖床有限元模型

在通用前處理軟件Hyperworks 中對三維CAD實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格離散，共劃分了 18410 個(gè)Solid164 單元，最小單元尺寸為10mm，有限元模型如圖1 所示。

2 模態(tài)分析

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析的主要內(nèi)容，也是結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。模態(tài)分析的目的是為了得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，進(jìn)而確定結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)包括：模態(tài)頻率、模態(tài)向量（振型）、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼等，其中模態(tài)頻率和模態(tài)向量是最主要的模態(tài)參數(shù)。該類型轉(zhuǎn)塔沖床的工作頻率一般為400 次～600 次/min，而轉(zhuǎn)塔沖床的前幾階模態(tài)頻率通常不高，理論上有發(fā)生共振的可能，因此在壓力機(jī)動態(tài)響應(yīng)分析前，首先確定壓力機(jī)的前幾階模態(tài)頻率和振型是非常必要的。

在Ansys 中進(jìn)行模態(tài)分析，獲得了前三階的模態(tài)的頻率和振型，具體如下：

第一階模態(tài)頻率是27.7Hz，振型是機(jī)身在x 向（左右方向）的晃動，振幅由下到上逐漸增大；第二階模態(tài)頻率是47.9Hz，振型是機(jī)身在z 方向（上下）的振動；第三階模態(tài)頻率是54.4Hz，振型主要是機(jī)身后部的局部振動。前三階模態(tài)頻率與系統(tǒng)的激勵頻率相差較大，系統(tǒng)不會工作在共振區(qū)；第一、三階振型與工作力不在同一方向上，對壓力機(jī)的動態(tài)性能影響不大，第二階振型與工作載荷在同一方向，對加工有影響。

3 動態(tài)響應(yīng)分析

在外部載荷作用下，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動位移、速度、加速度隨時(shí)間發(fā)生變化，這些變量就是動力學(xué)響應(yīng)。動力學(xué)問題的有限元方程是通過空間離散方法獲得的，但在時(shí)間域上保持著連續(xù)性。動力學(xué)問題與靜力學(xué)問題有本質(zhì)不同，需要考慮時(shí)間域的離散求解，這就是時(shí)域積分方法。時(shí)域積分方法求解動力學(xué)響應(yīng)問題主要采用兩種算法，即隱式算法和顯式算法。隱式算法一般采用Newmark 方法，通常 Newmark 算法是無條件穩(wěn)定的，相對于顯式算法，求解精度較高，但求解效率低，容易出現(xiàn)收斂問題。顯式算法一般采用中心差分向前時(shí)間積分方法，在進(jìn)行動力學(xué)分析時(shí)，具有極高的計(jì)算效率，一般不會出現(xiàn)收斂問題，尤其適合處理極端狀態(tài)下的高度非線性動力學(xué)問題。隱式分析與顯式分析各有優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的動態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)，本文采用LS-DYNA 的顯式時(shí)間積分方法進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)分析，獲得了數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床在300kN 打樁工況下的位移、速度和加速度曲線。

圖2 模態(tài)分析結(jié)果

打樁工況下，沖頭安裝位置的z 向動態(tài)響應(yīng)曲線如圖3 所示，該點(diǎn)的z 向振動位移峰值為0.58，z向的最大振動速度為400m/s，最大z 向加速度為1.4e6m/s2，主要集中在 100Hz、250Hz、575Hz 三個(gè)頻段。

通過對仿真曲線的分析可知，沖床在工作過程中，在工作載荷的作用下，機(jī)身發(fā)生彈性變形并儲備一定的彈性勢能，在工作載荷消失瞬間，儲備在機(jī)身上的彈性勢能就會以振動的形式釋放出來。由于機(jī)床結(jié)構(gòu)阻尼的存在和機(jī)床不斷向周圍環(huán)境輻射噪聲，使得振動能量不斷衰減，直至為零。

4 結(jié)論

圖3 沖頭安裝位置的z 向動態(tài)響應(yīng)曲線

在轉(zhuǎn)塔沖床工作過程中，由于工作載荷的作用，不可避免地產(chǎn)生振動和噪聲。劇烈的振動和噪聲不僅會降低設(shè)備的加工精度，縮短設(shè)備的使用壽命，增加供料裝置、電子液壓元器件的損壞概率，還會對工作、生活環(huán)境產(chǎn)生不良影響。為此，對轉(zhuǎn)塔沖床進(jìn)行減振降噪研究具有重要意義。

本文在對T30 型數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床進(jìn)行模態(tài)分析和動態(tài)響應(yīng)分析的過程中，解決了一些技術(shù)難題，也提出了一些有價(jià)值的方法，然而有許多問題仍需要探討和研究，在本文基礎(chǔ)上可以從以下幾方面進(jìn)行轉(zhuǎn)塔沖床的減振降噪研究：

（1）優(yōu)化沖頭運(yùn)動曲線，如采用伺服電機(jī)驅(qū)動主傳動機(jī)構(gòu)，利用其運(yùn)動曲線的可控性，在沖頭接觸板面的瞬間降低速度，可以在很大程度上抑制振動和噪聲的產(chǎn)生。

（2）優(yōu)化轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身結(jié)構(gòu)，提高機(jī)身的靜、動態(tài)剛度，對噪聲產(chǎn)生的聲源進(jìn)行主動控制。

（3）對噪聲傳播的途徑進(jìn)行隔離，比如設(shè)計(jì)沖壓區(qū)域隔離罩，并在隔離罩上粘貼阻尼材料，利用阻尼材料進(jìn)行吸聲。

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