金屬材料加工機(jī)械的動(dòng)力學(xué)特征及建模分析

王云德

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

在保證質(zhì)量的前提條件下，為提升金屬材料加工機(jī)械的生產(chǎn)效率，對(duì)金屬材料加工機(jī)械提出了更高的要求。希望金屬材料加工機(jī)械在實(shí)際運(yùn)行過程中，能夠在提升勞動(dòng)效率的基礎(chǔ)上，真正做到高效低耗的生產(chǎn)效果[1]。為實(shí)現(xiàn)這一目的，機(jī)械生產(chǎn)領(lǐng)域的研究人員對(duì)金屬材料加工機(jī)械進(jìn)行了綜合的深入研究，通過引入不同的現(xiàn)代化技術(shù)，對(duì)其運(yùn)行模式改革。但目前并沒有任何研究是從金屬材料加工機(jī)械自身角度出發(fā)，研究出符合其自身運(yùn)動(dòng)的生產(chǎn)模式[2]?；诖?，本文開展金屬材料加工機(jī)械的動(dòng)力學(xué)特征及建模分析，從而為后續(xù)生產(chǎn)自動(dòng)化模式提供理論依據(jù)。

1 金屬材料加工機(jī)械的動(dòng)力學(xué)特征

1.1 翻轉(zhuǎn)等效力矩特征

金屬材料加工機(jī)械在生產(chǎn)線的作用下會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的振動(dòng)效果。遇到?jīng)_擊載荷的頻率不斷增加時(shí)，金屬材料加工機(jī)械會(huì)產(chǎn)生巨大的振動(dòng)幅度，嚴(yán)重影響生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。因此需要對(duì)金屬材料加工機(jī)械進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。金屬材料加工機(jī)械在實(shí)際生產(chǎn)過程中，其不斷反復(fù)運(yùn)動(dòng)的位置可稱之為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其產(chǎn)生的等效力矩特征實(shí)質(zhì)上是相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)不斷變化產(chǎn)生的結(jié)果[3]。

通過翻轉(zhuǎn)等效力矩特征，可以在一定范圍內(nèi)，確定金屬材料加工機(jī)械的特定數(shù)據(jù)，并代表其實(shí)際的運(yùn)行程度和模型模式。金屬材料加工機(jī)械主要是用于對(duì)各類金屬類零部件進(jìn)行加工的設(shè)備，因此對(duì)其實(shí)際工作要求有著更強(qiáng)的限制性，需要以最小和最快的速度實(shí)現(xiàn)對(duì)胚料的加工。同時(shí)，還需要更加精細(xì)化的成型設(shè)計(jì)，再加之最快速度形成來回往復(fù)的工作任務(wù)，并將相關(guān)的物料送入到下一個(gè)循環(huán)工作當(dāng)中，完成一系列工作任務(wù)[4]。此后，上?？衫^續(xù)從側(cè)面將物料送入到代加工位置，從而完成一整個(gè)循環(huán)。

1.2 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量特征

金屬材料加工機(jī)械的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量特征實(shí)質(zhì)上是對(duì)等效力矩的一種深化運(yùn)轉(zhuǎn)。通常情況下，生產(chǎn)線上的金屬材料加工機(jī)械包含兩個(gè)基本執(zhí)行結(jié)構(gòu)，分別為沖壓結(jié)構(gòu)和送料結(jié)構(gòu)，通過兩個(gè)結(jié)構(gòu)的相互作用，完成金屬材料加工機(jī)械的整個(gè)操作。

在實(shí)際運(yùn)行過程中，機(jī)械還需要采取一種等效運(yùn)動(dòng)的方式，并同時(shí)具備急回的特性和良好的動(dòng)力特性。

除此之外，金屬材料加工機(jī)械在實(shí)際的送料過程中屬于一種間歇式的送料方式，無法一次實(shí)現(xiàn)送料。在此過程中，間歇式的送料方式必然會(huì)導(dǎo)致金屬材料加工機(jī)械的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量出現(xiàn)偏差。因此，必須通過設(shè)計(jì)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量模型，對(duì)金屬材料加工機(jī)械的動(dòng)力學(xué)特征數(shù)據(jù)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(jī)械的動(dòng)力學(xué)特征，在金屬材料加工機(jī)械的動(dòng)力學(xué)特征分析中，針對(duì)質(zhì)量和摩擦力對(duì)金屬材料加工機(jī)械的影響微乎其微，可以忽略不計(jì)，只要確保金屬材料加工機(jī)械的各構(gòu)件質(zhì)量均處于平均分布的狀態(tài)即可。以此，作為金屬材料加工機(jī)械的動(dòng)力學(xué)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量特征的前提，通過建模分析的方式，進(jìn)而掌握金屬材料加工機(jī)械的動(dòng)力學(xué)特征。由此可見，在明確金屬材料加工機(jī)械的動(dòng)力學(xué)特征的基礎(chǔ)上，為下文構(gòu)建金屬材料加工機(jī)械的動(dòng)力學(xué)模型提供基礎(chǔ)特征數(shù)據(jù)。

2 金屬材料加工機(jī)械的動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

2.1 構(gòu)建金屬材料加工機(jī)械動(dòng)力學(xué)方程

根據(jù)上文對(duì)金屬材料加工機(jī)械的動(dòng)力學(xué)特征分析，構(gòu)建金屬材料加工機(jī)械動(dòng)力學(xué)方程。假設(shè)金屬材料加工機(jī)械的廣義等效力矩為M，不同的等效力為m，根據(jù)上述分析有等效力矩得出其動(dòng)力學(xué)方程為：

公式（1）中，m1、m2、m3分別表示為三個(gè)不同方向上金屬材料加工機(jī)械的等效力矩；F 表示為機(jī)械作用力；v 表示為作用點(diǎn)上的機(jī)械運(yùn)動(dòng)速度；＊符號(hào)表示為互易積。在上述金屬材料加工機(jī)械的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)一步簡化，得出標(biāo)準(zhǔn)形式的動(dòng)力學(xué)方程式為：

2.2 明確各階段模態(tài)振型

根據(jù)上述得出的金屬材料加工機(jī)械動(dòng)力學(xué)方程，構(gòu)建各階段模態(tài)振動(dòng)模型。由于利用有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行分析能力強(qiáng)，但在建模過程中實(shí)際應(yīng)用效果較差。

因此，在建模時(shí)，本文采用UG 三維建模軟件完成對(duì)金屬材料加工機(jī)械的模型并進(jìn)一步對(duì)其各階段的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行分析。

為了確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文通過利用虛擬樣機(jī)提高物理樣機(jī)的形式，降低分析過程中的工作強(qiáng)度。假設(shè)金屬材料加工機(jī)械的制作材料是均勻且連續(xù)分布的[5]。在忽略掉機(jī)械設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過程中產(chǎn)生的無關(guān)緊要的倒角，保留重要的圓角，并忽略機(jī)械整體的凹凸性。由于金屬材料加工機(jī)械的各個(gè)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(duì)機(jī)械中零位移的約束有效力進(jìn)行分析，對(duì)其無關(guān)載荷可直接忽略。針對(duì)上述分析，在實(shí)際操作過程中可在有限元模型當(dāng)中施加一個(gè)外界約束條件，將轉(zhuǎn)動(dòng)自由度保留。

根據(jù)金屬材料加工機(jī)械的運(yùn)行流程，將其劃分為6 個(gè)不同階段，表1 為在相同約束條件下金屬材料加工機(jī)械的六個(gè)階段模態(tài)振動(dòng)頻率。

表1 金屬材料加工機(jī)械的六個(gè)階段模態(tài)振動(dòng)頻率

在保證分析精度的基礎(chǔ)上，對(duì)金屬材料加工機(jī)械的六個(gè)階段模態(tài)振型以不同顏色深度體現(xiàn)，由此得出由于金屬材料加工機(jī)械自身重力較大，因此在前3 個(gè)階段，其模態(tài)振動(dòng)均沒有超過300Hz，頻率相對(duì)較低。此時(shí)，有利于機(jī)械對(duì)產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行抑制。

從表1 中的數(shù)據(jù)得出，隨著其模態(tài)振動(dòng)頻率的不斷增加，機(jī)械的模態(tài)振動(dòng)逐漸復(fù)雜。同時(shí)對(duì)其實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，在前3 個(gè)階段的模態(tài)振型均產(chǎn)生了較為明顯的平滑過渡現(xiàn)象，而沒有形成明顯的沖突變化。從第4 個(gè)階段開始，逐漸產(chǎn)生了輕微的扭轉(zhuǎn)和變形現(xiàn)象，此時(shí)說明金屬材料加工機(jī)械的抗扭轉(zhuǎn)能力相對(duì)更強(qiáng)。

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)金屬材料加工機(jī)械的動(dòng)力學(xué)特征及建模分析得出，金屬材料加工機(jī)械在實(shí)際運(yùn)行和生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生明顯的振動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)于其運(yùn)行質(zhì)量而言造成一定影響。因此，在開展提升其運(yùn)行質(zhì)量的研究時(shí)，應(yīng)當(dāng)將其動(dòng)力學(xué)特征引入，進(jìn)行綜合考量。

同時(shí)，由于本文在建模分析過程中以虛擬樣機(jī)的形式替代了原本的物理樣機(jī)，因此在其實(shí)際運(yùn)行過程中并沒有受到實(shí)際作業(yè)環(huán)境當(dāng)中產(chǎn)生的載荷影響。因此，為保證分析結(jié)果與實(shí)際更相符，在后續(xù)的研究中還將結(jié)合物理樣機(jī)開展更加詳細(xì)的分析研究。