冶金起重機(jī)卷筒車削加工阻尼防振動(dòng)裝置研究及應(yīng)用*

李靜宇 張杰義 劉艷芳 孫宇航 宋 偉

河南衛(wèi)華重型機(jī)械股份有限公司 長垣 453400

0 引言

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，起重機(jī)行業(yè)也在不斷向前發(fā)展，越來越多的起重機(jī)種類逐漸出現(xiàn)，冶金起重機(jī)作為起重機(jī)行業(yè)中不可或缺的一種，主要應(yīng)用于冶金領(lǐng)域，是冶金行業(yè)煉鋼的主要設(shè)備之一[1，2]。冶金起重機(jī)根據(jù)其噸位的不同所應(yīng)用的場合也不同，噸位較輕的適用于吊運(yùn)鋼水、鐵水等的冶金場合，主要有1 套起升機(jī)構(gòu)；而對于噸位較大的冶金起重機(jī)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主起升機(jī)構(gòu)設(shè)置2 套驅(qū)動(dòng)裝置，主要是為了防止其中一套裝置在運(yùn)行過程中出現(xiàn)問題時(shí)另一套裝置能夠保證工作正常進(jìn)行，其構(gòu)造型式也可根據(jù)噸位的不同設(shè)計(jì)成不同的形式，例如，對于中、大噸位的鑄造起重機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)其形式可以采用雙梁雙軌及四梁四軌[3]。

冶金起重機(jī)主要用于冶金生產(chǎn)過程中的冶煉、鑄造、鍛造、熱軋等作業(yè)，具有工作環(huán)境溫度較高、工作現(xiàn)場粉塵多、空氣濕度大、冶金起重機(jī)工作時(shí)間長等工作特點(diǎn)[4-6]。由于冶金起重機(jī)工作環(huán)境較為惡劣，工作時(shí)容易發(fā)生安全事故，故制造時(shí)對冶金起重機(jī)加工質(zhì)量要求較高。卷筒作為冶金起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的重要結(jié)構(gòu)件，是保證起重機(jī)正常運(yùn)行工作中承載載荷的主要部件。卷筒的加工精度高低不僅影響著冶金起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行，也影響著冶金起重機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量，而卷筒車削加工時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)是影響卷筒加工精度及加工質(zhì)量的主要因素。為了減小卷筒車削加工過程中的振動(dòng)，提高卷筒的加工精度，保證冶金起重機(jī)的正常運(yùn)行，必須采取有效的措施來減小卷筒車削加工時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。

1 冶金起重機(jī)卷筒結(jié)構(gòu)分析

本文所述的卷筒為冶金起重機(jī)的主要結(jié)構(gòu)件，該冶金起重機(jī)起重量為500 t，屬于大噸位鑄造起重機(jī)，卷筒直徑較大（約3 m），尺寸也較長（約為3.5 m），卷筒結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示，屬于單軸卷筒，卷筒進(jìn)行車削加工前端面板、內(nèi)襯板及卷筒軸等已經(jīng)由焊接作業(yè)人員焊接至卷筒體上，焊接完畢后需要在車床上加工卷筒外圓、法蘭內(nèi)孔及端面、卷筒左右旋繩槽及卷筒軸。由于卷筒壁厚較薄，車削加工卷筒時(shí)的表面加工量大，其特殊的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致在車削加工卷筒時(shí)表面極易產(chǎn)生振刀紋，振刀紋的出現(xiàn)會(huì)對嚴(yán)重降低卷筒的加工質(zhì)量，因此，為了提升卷筒的表面加工質(zhì)量，必須采取相應(yīng)的措施解決加工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)。

圖1 卷筒結(jié)構(gòu)示意圖

2 卷筒車削加工方法及振動(dòng)原因分析

2.1 卷筒車削加工方法

卷筒在車床上進(jìn)行車削加工前需要對卷筒進(jìn)行劃線，目的是為了保證車削加工時(shí)卷筒的加工尺寸，劃線前卷筒軸、法蘭板及端面板已焊接至卷筒體上。將檢驗(yàn)合格的卷筒放置在滾輪架上后，用高度尺測量已加工卷筒輪帶頂部，目的在于保證卷筒輪帶頂部水平。將卷筒旋轉(zhuǎn)180°，同樣通長打表拉直卷筒外壁周圍，根據(jù)圓度偏差調(diào)節(jié)卷筒中心，旋轉(zhuǎn)卷筒，劃兩端法蘭板和卷筒軸端的中心線、參考余量線，并引線到卷筒外壁上，之后鉆卷筒軸端面中心孔以便在車床上裝夾卷筒。劃線完畢后準(zhǔn)備對卷筒在車床上進(jìn)行車削加工，車削加工卷筒過程如下：

1）對卷筒車削加工前，利用車床頂尖頂緊卷筒軸端面中心孔，起到定位作用，卷筒端面板一側(cè)利用四爪卡盤輔助夾緊。

2）對卷筒進(jìn)行車削加工，卷筒外圓見光，車法蘭內(nèi)孔與端面，加工過程中要保證粗糙度要求。

3）工件調(diào)頭，四爪卡盤內(nèi)撐法蘭內(nèi)孔，利用車床右尾座頂尖將卷筒軸端面中心孔頂緊，加工卷筒外圓，保證卷筒的粗糙度及徑向跳動(dòng)公差滿足圖紙要求。

4）劃繩槽的加工位置線，劃線完畢后依照圖紙檢查繩槽的旋向正確。

5）車床車削卷筒的左右旋繩槽，保證槽數(shù)、槽深、槽形及螺距滿足圖紙要求。

6）車床車削卷筒軸外圓，保證圖紙粗糙度及尺寸要求，同時(shí)車角焊縫外圓見光至法蘭面處，留過渡圓角。

從卷筒的車削加工過程可以看出，卷筒加工時(shí)主要是通過四爪卡盤輔助夾緊與頂尖頂緊，這就導(dǎo)致車削加工卷筒時(shí)卷筒筒體缺乏支撐，在車削加工過程中刀具和卷筒便會(huì)產(chǎn)生相對振動(dòng)，在對卷筒進(jìn)行車削加工時(shí)會(huì)在卷筒表面留下一段振刀紋，當(dāng)再次對卷筒筒體進(jìn)行下一步車削加工時(shí)，卷筒表面會(huì)出現(xiàn)振刀現(xiàn)象，由于車削加工時(shí)厚度大小不同，產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)發(fā)展為持續(xù)振動(dòng)，嚴(yán)重影響卷筒的加工質(zhì)量與加工精度。

2.2 車削加工卷筒振動(dòng)原因分析

由于卷筒自身質(zhì)量、卷筒長度、直徑、機(jī)床及刀具的影響，在車床上對卷筒進(jìn)行車削加工時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)的產(chǎn)生不僅會(huì)降低卷筒的加工精度和表面質(zhì)量，而且還會(huì)縮短刀具的使用壽命，降低生產(chǎn)效率。為了減小車削加工過程中的振動(dòng)，提高刀具的使用壽命，提高生產(chǎn)效率，對導(dǎo)致卷筒加工過程中產(chǎn)生振動(dòng)的3 個(gè)原因進(jìn)行了分析，并針對產(chǎn)生振動(dòng)的原因給出了相應(yīng)的解決方案，以此達(dá)到減小振動(dòng)或者消除振動(dòng)的效果。

2.2.1 車削加工卷筒振動(dòng)的產(chǎn)生原因

1）機(jī)床內(nèi)部產(chǎn)生的振動(dòng)

機(jī)床內(nèi)部產(chǎn)生振動(dòng)的原因主要有2 個(gè)方面。①由于卷筒本身材料不均勻、卷筒外形的誤差、加工卷筒時(shí)產(chǎn)生的誤差及卷筒結(jié)構(gòu)形狀局部不對稱等原因，卷筒在車削加工時(shí)會(huì)因?yàn)樾D(zhuǎn)產(chǎn)生不均勻的慣性力[7]，當(dāng)四爪卡盤夾持卷筒進(jìn)行車削加工時(shí)會(huì)因?yàn)闄C(jī)床主軸轉(zhuǎn)速過高導(dǎo)致卷筒離心力增大，從而引起機(jī)床的振動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致卷筒加工表面不光滑。②因?yàn)闄C(jī)床本身的精度問題導(dǎo)致傳動(dòng)時(shí)出現(xiàn)缺陷，從而引起振動(dòng)。

2）機(jī)床外部產(chǎn)生的振動(dòng)

機(jī)床外部產(chǎn)生的振動(dòng)主要是通過外部因素引起的。當(dāng)機(jī)床放置在無任何防護(hù)措施的地面上時(shí)，地面的振動(dòng)等外部因素則會(huì)通過地基傳給機(jī)床，從而引起車削加工過程中工件的振動(dòng)，外部因素產(chǎn)生的振動(dòng)對卷筒的加工質(zhì)量影響是較小的。

3）卷筒本身的固有頻率

卷筒本身的固有頻率影響也會(huì)使卷筒在加工過程中產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)車削加工卷筒時(shí)的刀架系統(tǒng)受到偶然干擾發(fā)生了振型耦合，刀架系統(tǒng)頻率與卷筒自身頻率相等時(shí)，則會(huì)發(fā)生自振現(xiàn)象，卷筒受共振現(xiàn)象影響產(chǎn)生的振動(dòng)是影響卷筒加工質(zhì)量的主要原因。

2.2.2 消振或減振的有效措施

通過對卷筒產(chǎn)生振動(dòng)的原因進(jìn)行分析，得出產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因有機(jī)床內(nèi)部、機(jī)床外部以及卷筒自身固有頻率的影響。針對車削加工過程中產(chǎn)生振動(dòng)的原因可以通過有效措施來消除或減小，可以針對產(chǎn)生振動(dòng)的原因采取相對應(yīng)的有效措施。

1）消除或減小機(jī)床內(nèi)部振源

由機(jī)床內(nèi)部原因的影響而產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，可以通過確認(rèn)產(chǎn)生振動(dòng)的源頭采取相應(yīng)的措施，針對振源的產(chǎn)生采取有效的措施來減振或者消振。在對卷筒進(jìn)行車削加工前，需要保證機(jī)床上的四爪卡盤等高速運(yùn)轉(zhuǎn)的零件精度達(dá)到合格的要求，對于沒有滿足精度及質(zhì)量要求的零件要及時(shí)更換，同時(shí)機(jī)床在進(jìn)行車削加工時(shí)要保證傳動(dòng)過程平穩(wěn)，選取合適的轉(zhuǎn)速，減小因?yàn)闄C(jī)床傳動(dòng)缺陷引起的振動(dòng)。

2）采取相應(yīng)的隔振措施

這類措施主要是針對機(jī)床外部因素產(chǎn)生的振動(dòng)，由于機(jī)床外部產(chǎn)生的振動(dòng)是通過地基傳給機(jī)床的，所以可通過設(shè)置相應(yīng)的隔振措施來排除外部因素產(chǎn)生的影響，車削加工過程中常用的隔振材料有木屑、橡皮等。

3）調(diào)整振源頻率

為了減小由于卷筒本身固有頻率影響產(chǎn)生的振動(dòng)，車削加工時(shí)需要使刀架系統(tǒng)的固有頻率值遠(yuǎn)離卷筒本身的固有頻率，避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象。為了提高卷筒加工質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一種起重機(jī)卷筒車削加工阻尼防振動(dòng)工裝，通過改變支撐卷筒的支撐架的固有頻率，進(jìn)一步減小車削加工過程中卷筒產(chǎn)生的振動(dòng)。

3 工裝設(shè)計(jì)

本文所述的卷筒為大直徑冶金起重機(jī)卷筒，通過對卷筒車削加工方法及加工過程中產(chǎn)生振動(dòng)的原因進(jìn)行分析可知，由機(jī)床內(nèi)部原因與機(jī)床外部原因產(chǎn)生的振動(dòng)在車削加工過程中對卷筒表面加工質(zhì)量的影響較小，加工過程中可以通過車削前檢查零件是否合格及采用橡膠皮等防振來減小這2 類原因產(chǎn)生的振動(dòng)。而針對由于卷筒本身原因使得加工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)對卷筒加工質(zhì)量影響是較大的，因此，針對這類產(chǎn)生振動(dòng)的原因必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的工裝，主要是通過增加滾輪架及熱塑層來減小振動(dòng)。

由于卷筒加工過程中特殊的裝夾方式，導(dǎo)致卷筒加工過程中缺乏支撐，故在切削加工過程中會(huì)出現(xiàn)加工振動(dòng)。為了減少加工過程中的共振現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種起重機(jī)卷筒車削加工過程中用的阻尼防振動(dòng)裝置，支撐卷筒的同時(shí)可通過改變支撐輪的固有頻率來減小振動(dòng)，起重機(jī)卷筒車削加工阻尼防止振動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

由圖2 可知，加工時(shí)裝置中的支撐輪及阻尼防振動(dòng)裝置等配合工作，既可實(shí)現(xiàn)對卷筒的夾持支撐，又可改變支撐輪的固有頻率，減小車削過程中的振動(dòng)。

圖2 起重機(jī)卷筒車削加工阻尼防止振動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

在車削加工前，該裝置可通過底座面放置在加工卷筒用的車床導(dǎo)軌上，放置時(shí)可與導(dǎo)軌對應(yīng)連接，從而使得裝置能在車床上移動(dòng)，底座能沿卷筒的軸線方向移動(dòng)，從而調(diào)整裝置對卷筒的支撐位置。底座上設(shè)置有齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)件為傳動(dòng)齒輪和連接桿，工作時(shí)可通過驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)連接桿，從而使連接桿帶動(dòng)齒輪沿齒條移動(dòng)，最終帶動(dòng)底座沿著車床的導(dǎo)軌滑動(dòng)。連接桿工作時(shí)垂直安裝在底座上，連接桿的頭端能夠與驅(qū)動(dòng)部件連接，驅(qū)動(dòng)部件主要有驅(qū)動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)等。

底座的頂部設(shè)有滑軌，為保證加工精度，滑軌的軸線與車床導(dǎo)軌的軸線是互相垂直的，工作時(shí)可通過轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置（見圖3）中的螺桿帶動(dòng)滑座沿螺桿方向移動(dòng)，滑座相向移動(dòng)時(shí)，能實(shí)現(xiàn)對卷筒的加持支撐，滑座相背移動(dòng)時(shí)，能松開卷筒?；捻敳坑兄屋?，由于卷筒在車削加工時(shí)需要轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)裝置中的支撐輪可夾持支撐著卷筒，支撐輪外緣面包裹具有彈性變形能力的熱塑層，加工過程中能夠適應(yīng)卷筒外徑的橢圓應(yīng)力進(jìn)行變形，從而能夠保證支撐輪支撐卷筒時(shí)支撐力的有效性、可靠性。

圖3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

為了減小車削加工過程中的振動(dòng)，工裝設(shè)有旋轉(zhuǎn)阻尼結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)阻尼機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。工作時(shí)彈簧通過對殼體內(nèi)的擠壓盤施加力而使擠壓盤向滑座方向移動(dòng)，殼體的開口端側(cè)面設(shè)有注油口，目的是通過注油口向殼體內(nèi)注入高粘性油，齒輪與支撐輪的輪軸對應(yīng)連接。由于高粘性油所處的空間為負(fù)壓狀態(tài)，在殼體內(nèi)注入一小部分高粘性油后，通過施加力驅(qū)動(dòng)擠壓盤向滑座方向移動(dòng)，隨著擠壓盤向滑座方向的移動(dòng)，使得高粘性油的空間大小減少、液面高度上升，進(jìn)而增大了高粘性油與齒輪之間的接觸面積，接觸面積增大意味著支撐輪隨著卷筒旋轉(zhuǎn)時(shí)的阻力增大，即改變了支撐輪的固有頻率，從而達(dá)到了減小車削加工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)的目的。

圖4 旋轉(zhuǎn)阻尼機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

該工裝主要是通過改變支撐輪的固有頻率減小車削卷筒過程中振動(dòng)的產(chǎn)生，使用時(shí)，先通過注油口向殼體內(nèi)注入一部分高粘性油，之后密封注油口，根據(jù)卷筒加工實(shí)際情況將底座移動(dòng)到合適位置，底座底面對應(yīng)連接在車床的導(dǎo)軌上，通過驅(qū)動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)2 滑座沿工裝裝置滑軌移動(dòng)，卷筒加工時(shí)利用四爪卡盤卡緊端面板，頂尖頂緊卷筒軸端中心孔，之后使2 個(gè)支撐輪的外緣面均與卷筒的筒壁抵觸，調(diào)整好卷筒與工裝所在位置之后，最后啟動(dòng)車床對卷筒進(jìn)行車削加工，車削加工卷筒如圖5所示。工裝使用前后卷筒表面加工質(zhì)量對比圖如圖6 所示?？梢钥闯龉ぱb使用后卷筒加工表面振動(dòng)紋減少，卷筒的表面加工質(zhì)量及加工精度得到了大幅度提高。

圖5 車削加工卷筒

圖6 工裝使用前后卷筒表面加工質(zhì)量對比圖

4 結(jié)語

本文所述的卷筒作為冶金起重機(jī)的重要結(jié)構(gòu)件，由于卷筒直徑及卷筒質(zhì)量較大，加工過程中容易出現(xiàn)加工振動(dòng)，振動(dòng)的產(chǎn)生影響著卷筒的表面加工質(zhì)量與加工精度，由于對車削加工過程中振動(dòng)的控制較困難，工裝的使用提升了卷筒的加工質(zhì)量與加工效率，對減小車削加工卷筒過程中產(chǎn)生的振動(dòng)效果非常明顯。

本文通過對冶金起重機(jī)卷筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，同時(shí)對車削加工卷筒過程產(chǎn)生振動(dòng)的原因進(jìn)行了論述，針對產(chǎn)生振動(dòng)的原因給出了相對應(yīng)的解決方案，設(shè)計(jì)起重機(jī)卷筒車削加工用的阻尼防振動(dòng)裝置，可以減小卷筒車削加工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)。通過采用工裝兩滑座頂部支撐輪夾持卷筒，能夠?qū)硗驳耐采磉M(jìn)行支撐，從而防止卷筒車削加工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)。工裝的使用使卷筒加工效率提升了100%，同時(shí)提高了卷筒的加工質(zhì)量。使用該工裝不僅實(shí)現(xiàn)了對卷筒的夾持支撐，同時(shí)減小了加工時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，不僅為其他卷筒的車削加工提供了參考，也為類似卷筒結(jié)構(gòu)的工件加工提供了保障。