高速压力机重心位置对机身固有频率的影响研究.pdf

文章编号：1672—0121(2013)01—0022—04 高速压力机重心位置 对机身固有频率的影响研究 施立军 ，何彦忠 ，陈文家 (1．扬州大学机械工程学院，江苏扬州225127； 2。江苏扬力集团精密机床研究所，江苏扬州225127) 摘要：为更加合理地设计高速压力机床身结构，使其达到抗振、安全、可靠的目的，以开式深喉250kN压 力机为例，首先应用Rayleigh法推算其机身固有频率与重心偏移的关系，并借助ANSYS有限元分析软件对 其影响关系进行了验证与分析。经验证发现，床身重心位置是影响机身固有频率和固有振型的关键因素，合 理控制重心位置对高速压力机床身结构设计具有重要意义。 关键词：机械设计；高速压力机；重心；固有频率 中图分类号：TG315．5 文献标识码：A 1 引言 随着压力机工作速度的提高，其动态性能和振 动问题的分析愈来愈重要。单纯的静态设计和经验 设计已不能完全满足工程实际的要求。在进行结构 设计时，必须考虑到各种动态因素的影响，对结构进 行详细的动力分析，以达到抗振、安全、可靠的目的。 工程结构要具有与使用环境相适应的动力学特性， 否则结构模态与激励频率耦合会使机床产生共振， 严重时会使整个机床发生抖振，使机床噪声过大，局 部产生疲劳破坏等。为此，本文提出了高速压力机床 身模态分析评价方案：①压力机床身的弹性模态频 率应避开电动机经常工作频率；②压力机床身的低 阶固有频率应避开压力机的工作频率；③对压力机 工作精度影响最大的方向振幅较小、基频较高、在规 定频率范围内出现的振型数目较少则压力机的动态 性能较好。根据模态评价方案，结合压力机在使用环 境下的实际激振频率，通过结构设计使床身各阶模 态频率尽可能远离这些实际激振频率。在大量的床 身结构设计与模态分析过程中发现，床身重心位置 是影响机身固有频率和固有振型的关键因素，因此 的影 2．1机身力学模型创建 假设机身上安装的零件质量分布比较集中，可 以简化成单自由度质量块，且机身各截面形状变化 不大，基本上有统一的截面惯性矩，每一部分都可看 作通过截面形心的一根梁，且变形在弹性变形之内。 图la为JE21S一25型深喉颈压力机机身结构简 图，将其简化成单自由度振动系统，其力学模型如图 1b所示。下面用Rayleigh法推算其机身固有频率与 重心偏移的关系。 2．2机身固有频率计算 图1b中m为安装于机身上的各部分零件的质 量总和；m。、m：、rn，分别为机身上z 、z：、z，部分的质 量，单位kg； 、 、 分别为z。、z 、z，部分的截面惯性 矩，单位m ；z 、Z2、Z，单位m，且z1=如。 设振动中m的位移之和为Y(t)，当x=l 时，m 的静态垂直位移和． 为： +器+鬻 ㈩ 测点位置 (a)机身结构简图 (b)固有频率计算模型 图1机身结构及计算模型示意图 系统的弹性常数 为： _( +番+ ) (2 设m的运动按正弦规律变化，即： y(t)=4 sin( ￡+ ) (3) 系统的最大势能为： ～：— 1 K[r(t)] (4) 系统的最大动能为： 一=争 +m2i+ m 2 3+ + )～ [ ( )+去( )+ ] 【y(￡)] (5) 由能量守恒定律有 ～= 一，得机身固有频率I厂 为： 户、／ (6) 其中： c_( + + ) E_2[ 42 oj]1~ +器+ 6o z ](7) 【 。3 。 蹦 J 式中： 弹性常数； 卜压力机机身的固有频率； 安装于机身上的零部件质量总和； 、m广机身上长度分别为1 、l：部分的质 量； 卜机身材料的弹性模量，钢板焊接机身E= 2．1X10“N／m 。 设计时，通过重心位置确定l 、l 部分的质量 m 、m：及截面惯性矩后带入公式(6)就能得出固有 频率。通过对机身结构数据的初步计算整理，结果列 人表1。 表1机身结构数据 l／m rrdkg ￡1 1．500 13O 2 1．500 103 厶 1．1225 86 另外，机身上零件的总质量m=2841kg，将Z1、Z2、 的数值带人公式(7)继续推导得： G-f + + )‘ ／ 1 ． 1 ． 1 ．2．126．1．563．1．563＼ ＼3-352 3I352 。1．676 。 。 蹦 。 J (8) 众所周知，当截面不变的情况下．蚕 偏移量增 大时，会导致截面惯性矩‘，1、 、 增大，而由公式(8) 可以看出，当界面惯性矩．，l、 、 增大时，固有频率 C减小。 结论：当其他因素一定时，机身重心的偏移量增 大导致其固有频率减小。 3有限元法验证分析 3．1有限元计算模型创建 本文以开式深喉250kN压力机为例，电机转速 为1250rpm，则电机的工作频率为20．83Hz，压力机 滑块行程为60mm，滑块行程次数为150spm，故压力 机的工作频率2．5Hz，实际压力机床身的各阶固有 频率要远大于压力机的工作频率，因此对于该机身 的动态性能的优化即是尽量提高频率，使其进一步 远离压力机的工作频率以及避开电机工作的频率。 创建三种不同质心位置统一规格型号的床身模型进 行计算分析。三种机身的主视ZI2程图及质量属性、材 料属性等数据见表2。 表2三种机身有关数据 心 早 心位置 — 700 ^——— 1oo0 —————— 1350 一 —— '—— ．I l I l I l J I I J 16oo I 2200 2800 I'／=242743．49g M=318785．68g M=400762．53g 重心位置 重心位置 重心位置 ( =2．46． ( =1．87． ( =1．49． y=-743．23， )，=一750．82， v=一749．19， z=-545．86) z=-802．51) z=-1032．o0) 机身为钢板焊接件，材料Q235一A，弹性模量2．1El1Pa，泊松比0．3， 密度7800kg／m。。 3．2模态计算结果与对比分析 对有限元模型进行模态分析，分别得出三个机 身前两阶固有频率(表3)及前两阶固有振型(图2～ 图7)并采集三个机身同一侧导轨处的变形曲线图 (图8～图10)。 表3三种机身前两阶固有频率 JE21S一25 JE21S一25 JE21S一25 (700) (1000) (1350) 1阶固有频率 57．396 54．104 46．274 2阶固有频率 106．67 85．478 73．953 由以上振型图及导轨处变形曲线图可以N-出， 由于地脚螺栓的固定作用，工作台基本上没有振动 变形，振幅从工作台向机身顶部逐渐增大。工作台的 位移相对较小，最大位移发生在工作台正上方的机 身顶部及机身背部的倒角处，而工作台正上方的机 身变形将直接影响安装于其上的滑块的运动方向及 ———-| 23‘ 表4机身修改前后数据对比 修改前 修改后 ●■■—I —■■ l 三维模型图 ／ ．===】 ■ f 每 工程主视图 I r 1 LL—L L- 1600 有限元模型图 i f —j簟I 质量，g 242746．49 242598．49 (x=2．46，y=-743．23， (x=2．46， 一753．7 重心位置 。：一545．86) z=-571．01) 一阶频率 57．396 48．931 二阶频率 106．67 82．262 下，机身重心偏移量越大，其固有频率越小，更有力 地证明了上文得出的结论的正确性。 4．2小结 由于压力机机身的弹性模态频率应避开电动机 经常工作频率且低阶固有频率应避开压力机的工作 频率，使其基频较高，在规定频率范围内出现的振型 数目较少，并且结合压力机在使用环境下的实际激 振频率，通过结构设计使床身各阶模态频率尽可能 远离这些实际激振频率。所以利用我们得出的规律， 压力机机身设计时，在满足其他设计要求的同时，应 该尽量减小机身的重心偏移量，以达到增加其低阶 固有频率的目的，有效避免共振的可能性，并使其动 态性能更加优越。 5总结 (1)用Rayleigh法针对压力机重心偏移量对压 力机机身固有频率的影响关系进行了理论公式的推 导，并总结了前者影响后者的基本规律。 (2)用ANSYS有限元法证明了压力机机身重心 偏移量是影响其固有频率的重要因素之一，并通过 两次有限元计算对比分析，验证了二者之间的规律 关系。 (3)提出了在满足基本设计要求下进一步避免 压力机引起共振的理论方法，为压力机的设计研究 工作提供了重要的理论依据。 【参考文献】 [1]梁磊，赵迎祥，韩玉强，等．用瑞利法计算数控回转头压力机机 身固有频率叨．机床与液压，2008，(7)：62—64． [2】丁旺，丁学武，冯丙波．基于ANSYS的高速压力机模态分析[J]． 苏州科技学院学报(工程技术版)，2011，(1)：8l一83． [3]张鹏，韩世超，王兆娜．JG21—250A型压力机机身的有限元分 析及优化设计[J]．机械，2009，(12)：32—34． 『4J赵兰磊，何彦忠，陈文家，等．基于ANSYS与COSMOSXpress对 闭式压力机机身的有限元分析及优化fJ]．机械工程师，2011， (12)：101—104． [5]董宏斌，何灿口，张庆飞．数控精密成形压力机机身结构有限元 分析明．锻压装备与制造技术，2005，40(6)：30—32． [6】张义民．机械振动[M]．北京：清华大学出版社，2007． [71刘鸿文．材料力学[M】 E京：人民教育出版社，1981． [8】张贵成，阮卫平，符起贤．闭式单点压力机机身的有限元分析[J】． 锻压装备与制造技术，2009，44(1)：22—23． [91张献图，韩运侠，戴彦杰．求固有频率的一种简易方法[J]．洛阳师 专学报，1997，(2)：60-62． [1O】张益锋，夏亮，詹俊勇．J75G一200型闭式高速精密压力机机 身分析【J1．安徽水利水电职业技术学院学报，2011，(1)：8-10． The influence research of high-speed press gravity position on inherent frequency of frame SHI Lijun ，HE Yanzhong ，CHEN Wenjia (1．Mechanical Engineering College，Yangzhou University，Yangzhou 225127，Jiangsu China； Keywo