摘 要：本文理論聯(lián)系實(shí)際，對(duì)凸輪式拋光磨頭生產(chǎn)及使用中常見(jiàn)的故障現(xiàn)象進(jìn)行了原因分析，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)及使用有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：拋光磨頭；故障機(jī)理；信號(hào)采集；功率譜分析；間隙；沖擊

1 引 言

KD268C拋光磨頭是科達(dá)機(jī)電陶瓷拋光機(jī)的重要配套部件，其結(jié)構(gòu)原理為凸輪驅(qū)動(dòng)磨腳擺動(dòng)。該款磨頭以其工作可靠、效率高、維護(hù)簡(jiǎn)便而得到廣泛應(yīng)用。但是，該款磨頭出廠初期（跑合期內(nèi)）易產(chǎn)生振動(dòng)，該問(wèn)題曾是長(zhǎng)期困擾拋光機(jī)的一大技術(shù)難題。

2 拋光磨頭產(chǎn)生振動(dòng)的原因分析

2.1旋轉(zhuǎn)體的振動(dòng)機(jī)理

作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零部件，可統(tǒng)稱為回轉(zhuǎn)體或轉(zhuǎn)子。在理想狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)時(shí)與不回轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)軸承產(chǎn)生的壓力是一樣的，這樣的回轉(zhuǎn)體是平衡回轉(zhuǎn)體。但工程實(shí)際中的回轉(zhuǎn)體，由于材質(zhì)不均或毛坯缺陷、加工及裝配產(chǎn)生的誤差，甚至設(shè)計(jì)時(shí)就具有非對(duì)稱的幾何形狀等多種因素，使得回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)微小質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的離心慣性力不能相互抵消，而離心慣性力又會(huì)加劇自身的變形，通過(guò)軸承作用到機(jī)器上，從而引起振動(dòng)。

2.2磨頭振動(dòng)分析

圖1是回轉(zhuǎn)體振動(dòng)分析時(shí)的物理模型。設(shè)其質(zhì)量為m，質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)軸線的偏心距為e，角速度為ω，則其激振力為：f（t）=meω2sinωt。對(duì)簡(jiǎn)單的剛體旋轉(zhuǎn)體，可用此精確描述其動(dòng)力學(xué)特性，如生產(chǎn)中廣泛使用的慣性激振器等。

圖2為KD268C拋光磨頭，該研究對(duì)象內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是完全對(duì)稱的，且所有零件表面都經(jīng)過(guò)機(jī)械加工或精密鑄造，基本上是平衡的。實(shí)際生產(chǎn)中可能存在的零件材質(zhì)不均、零件加工及裝配誤差的存在，因此嚴(yán)格意義上它又確是一個(gè)非均質(zhì)體。但這種不均勻性對(duì)實(shí)際使用影響有多大？究竟是不是產(chǎn)品故障的主要根源？當(dāng)時(shí)確有很多意見(jiàn)認(rèn)為出廠前平衡處理是關(guān)鍵。在實(shí)際使用中，我們注意到：產(chǎn)品空載運(yùn)行（不磨磚）時(shí)無(wú)振動(dòng)現(xiàn)象，一部分產(chǎn)品在運(yùn)行一段時(shí)間后振動(dòng)還可自行消除；更有趣的是：有些振動(dòng)磨頭去掉一個(gè)磨塊后，反而沒(méi)有了振動(dòng)，可見(jiàn)質(zhì)量分布不均在這里并非主要矛盾。

在分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)問(wèn)題時(shí)，需根據(jù)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零部件的剛度及相關(guān)尺寸，將其視為剛體或彈性體，建立不同的運(yùn)動(dòng)方程，采用不同分析方法，從而采取相應(yīng)的解決措施。如短粗軸上的齒輪或飛輪，可將其視為剛體，一般來(lái)說(shuō)，解決平衡問(wèn)題即可；而細(xì)長(zhǎng)軸上的齒輪或飛輪，則不能視為剛體，需要進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速或扭振分析等。

在實(shí)際生產(chǎn)中，磨頭振動(dòng)與外部相關(guān)部件往往有密切關(guān)系，要解決振動(dòng)問(wèn)題不能孤立地僅關(guān)注磨頭本身，而需要進(jìn)行整體分析。

圖3是拋光磨頭工作時(shí)的整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)通過(guò)上部皮帶輪、傳動(dòng)軸及聯(lián)接法蘭傳至磨頭，從而使磨頭旋轉(zhuǎn)。上下兩軸承是支承系統(tǒng)，下端軸承至磨塊工作面是系統(tǒng)懸伸長(zhǎng)度。工作過(guò)程中，磨塊受載不可能完全對(duì)稱，由于軸承不可避免地有間隙存在，工作時(shí)可能產(chǎn)生圖4的情況。故系統(tǒng)中考慮了設(shè)置輔助支承，如圖3中的固定筒，開(kāi)機(jī)前調(diào)試必須將固定筒找正后將壓緊塊鎖緊。實(shí)際生產(chǎn)中的很多振動(dòng)情況就是因此處未調(diào)節(jié)好而引起的。

另一個(gè)要注意的問(wèn)題是，磨頭上部必須與機(jī)架工作面垂直，如果傾斜，會(huì)使磨頭工作時(shí)受載不均，導(dǎo)致系統(tǒng)振動(dòng)，如圖5。

3磨頭振動(dòng)的解決措施

在實(shí)際生產(chǎn)中，振動(dòng)問(wèn)題解決并非如此簡(jiǎn)單。很多情況都可能引起振動(dòng)，既有產(chǎn)品自身的，也有外部的，且?guī)в泻艽蟮碾S機(jī)性及不確定性，如何在錯(cuò)綜復(fù)雜的現(xiàn)象中找出本質(zhì)性的規(guī)律？以及在相同外界條件情況下，提高產(chǎn)品自身抵抗外界干擾的能力，使產(chǎn)品穩(wěn)定性有一個(gè)根本性的改善，是擺在我們面前必須解決的問(wèn)題。

通常解決工程振動(dòng)有兩種方法：一種是解析的方法，通過(guò)建立理論模型的運(yùn)動(dòng)微分方程組，從而達(dá)到解決振動(dòng)問(wèn)題的目的，如與航空航天密切相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)；另一種是工程測(cè)試的方法，通過(guò)某種激勵(lì)的方法使系統(tǒng)產(chǎn)生一定的振動(dòng)響應(yīng)，或通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，利用有關(guān)儀器設(shè)備直接得到系統(tǒng)的響應(yīng)，從而使對(duì)振動(dòng)問(wèn)題的主要根源做出準(zhǔn)確判斷，達(dá)到解決問(wèn)題的目的。而后者就是隨著電子、信息技術(shù)不斷發(fā)展而日臻成熟的現(xiàn)代診斷技術(shù)。

在解決拋光磨頭振動(dòng)問(wèn)題時(shí)，我們借助科研院校的力量對(duì)產(chǎn)品行了全面分析，將產(chǎn)品抽象成相應(yīng)的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型，對(duì)其固有頻率、主振型進(jìn)行了計(jì)算，運(yùn)用現(xiàn)代診斷手段，采用時(shí)域法、頻域法（功率譜分析）對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析，診斷出故障主要來(lái)源于系統(tǒng)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)部分。

擺動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)工作原理如圖6、圖7所示，在磨盤公轉(zhuǎn)的同時(shí)，通過(guò)差動(dòng)輪系，使凸輪相對(duì)磨盤產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于凸輪1曲面高低起伏變化，通過(guò)主動(dòng)滾輪2驅(qū)動(dòng)主動(dòng)擺桿3(三個(gè))往復(fù)擺動(dòng);主動(dòng)擺桿通過(guò)從動(dòng)滾輪4、球面螺釘5又驅(qū)動(dòng)被動(dòng)擺桿6(三個(gè))往復(fù)擺動(dòng)。

這里有兩個(gè)工作面，一個(gè)是主動(dòng)滾輪與凸輪曲面接觸面；另一個(gè)是從動(dòng)滾輪與球面螺釘?shù)慕佑|面。特點(diǎn)：這兩處傳遞驅(qū)動(dòng)力的同時(shí)，又有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。從傳力的角度考慮，接觸面要緊密，不應(yīng)該有間隙，否則會(huì)引起運(yùn)動(dòng)沖擊；而從運(yùn)動(dòng)的角度考慮，要有一定間隙，否則運(yùn)動(dòng)阻力太大也會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)。

狀態(tài)要求：在保證能正常運(yùn)動(dòng)的條件下，間隙盡可能小。間隙包括兩個(gè)方面：一個(gè)是大小，另一個(gè)是均勻性。

凸輪曲面與主動(dòng)滾輪間隙（圖6、圖7，間隙2）：大小由裝配調(diào)節(jié)保證，而均勻性由設(shè)計(jì)及加工控制。設(shè)計(jì)方面的要求是，凸輪曲線必須是共軛曲線，如圖8，兩滾輪在任何位置都能可靠接觸，當(dāng)然，擺桿相關(guān)參數(shù)也必須合適。

從動(dòng)滾輪與球面螺釘?shù)慕佑|面間隙（圖6、圖7，間隙1）、大小及均勻性都需要出廠調(diào)試保證。為什么這兩處間隙對(duì)磨頭振動(dòng)有如此大的影響呢？

圖9為常見(jiàn)的刨床刀具安裝圖，工作時(shí)刀柄務(wù)必鎖緊，否則就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，使得機(jī)床無(wú)法正常工作。不僅如此，所有機(jī)床加工時(shí)刀柄均必須如此。

拋光磨頭磨塊也相當(dāng)于切削刀具，如圖10，主動(dòng)擺桿磨塊部分相當(dāng)于刀刃，而支點(diǎn)O（擺軸）與兩滾輪N1、N2處相當(dāng)于刀柄，為使其能正常工作，N1、N2、O必須穩(wěn)固，達(dá)到這個(gè)要求的基本前提是：兩滾輪要與凸輪可靠接觸。單從支點(diǎn)穩(wěn)定性角度出發(fā)，兩點(diǎn)卡得越緊越好，但由于工作過(guò)程中凸輪與主動(dòng)滾輪是有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的（凸輪旋轉(zhuǎn)），卡得太緊使運(yùn)動(dòng)阻力增加，會(huì)引起振動(dòng)。同理，被動(dòng)擺桿球面螺釘與從動(dòng)滾輪也是如此，如圖11。從振動(dòng)理論角度分析，支點(diǎn)剛性是影響系統(tǒng)固有頻率的重要參數(shù)，且往往很難具體量化。