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        高速壓力機的動平衡分析與優(yōu)化

        2013-10-09 01:27:48齊齊哈爾二機床集團有限責(zé)任公司黑龍江161005余發(fā)國楊明川
        金屬加工(熱加工) 2013年21期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)化分析

        齊齊哈爾二機床(集團)有限責(zé)任公司 (黑龍江 161005) 余發(fā)國 楊明川

        高速壓力機工作時,其傳動機構(gòu)所產(chǎn)生的不平衡慣性力將在軸承中引起附加動壓力,不但會增大軸承處的摩擦與桿件中的內(nèi)應(yīng)力,降低機械效率和使用壽命,且由于慣性力大小和方向的周期性變化,將引起高速壓力機產(chǎn)生強迫振動,如果振幅較大,或頻率接近于機械本身的共振頻率,將引起惡劣的后果。本文針對J75型高速壓力機進行動平衡分析與優(yōu)化,以期將高速壓力機高速運動產(chǎn)生的不平衡慣性力加以平衡,從而減少慣性力的不良影響,提高高速壓力機品質(zhì)。

        1.模型建立

        利用Inventor軟件建立J75型高速壓力機三維實體模型,將該實體模型轉(zhuǎn)化為IGES格式的文件導(dǎo)入到ADAMS,在ADAMS中分別對主軸、連桿、配重塊、滑塊、活塞桿建立相應(yīng)的運動副,如圖1、圖2所示。

        圖1 高速壓力機虛擬樣機模型

        2.高速壓力機慣性力的確定

        高速壓力機在工作過程中的慣性力主要包括以下幾個方面:主軸高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心慣性力、滑塊上下往復(fù)運動產(chǎn)生的往復(fù)慣性力,以及連桿平面運動產(chǎn)生的慣性力。由于連桿運動的慣性計算較為復(fù)雜,傳統(tǒng)計算將其簡化,主要考慮前兩項,導(dǎo)致計算結(jié)果與實際有所差別。

        采用ADAMS軟件進行仿真,可以考慮所有運動部件在高速運動下的受力情況,從而保證了計算精度。

        圖2 單側(cè)平衡結(jié)構(gòu)示意

        3.高速壓力機的動平衡分析與優(yōu)化

        高速壓力機高速運動時作用在機座上的力較大,容易引起機床振動,進而限制高速壓力機轉(zhuǎn)速的提高。為進一步提高轉(zhuǎn)速,需降低或者消除傳動機構(gòu)作用在機座上的力。對于動平衡優(yōu)化有完全平衡法和近似平衡法兩種方法,完全平衡法要求的結(jié)構(gòu)空間較大,而近似平衡法的精度較低。以往設(shè)計一般采用單變量進行逐次優(yōu)化,如配重塊的質(zhì)量等,其優(yōu)化效果相對有限。為進一步提高優(yōu)化效果,在ADAMS中將平衡機構(gòu)的偏心距、連桿長度和配重塊質(zhì)量進行參數(shù)化,如圖2所示。

        在ADAMS中創(chuàng)建偏心距、連桿長度和配重塊質(zhì)量三個設(shè)計變量,其中偏心距的取值范圍根據(jù)其幾何形狀可定于0~32mm,在設(shè)計時選擇連桿長度為160mm,配置塊重345kg,參考以往設(shè)計經(jīng)驗和實際使用情況,設(shè)定連桿長度的取值范圍為160~600mm,配重塊重量的取值范圍為200~600kg。

        根據(jù)技術(shù)協(xié)議高速壓力機的轉(zhuǎn)速為600r/min,給定偏心距為30mm,連桿長度為160mm,配重塊重量為345kg,對壓力機進行時間為0.2s,步長為500運動學(xué)仿真。主軸和滑塊上受到的作用力將反映到機架上,其合力為引起機架振動的力,對高速壓力機進行仿真分析,得到如圖3所示的合力圖。

        圖3 優(yōu)化分析前機架所受合力

        由圖3可看出,在工作過程中,作用在機架上的最大力為200kN,最小力為25kN。其最大值和最小值之間的差值較大,機架易在工作中發(fā)生振動。根據(jù)高速壓力機的傳動結(jié)構(gòu)特點,減少運動部件作用在機架上的合力波動可減少高速壓力機的振動。由此可以將作用在機架上合力的方差最小作為主要的優(yōu)化目標(biāo),使機架的受力趨于恒定,從而減小振動。對高速壓力機進行優(yōu)化分析得到數(shù)據(jù),合力的方差從52559減少到2126.5,大幅減小作用在機架上合力的波動。取優(yōu)化結(jié)果:連桿長度為600mm,偏心距為15.1mm,配置塊重量為600kg,改變模型參數(shù)進行再次仿真分析,得機架所受合力如圖4所示??梢钥闯鰴C架所受最大力為23kN,最小力為17kN,與初始結(jié)果相比,機構(gòu)的慣性力波動得到了大幅減小。

        圖4 優(yōu)化分析后機架所受合力

        若單純采用改變配重塊質(zhì)量的方法效果并不理想,當(dāng)偏心距和連桿長度不變時,在原結(jié)構(gòu)上將配重塊質(zhì)量分別設(shè)為600kg、345kg及200kg時分析結(jié)果如圖5所示。分析結(jié)果表明當(dāng)偏心距和連桿長度不變時僅改變配重塊質(zhì)量,機架受到合力的波動遠大于優(yōu)化后的結(jié)果。

        圖5 配重塊重分別為600kg、345kg及200kg時合力示意

        4.結(jié)語

        對現(xiàn)有J75型高速壓力機,僅改變其配重塊質(zhì)量,經(jīng)分析得到運動部件作用在機架上的合力波動仍較大,因此其速度提升受到一定限制,而將其偏心距、連桿長度及配重塊質(zhì)量三個參數(shù)同時作為優(yōu)化變量,以運動部件作用在機架上的合力波動最小作為優(yōu)化目標(biāo),優(yōu)化后得出運動部件作用在機架上的力明顯減小,具有一定意義。

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