李海虹, 王 菲
(太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,太原 030024)
機(jī)床電主軸作為數(shù)控機(jī)床核心功能部件之一,其動(dòng)力學(xué)特性是確保其高速穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素,實(shí)現(xiàn)電主軸動(dòng)力學(xué)精細(xì)化建模研究具有重要意義。電主軸將機(jī)床主軸與電機(jī)融合,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型不易求解或采用簡(jiǎn)化建模[1]。而統(tǒng)計(jì)能量分析理論利用統(tǒng)計(jì)方法將復(fù)雜的數(shù)理方程轉(zhuǎn)為代數(shù)方程求解,從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的分析,目前已廣泛應(yīng)用于航空、航天研究領(lǐng)域的振動(dòng)問(wèn)題求解。
統(tǒng)計(jì)能量方法分析的關(guān)鍵參數(shù)有模態(tài)密度,內(nèi)損耗因子和耦合損耗因子。目前針對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行了許多研究,涉及理論計(jì)算或與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法進(jìn)行參數(shù)獲取。如張永杰等[2]研究了基于脈沖激勵(lì)的內(nèi)損耗因子獲取方法。Zhao等[3]利用有限元計(jì)算空間和頻域平均的子系統(tǒng)能量比完成耦合損耗因子研究。巨樂(lè)等[4]提出用總損耗因子代替內(nèi)損耗因子方法解決實(shí)際工程中子系統(tǒng)不可分離問(wèn)題等。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu),科學(xué)合理的試驗(yàn)方法將更可能獲取最接近實(shí)際結(jié)構(gòu)的參數(shù)。如Lin等[5]試驗(yàn)研究了穩(wěn)態(tài)激勵(lì)功率輸入法獲取損耗因子。由于穩(wěn)態(tài)激勵(lì)方法需要較高的實(shí)驗(yàn)條件,而且參數(shù)估計(jì)算法需要依靠較多的假設(shè)條件才能完成,周鳳敏等[6]推導(dǎo)了瞬態(tài)激勵(lì)條件下系統(tǒng)能量平衡 方程,建立了多結(jié)構(gòu)耦合統(tǒng)計(jì)能量模型,并證明了其瞬態(tài)能量平衡方程合理性。張紅亮等[7]通過(guò)瞬態(tài)激勵(lì)實(shí)驗(yàn)研究了1/3倍頻程分析中心頻率內(nèi)損耗因子。但是,目前通過(guò)瞬態(tài)激勵(lì)條件下均值導(dǎo)納測(cè)得能量比,并用于耦合損耗因子的研究尚未有相關(guān)文獻(xiàn)記載。
本文針對(duì)部分不易拆卸的高速主軸系統(tǒng),引入總損耗因子等效其內(nèi)損耗因子,綜合瞬態(tài)激勵(lì)條件下均值導(dǎo)納法和瞬態(tài)能量平衡方程,測(cè)量?jī)蓤A柱殼體耦合損耗因子,并與理論均值導(dǎo)納對(duì)比驗(yàn)證瞬態(tài)激勵(lì)條件下其試驗(yàn)理論的可行性。
耦合系統(tǒng)內(nèi)損耗因子是反映子系統(tǒng)阻尼特性的量,是系統(tǒng)在單位頻率內(nèi)的損耗能量與平均存儲(chǔ)能量比值,為系統(tǒng)固有特性,只與材料特性有關(guān)。用于測(cè)試分析頻帶內(nèi)平均內(nèi)損耗因子的方法通常由穩(wěn)態(tài)能量流法和瞬態(tài)衰減法[8]。瞬態(tài)衰減法測(cè)試頻段寬,測(cè)試精度高,易于操作等優(yōu)點(diǎn)得到普遍應(yīng)用[9]。瞬態(tài)激勵(lì)為寬頻帶激勵(lì),損耗因子是與分析頻率相關(guān)參數(shù),但不必求得每一頻率的損耗因子,因此一般多采用1/3倍頻程分析頻域,只需計(jì)算1/3倍頻程中心處的內(nèi)損耗因子[10]。當(dāng)響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)1/3倍頻程濾波器截取各段1/3倍頻程頻域信號(hào),通過(guò)Hilbert變換得響應(yīng)解析信號(hào)的實(shí)信號(hào)包絡(luò)取對(duì)數(shù)更清楚反映信號(hào)幅值衰減趨勢(shì)。在實(shí)際測(cè)量中,衰減率δsn隨時(shí)間變化會(huì)出現(xiàn)明顯分段現(xiàn)象,在獲取衰減率δsn中數(shù)據(jù)的選擇、分段等總會(huì)帶有主觀性,對(duì)測(cè)量結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的誤差。此時(shí)需將相應(yīng)N分段衰減率δsn進(jìn)行算術(shù)平均,進(jìn)而獲得加速度響應(yīng)信號(hào)包絡(luò)對(duì)數(shù)曲線衰減率計(jì)算各段1/3中心頻率處fc平均內(nèi)損耗因子ηsi關(guān)系式
(1)
(2)
式中:δsn為1/3倍頻程響應(yīng)點(diǎn)加速度包絡(luò)對(duì)數(shù)曲線第n段內(nèi)損耗衰減率;Asn(t1),Asn(t2)為第n段內(nèi)損耗衰減率始末點(diǎn)幅值;ηsi為i子系統(tǒng)1/3倍頻程平均內(nèi)損耗因子;fc為1/3倍頻程分析帶寬中心頻率。
瞬態(tài)衰減法測(cè)量子系統(tǒng)內(nèi)損耗因子ηsi試驗(yàn)理論同樣適用于測(cè)量子系統(tǒng)總損耗因子ηTsi。與其區(qū)別之處在于測(cè)量條件的要求: 總損耗因子ηTsi主要針對(duì)多系統(tǒng)裝配體而言,激勵(lì)其一子系統(tǒng)測(cè)得等效內(nèi)損耗因子。對(duì)于測(cè)量子系統(tǒng)內(nèi)損耗因子ηsi時(shí),須使其水平自由懸掛,自由邊界條件下可忽略子系統(tǒng)邊界損耗因子,減少邊界條件對(duì)能量傳遞的影響,便可解除子系統(tǒng)間耦合而獨(dú)立測(cè)量; 對(duì)于測(cè)量總損耗ηTsi因子時(shí),將耦合系統(tǒng)水平自由懸掛,脈沖外力依次激勵(lì)子系統(tǒng)i時(shí),采集子系統(tǒng)i上響應(yīng)點(diǎn)加速度信號(hào)并計(jì)算總損耗因子ηTsi。
(3)
(4)
式中:ηTsn為1/3倍頻程響應(yīng)點(diǎn)加速度包絡(luò)對(duì)數(shù)曲線第n段總損耗衰減率;ATsn(t1),ATsn(t2)為第n段總損耗衰減率始末點(diǎn)幅值;ηTsi為子系統(tǒng)i的1/3倍頻程平均總損耗因子。
均值導(dǎo)納表示子系統(tǒng)間的振動(dòng)能量比,綜合了統(tǒng)計(jì)能量分析法和導(dǎo)納法的優(yōu)點(diǎn),克服了經(jīng)典統(tǒng)計(jì)能量分析法假設(shè)條件的局限性。耦合子系統(tǒng)能量比是當(dāng)其一子系統(tǒng)受到外部激勵(lì)時(shí),兩個(gè)子系統(tǒng)的振動(dòng)能量比值同時(shí)表示振動(dòng)能量在整個(gè)耦合系統(tǒng)中的傳遞特性。同一子系統(tǒng)上任意兩點(diǎn)的傳遞導(dǎo)納可以用平均傳遞導(dǎo)納表示,同一連接處的輸入點(diǎn)導(dǎo)納也可以用平均輸入點(diǎn)導(dǎo)納來(lái)近似。對(duì)于一個(gè)子系統(tǒng)的平均輸入點(diǎn)導(dǎo)納和平均傳遞點(diǎn)導(dǎo)納僅僅表示子系統(tǒng)本身的特性,因此同樣須要解除與其相鄰子系統(tǒng)耦合而獨(dú)立測(cè)量。根據(jù)均值導(dǎo)納法求子系統(tǒng)能量比表達(dá)式[11]
(5)
(6)
式中:E21為僅當(dāng)子系統(tǒng)1受瞬態(tài)激勵(lì)時(shí),子系統(tǒng)2與子系統(tǒng)1的平均能量之比值E2/E1;E12為僅當(dāng)子系統(tǒng)2受瞬態(tài)激勵(lì)時(shí),子系統(tǒng)1與子系統(tǒng)2的平均能量之比值E1/E2;n1,n2為子系統(tǒng)1,2分析頻帶中心頻率fc平均模態(tài)密度;G1,G2為子系統(tǒng)1,2輸入點(diǎn)力導(dǎo),量值上等于輸入點(diǎn)導(dǎo)納實(shí)部;Y1,Y2為子系統(tǒng)1,2連接處的輸入點(diǎn)均值導(dǎo)納;y1,y2為子系統(tǒng)1,2傳遞點(diǎn)均值導(dǎo)納;M為獨(dú)立連接點(diǎn)個(gè)數(shù)。
在試驗(yàn)測(cè)量分析頻帶中心頻率fc的均值輸入點(diǎn)導(dǎo)納時(shí), 通過(guò)瞬時(shí)激勵(lì)力自功率譜Sff(fc)與相應(yīng)加速度互功率譜Sfa(fc)比值求得精度高于通過(guò)激勵(lì)力與響應(yīng)速度比值,因此試驗(yàn)測(cè)得輸入點(diǎn)均值導(dǎo)納Ysi公式[12]
(7)
同樣,試驗(yàn)測(cè)得均值傳遞點(diǎn)導(dǎo)納ysi公式
(8)
分析頻帶中心頻率fc的模態(tài)密度ni公式[13]
ni=4miRe{Yi},i=1,2
(9)
式中:mi為子系統(tǒng)i的質(zhì)量。
耦合損耗因子與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式和結(jié)合面連接形式密切相關(guān),是統(tǒng)計(jì)能量分析中唯一用于表示耦合系統(tǒng)間功率流傳遞和耗散的重要參數(shù)。區(qū)別內(nèi)損耗因子ηsi和總損耗因子ηTsi之處在于: 耦合損耗因子ηij針對(duì)耦合系統(tǒng)而言,主要用來(lái)表示連接處的振動(dòng)能量損耗。瞬態(tài)激勵(lì)下耦合系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)能量分析的平衡方程與穩(wěn)態(tài)激勵(lì)下能量平衡方程形式類似,瞬態(tài)激勵(lì)主要以功率流的形式來(lái)表示,不同激勵(lì)方式能量流動(dòng)不同,子系統(tǒng)間能量比就不同,通過(guò)式(2)~ 式(4)測(cè)得子系統(tǒng)i總損耗因子ηTsi和內(nèi)損耗因子ηsi, 一般情況下耦合損耗因子η12≠η21, 則可由瞬態(tài)能量平衡方程
(10)
(11)
(12)
由式(10)~式(12)得簡(jiǎn)化瞬態(tài)能量平衡方程
ηTs1=2(ηs1+η12-η21E21)
(13)
ηTs2=2(ηs2-η12E12-η21)
(14)
將式(13)、式(14)簡(jiǎn)化整理得耦合損耗因子并轉(zhuǎn)換為噪聲(聲壓)級(jí)dB表達(dá)式
(15)
(16)
式中:p0為噪聲基準(zhǔn)(聲壓)級(jí)。
瞬態(tài)激勵(lì)試驗(yàn)研究對(duì)象為兩子系統(tǒng)耦合結(jié)構(gòu)-小型高速電主軸,其子系統(tǒng)1為由轉(zhuǎn)子、定子、筒體組成多結(jié)構(gòu)裝配且不可拆卸的高速電主軸主體,以測(cè)量其總損耗因子等效為子系統(tǒng)1內(nèi)損耗因子ηs1[14];子系統(tǒng)2為單結(jié)構(gòu)的圓柱殼體端蓋, 其內(nèi)損耗因子ηs2必須要求與子系統(tǒng)1解除耦合而獨(dú)立測(cè)量。以子系統(tǒng)2為例說(shuō)明,試驗(yàn)采用高彈性橡皮繩系子系統(tǒng)2兩端使其水平懸吊處于自由邊界條件下測(cè)量?jī)?nèi)損耗因子ηs2。瞬態(tài)激勵(lì)試驗(yàn)方案及試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示,子系統(tǒng)2體積較小,圓周環(huán)形均布了4×1個(gè)激勵(lì)點(diǎn),多點(diǎn)激勵(lì)一點(diǎn)響應(yīng)方式順序多次激勵(lì),力傳感器采集瞬態(tài)激勵(lì)力信號(hào),加速度傳感器采集響應(yīng)點(diǎn)加速度信號(hào)。
圖1 瞬態(tài)激勵(lì)試驗(yàn)方案及試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Transient excitation test scheme and test equipment
瞬態(tài)激勵(lì)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)搭建如圖2所示,首先錘擊分布在子系統(tǒng)2圓周面上一激勵(lì)點(diǎn),以觸發(fā)激勵(lì)方式開(kāi)始采樣,采樣頻率20 kHz采集8 192個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn),加速度傳感器采集響應(yīng)信號(hào)經(jīng)電荷放大器、數(shù)據(jù)分析儀通道傳輸?shù)椒治鲕浖崛№憫?yīng)點(diǎn)加速度數(shù)據(jù),導(dǎo)入MATLAB軟件消除直流分量、50 Hz工頻項(xiàng)等信號(hào)數(shù)據(jù)預(yù)處理,如圖3所示。
圖2 瞬態(tài)激勵(lì)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖Fig.2 Transient excitation test site layout
圖3 子系統(tǒng)1響應(yīng)點(diǎn)加速度時(shí)域信號(hào)Fig.3 Response point acceleration time domainsignal of the subsystem 1
以分析頻帶中心頻率fc=1 000 Hz為例,通過(guò)1/3倍頻程帶通濾波截取各頻段信號(hào),經(jīng)Hilbert變換得解析信號(hào)包絡(luò),對(duì)相應(yīng)頻段內(nèi)包絡(luò)解析信號(hào)幅值取對(duì)數(shù)lnAsn(t)如圖4所示其衰減率δsn出現(xiàn)明顯分段現(xiàn)象,根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算瞬態(tài)衰減包絡(luò)曲線衰減率δsn再取算術(shù)平均值。
圖4 解析響應(yīng)信號(hào)包絡(luò)取對(duì)數(shù)ln Asn(t)Fig.4 Parse the response signal envelope to takethe logarithm ln Asn(t)
按照上述瞬態(tài)激勵(lì)試驗(yàn)過(guò)程,依次多次激勵(lì)不同激勵(lì)點(diǎn)分析相對(duì)應(yīng)加速度響應(yīng)求得平均子系統(tǒng)i內(nèi)損耗因子ηsi。如圖5測(cè)量數(shù)據(jù)顯示可得出子系統(tǒng)i內(nèi)損耗因子ηsi多分布在10-4~10-3量級(jí)且總體趨勢(shì)隨中心頻率fc增大而降低。
圖5 子系統(tǒng)i內(nèi)損耗因子ηsiFig.5 The damping loss factors ηsiof subsystem i
將子系統(tǒng)1與子系統(tǒng)2由4個(gè)螺栓緊固連接,兩端自由懸吊,以子系統(tǒng)1總損耗因子測(cè)量過(guò)程為例,正如總損耗因子ηTs1試驗(yàn)測(cè)量圖6所示,在子系統(tǒng)1圓周面布置4×4個(gè)激勵(lì)點(diǎn),同樣多點(diǎn)激勵(lì)一響應(yīng),依次瞬態(tài)激勵(lì)子系統(tǒng)1上分布點(diǎn),獲取響應(yīng)點(diǎn)數(shù)據(jù),同測(cè)量子系統(tǒng)內(nèi)i損耗因子ηsi過(guò)程。根據(jù)式(3)、式(4)分析計(jì)算子系統(tǒng)i總損耗因子ηTsi,如圖7所示。
圖6 子系統(tǒng)1總損耗因子ηTs1試驗(yàn)測(cè)量圖Fig.6 The total loss factor ηTs1test instrumentationof subsystem 1
圖7 子系統(tǒng)i總損耗因子ηTsiFig.7 Subsystem i the total loss factor ηTsi
正如圖7測(cè)量數(shù)據(jù)所示子系統(tǒng)i總損耗因子同樣分布在10-4~10-3量級(jí)且總體趨勢(shì)是隨中心頻率fc增大而降低。根據(jù)穩(wěn)態(tài)激勵(lì)條件下功率流平衡方程[16],只當(dāng)子系統(tǒng)1受激勵(lì)時(shí)
(17)
穩(wěn)態(tài)內(nèi)損耗因子ηsi作為總損耗因子ηTsi算術(shù)和的一部分, 子系統(tǒng)總損耗因子ηTsi總是大于子系統(tǒng)內(nèi)損耗因子ηsi; 而根據(jù)瞬態(tài)激勵(lì)條件下功率流平衡方程,只當(dāng)子系統(tǒng)1受激勵(lì)時(shí)
(18)
式中: 瞬態(tài)子系統(tǒng)總損耗因子ηTsi與內(nèi)損耗因子ηsi不存在絕對(duì)大小關(guān)系, 須考慮子系統(tǒng)內(nèi)損耗因子ηsi之間的參數(shù)大小。
根據(jù)瞬態(tài)能量平衡方程式(13)、式(14)可知,耦合損耗因子的求解子系統(tǒng)振動(dòng)能量比的獲取是關(guān)鍵所在。由均值導(dǎo)納法及經(jīng)典機(jī)械導(dǎo)納理論主要包括輸入點(diǎn)導(dǎo)納和傳遞點(diǎn)導(dǎo)納,反映了單位力單點(diǎn)激勵(lì)下結(jié)構(gòu)上某點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)特性。特定結(jié)構(gòu)有其特定的導(dǎo)納代表本身特性,在試驗(yàn)過(guò)程中,可以解除耦合獨(dú)立測(cè)量,對(duì)于大多數(shù)機(jī)械結(jié)構(gòu),試驗(yàn)測(cè)量其子系統(tǒng)傳遞點(diǎn)導(dǎo)納ysi遠(yuǎn)小于輸入點(diǎn)導(dǎo)納Ysi[17],通過(guò)試驗(yàn)也證實(shí)了此理論,因此均值導(dǎo)納法求子系統(tǒng)能量比式(5)、式(6)可簡(jiǎn)化為以子系統(tǒng)1為例說(shuō)明,均值導(dǎo)納的引入極大的簡(jiǎn)化試驗(yàn)的繁瑣程度,子系統(tǒng)1與子系統(tǒng)2間用4個(gè)螺釘緊固連接,可視為多點(diǎn)連接的情況,僅僅通過(guò)依次激勵(lì)子系統(tǒng)1螺釘連接處分布的4個(gè)激勵(lì)點(diǎn),測(cè)得響應(yīng)點(diǎn)加速度響應(yīng)信號(hào),同時(shí)通過(guò)力傳感器測(cè)得力信號(hào),根據(jù)式(7)計(jì)算輸入點(diǎn)均值導(dǎo)納Ysi。
(19)
(20)
表1 子系統(tǒng)耦合損耗因子計(jì)算參數(shù)
在理論分析圓柱殼體的耦合損耗因子時(shí),須考慮曲率對(duì)其的影響,以環(huán)頻率fr為分析圓柱殼體耦合損耗因子臨界頻率點(diǎn)。環(huán)頻率之前,輸入點(diǎn)均值導(dǎo)納隨頻率增大,環(huán)頻率之后,輸入點(diǎn)均值導(dǎo)納趨于穩(wěn)定,理論預(yù)測(cè)圓柱殼體輸入點(diǎn)導(dǎo)納YLi[18]表達(dá)式
(21)
(22)
(23)
(24)
式中:CL為子系統(tǒng)縱向波速;hi為子系統(tǒng)i殼體厚度;Mi為子系統(tǒng)i彎曲剛度。
根據(jù)表1子系統(tǒng)參數(shù)及式(21)~式(24)理論預(yù)測(cè)輸入點(diǎn)均值導(dǎo)納YLi, 并與試驗(yàn)測(cè)量值Ysi對(duì)比如圖8所示, 瞬態(tài)激勵(lì)條件下測(cè)量的1/3倍頻程中心頻率fc的子系統(tǒng)輸入點(diǎn)均值導(dǎo)納Ysi總體趨勢(shì)沿著理論預(yù)測(cè)值YLi趨勢(shì)上下波動(dòng),驗(yàn)證輸入點(diǎn)均值導(dǎo)納瞬態(tài)試驗(yàn)測(cè)量的正確性。
最后將瞬態(tài)試驗(yàn)測(cè)得均值導(dǎo)納值Ysi與理論預(yù)測(cè)值YLi代入由瞬態(tài)能量平衡方式推導(dǎo)的系統(tǒng)耦合損耗因子η12,η21表達(dá)式(15)、式(16)計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10所示。
圖8 子系統(tǒng)i輸入點(diǎn)均值導(dǎo)納試驗(yàn)與理論預(yù)測(cè)值對(duì)比圖Fig.8 The average admittances of input point the lossfactors between test and theory of subsystem i
圖9 瞬態(tài)試驗(yàn)與理論預(yù)測(cè)耦合損耗因子η12Fig.9 The coupling loss factors η12betweentransient test and theory predicting
圖10 瞬態(tài)試驗(yàn)與理論預(yù)測(cè)耦合損耗因子η21Fig.10 The coupling loss factor η21betweentransient test and theory predicting
根據(jù)瞬態(tài)試驗(yàn)測(cè)得1/3倍頻程分析中心頻率fc耦合損耗因子η12,η21與理論預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)比,上下波動(dòng)趨勢(shì)保持一致,平均誤差小于5 dB,驗(yàn)證了瞬態(tài)激勵(lì)條件下測(cè)量耦合損耗因子試驗(yàn)理論的可行性。
本文提出了瞬態(tài)條件下利用均值導(dǎo)納和瞬態(tài)能量平衡方程預(yù)測(cè)耦合損耗因子的試驗(yàn)方法,并通過(guò)理論對(duì)比驗(yàn)證了該方法的可行性,得到以下結(jié)論:
(1) 該方法試驗(yàn)驗(yàn)證了瞬態(tài)激勵(lì)條件下利用均值導(dǎo)納法和瞬態(tài)能量平衡方程預(yù)測(cè)耦合損耗因子的試驗(yàn)理論的合理性,克服了傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)激勵(lì)條件下,試驗(yàn)不易進(jìn)行且過(guò)多引入傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)能量分析的假設(shè)條件等不足。
(2) 瞬態(tài)激勵(lì)試驗(yàn)過(guò)程可充分利用瞬態(tài)衰減法、均值導(dǎo)納法的快速、簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)并避免了穩(wěn)態(tài)激勵(lì)試驗(yàn)過(guò)程中隨時(shí)間變化的響應(yīng)信號(hào)便宜而產(chǎn)生的較大誤差。
(3) 鑒于瞬態(tài)激勵(lì)下的耦合圓柱殼體振動(dòng)特性復(fù)雜,為了避免隨機(jī)誤差造成的1/3倍頻程分析帶寬中心頻率處的統(tǒng)計(jì)能量參數(shù)值產(chǎn)生較大波動(dòng),采用多次測(cè)量取平均值的方式能夠有效提高試驗(yàn)分析的精度。
(4) 該方法可以高效、高精度的預(yù)測(cè)耦合損耗因子,為高速數(shù)控機(jī)床電主軸統(tǒng)計(jì)能量分析模型振動(dòng)系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)及主動(dòng)控制系統(tǒng)響應(yīng)提供有效數(shù)據(jù)參考。