李波波 陳再良

摘? ?要：電動(dòng)工具電機(jī)的振動(dòng)，對(duì)操作者身體健康，工作效率和安全性等影響很大。本文在進(jìn)行角磨振動(dòng)測(cè)試的基礎(chǔ)上，提出以電機(jī)轉(zhuǎn)子固有頻率為目標(biāo)函數(shù)的自動(dòng)計(jì)算優(yōu)化。結(jié)合某型角磨振動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)Excel編程，求解電機(jī)系統(tǒng)的固有頻率，從而最高效便捷的完成角磨振動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)際制作安裝后進(jìn)行測(cè)試，角磨整體振動(dòng)由原設(shè)計(jì)的4.5m/s2降低到1.5m/s2，提高了操作舒適性。

關(guān)鍵詞：角磨轉(zhuǎn)子? 固有頻率? Excel編程? 優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH113.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）11（c）-0113-02

Abstract： Vibration effect of the power tool had a strong influence on the consumers health， the working efficiency and safety. The article proposed an automatic optimization design method for rotor system. The natural frequency parameters of rotor system were obtained by Excel program， and the goal of vibration decreasing was achieved.

Key Words： Grinder Rotor; Natural Frequency; Excel programming; Auto-optimizing Design

電動(dòng)工具在使用過(guò)程中，產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)人體會(huì)造成很大的傷害[1]。其中控制電機(jī)振動(dòng)最重要的是結(jié)合機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)速度來(lái)避開(kāi)轉(zhuǎn)子的共振。因此，能夠快速準(zhǔn)確的計(jì)算出轉(zhuǎn)子固有頻率顯得尤為重要。目前，很多研究者對(duì)轉(zhuǎn)子固有頻率的計(jì)算進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)：張春良[2]提出了一種新的計(jì)算系統(tǒng)一階固有預(yù)率的近似方法;周叮將參數(shù)優(yōu)化與瑞雷法相結(jié)合，迭代求解系統(tǒng)的各階固有頻率和振型，可達(dá)到任意要求的精度;然而目前轉(zhuǎn)子的固有頻率多通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取，即使采用有限元方法也很難將實(shí)際制造過(guò)程中繞組，滴漆等工藝的具體影響考慮在內(nèi)，因而無(wú)法得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

1? 原角磨振動(dòng)評(píng)價(jià)

1.1 角磨振動(dòng)評(píng)價(jià)原理

振動(dòng)是通過(guò)加速度來(lái)表示的，單位為米每秒平方? ? ? （m/s2）。EAV是歐洲標(biāo)準(zhǔn)中用于評(píng)價(jià)用戶(hù)每日可以操作手持式工具的時(shí)間，其公式如下：

EAV=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

ah即為手傳振動(dòng)加權(quán)后的振動(dòng)值。由公式可知，當(dāng)ah數(shù)值小于2.5m/s2時(shí)，用戶(hù)可以每日操作480min（即8h），所以我們期望我們所設(shè)計(jì)的角磨振動(dòng)小于2.5m/s2。

1.2 原角磨振動(dòng)測(cè)試

振動(dòng)測(cè)量三向均方根值4.5m/s2超過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)期2.5m/s2，為了查明振動(dòng)大的原因，進(jìn)一步對(duì)機(jī)器進(jìn)行掃頻測(cè)試。掃頻結(jié)果如圖1所示。

拆機(jī)后取出轉(zhuǎn)子，對(duì)其進(jìn)行掃頻分析，從轉(zhuǎn)子掃頻結(jié)果可知，轉(zhuǎn)子的固有頻率為630Hz，貼近機(jī)器的共振點(diǎn)。所以可以判斷共振是由轉(zhuǎn)子導(dǎo)致，因此需要優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，提高轉(zhuǎn)子剛度。

2? 轉(zhuǎn)子固有頻率優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 理論計(jì)算公式

對(duì)于無(wú)阻尼單自由度系統(tǒng)而言，其固有頻率計(jì)算公式如下[4]：

（2）

由公式可知，固有頻率只受剛度分布和質(zhì)量分布的影響，所以提高固有頻率主要從這兩方面入手。根據(jù)材料力學(xué)，我們知道剛度公式如下：

（3）

而極慣性矩I的計(jì)算如下：

（4）

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

將轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的關(guān)鍵影響因子-轉(zhuǎn)子軸徑，轉(zhuǎn)子疊片內(nèi)外徑和長(zhǎng)度，絕緣管厚度，軸承支撐間距，滴漆工藝等參數(shù)考慮在內(nèi)。根據(jù)固有頻率的理論計(jì)算公式得到如下的固有頻率快速計(jì)算方法。

2.3 新轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，為了節(jié)省模具更改帶來(lái)的成本增加和工作量，所以期望在最小變動(dòng)，成本相對(duì)耗費(fèi)少的基礎(chǔ)上來(lái)提高系統(tǒng)剛度。因此我們采取以下兩種措施：其一將轉(zhuǎn)子軸直徑增加1mm，其二改變疊片和轉(zhuǎn)子軸之間的連接剛度-將絕緣管優(yōu)化為注塑工藝。

優(yōu)化后，轉(zhuǎn)子固有頻率由601Hz提高到791Hz。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)表格的準(zhǔn)確性，再次對(duì)新設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子采取掃頻測(cè)試，新轉(zhuǎn)子掃頻測(cè)試結(jié)果為795Hz，與固有頻率理論計(jì)算值791Hz極為接近，所以進(jìn)一步驗(yàn)證了固有頻率計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

將新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子裝機(jī)并進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，得到振動(dòng)值為1.5m/s2，為原設(shè)計(jì)振動(dòng)的1/3，滿(mǎn)足了<2.5m/s2設(shè)計(jì)要求。

3? 總結(jié)

（1）提出了基于實(shí)驗(yàn)分析的角磨轉(zhuǎn)子固有頻率優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并驗(yàn)證了此方法的準(zhǔn)確性。

（2）全新設(shè)計(jì)（增加1mm轉(zhuǎn)子軸徑以及提高軸與疊片連接剛度）將振動(dòng)值降低為原來(lái)的1/3，提高了操作舒適性。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱強(qiáng)， 秦泳元. 人體工程學(xué)與電動(dòng)工具[J].電動(dòng)工具，2005（2）：1-10.

[2] 張春良.一種計(jì)算固有頻率的新方法[J].設(shè)計(jì)-計(jì)算，1995：24-27.