高速压力机的振动分析与控制

高速压力机的振动分析与控制

高速压力机的振动分析与控制江宝明，周星源，周玉香，杨洋，裴海涵（扬州锻压机床股份有限公司，江苏扬州225128）摘要：随着电子、通讯、计算机、家电及汽车工业的迅猛发展，冲压零件的需求量迅速增长，推动了高速压力机的普及应用。而压力机在运行过程中，不可避免会产生振动和噪声。本文着重分析高速压力机产生振动的原因及隔振措施，希望对压力机生产商的设计制造提供参考。关键词：高速压力机；振动；隔振；控制高速压力机具有速度快、精度好、自动化程度高、安全性好等优点，在现代金属冲压加工作业中应用日益广泛。高速压力机比普通压力机行程次数高，一般在200～1000min-1，因此在运行过程中产生的振动及噪声也相应增加，往往对周围环境造成不利影响。研究表明，长期在强振动压力机旁工作的人，在生理上会影响消化系统、听觉系统，并导致呕吐、头昏和中枢神经系统紊乱等现象；在心理上则会使人产生疲倦、心情慌乱并对工作产生厌恶感，导致工作效率降低。压力机振动大，会加大压力机零件之间的摩擦、增大设备的能耗，其本身亦会出现螺栓松动、零件损伤、电气元件失效、模具异常磨损等不良影响，进而缩短设备的使用寿命。一旦机械压力机出现故障，就会增加维修成本，给企业生产经营造成巨大损失。

同时，压力机振动能量的一部分通过各种构成部件释放到空气中，成为冲压的主要噪声源。因此控制压力机的振动还可直接降低噪声。另外，高速压力机的振动还会激起基础振动，并向地表传播，使其他精密设备仪器受到干扰、精度下降。振动传至附近的居民区，亦会对人的正常生活产生影响。1 高速压力机产生振动的因素分析1.1 压力机本身的结构因素机械压力机工作部分曲柄滑块结构，由飞轮作为储能元件，飞轮质量分布不均时，在高速运转中必然会产生不平衡的惯性力，即为引起飞轮系统振动的干扰力，造成飞轮系统的振动，再经过支承传递给机身，引起整机的振动。建立如图1所示的飞轮-横梁振动系统，若飞轮系统的质心a不在回转中心O点而偏一个距离e，假设飞轮系统的质量为m，角速度为ω，则回转时产生的不平衡惯性力F=meω2；垂直方向的分力，即飞轮系统持续不断地产生纵向振动的干扰力S=meω2sinωt，可知S是按正弦规律变化的，其振动为简谐振动。图1 飞轮-横梁振动系统图1.飞轮2.上横梁根据振动理论，产生振动需要质量和弹性两个因素。为方便研究，我们将系统简化为如图2所示的质量-弹性系统，将飞轮系统视为质量，将横梁系统视为弹性体。图2中，O点为飞轮静平衡时质心位置，λ为静止时压下量，k为弹性系数，则有mg=kλ；若图中O1点为质心在干扰力S的作用下又下移距离y后的瞬时平衡位置，则有F=-k(λ+y)。根据运动基本

定律，得到图2 飞轮静平衡力学图令干扰力的最大值

S0=meω2，代入式（1）得到转化为二阶常系数非齐次线性微分方程，得到求解得到显然，减小振动的途径为减少干扰力S0，因此一定要对飞轮系统进行动平衡校正试验，并尽量使飞轮系统的回转中心靠近压力机的几何中心。1.2 曲柄滑块机构的运动因素如图3所示，压力机曲柄滑块机构的速度、加速度和转角有如下的关系：速度

V=Rω(sinα+λ/2sin2α)；加速度a=Rω2(cosα+λcos2α) 式中：λ=R/L。图3 曲柄滑块机构简图由上述公式可得：当α=0°时，V=0，a=|amax|，α角增大V随之增大；当α=75～90°时，V=Vmax，a=0；当α=180°时，V=0，a=|amax|。就是说，曲柄滑块机构在一个工作循环中，其速度和加速度分别按正弦、余弦规律变化，因此曲柄滑块机构在运动中要产生不断变化的惯性力，速度越大，这种惯性力及其变化也越大，即：F=|ma|=|mRω2(cosα+λcos2α)| 显然，在运动的上下死点处惯性力最大，其值为F=|m·R·ω2| 此惯性力是属于运动系统的内干扰力，也会引起压力机的振动。实践证明，这种振动往往还很严重，不仅影响曲柄滑块机构中零件的强度，而且对机身、轴承、压力机的精度均有影响。1.3 冲压作业中加工力的因素高速压力机的公称压力行程较小，实际工作行程还要更小，因此压力机在完成冲压零件时呈现出一种短时高峰负荷、长时空载的脉冲冲击负荷特征。冲裁开

始时，冲头与板料接触要有冲击，板料冲穿后会产生失荷冲击，这些均要引起强烈的振动。根据研究数据，当冲入厚度达到板料厚度的45%左右时，冲裁力升到最大峰值，此时机身、曲柄滑块机构在封闭力系作用下，均要产生弹性变形，其弹性变形量与冲裁力呈线性关系。而在冲裁的高峰负荷阶段，压力机将积蓄一定的弹性势能，当板料被剪断的一瞬间，冲头突然失荷，压力机积蓄的弹性势能将在极短时间内释放出来而导致压力机产生强烈的振动。1.4 压力机启动过程及停止过程引起的振动压力机的启动及停止，是通过离合器与制动器交替结合与分离来实现的。当离合器结合时，要驱使静止的曲柄滑块机构加速运动，此时曲柄滑块机构的惯性力即为飞轮系统的运转阻力，即干扰力，此干扰力必然会引起压力机的振动。当制动时，从动部分的惯性力对制动器固定盘会产生干扰力，同样会引起压力机的振动，尤其是紧急制动时，这种振动更加明显。2 高速压力机的振动防止措施2.1 对压力机本身的结构因素引起的振动控制飞轮的不平衡可通过动平衡校正来消除；对曲轴偏心部分及滑块往复运动的不平衡，一般是通过在曲轴偏心曲拐处增加平衡块来抵消。至于高速压力机，要实现平稳的运动，最好对往复运动部分的质量进行平衡，简单的平衡装置采用对向滑块式结构，复杂的采用摇动式结构。同时，动平衡机构也可以用来减小或消除压力机在启动过程及停止过程中回转部件加速、

减速引起的振动。平衡机构一般会增加回转部分的惯性矩，因而会破坏机床的停止性能，因此在平衡方案设计时要注意。

2.2 对加工力引起的振动控制在冲压作业中，振动力的大小与压力机的刚度和综合间隙有关。压力机的刚度大，各连接、运动部分的综合间隙小，则振动小，因此高速压力机一般来说比普通压力机刚度大、综合间隙小。由于冲压作业是一

种苛刻的作业，对一般板材(冲入率38%～60%)进行冲压时，如果考虑到滑块的加速度，可算出其反向负荷约为压力机公称力的30%。因此，在冲压作业时，冲裁力最好不要超过公称力的70%，这样可大大降低压力机的振动。2.3 采取必

要的隔振系统，延长弹性势能的释放时间在冲压结束的一

瞬间，弹性势能迅速释放，必然引起强烈的振动，如果设法使压力机在失荷的瞬间遇到一种阻尼作用，使弹性势能较缓慢的释放，将会大大减小振动。实践证明在压力机上采用隔振器对减少振动的效果很好。高速压力机上常采用的隔振

器有弹簧阻尼隔振器、橡胶隔振器、空气弹簧隔振器、液压缓冲器等。弹簧阻尼隔振器是目前工程中使用较为普遍的一种隔振元件，它由螺旋钢弹簧及抗老化的阻尼液和金属壳体、固定垫板、调平钢板等部件构成。弹簧能为压力机在工作状态时提供给缓冲，降低系统固有频率。阻尼液能在压力机受到振动干扰和过共振区的情况下瞬间吸收振动能量。因此弹簧阻尼隔振器具有良好的减振和降噪性能。3 结论（1）