_基于扫频激振法——研究润滑油黏度等级对滚动直线导轨副阻尼器减振性能的影响

振 动 与 冲 击第 37 卷第 1 期 JOUNAL OF VIBATION AND SHOCK Vol 37 No 1 2018基金项目 : 国家重大科技专项 ( 2013ZX04008-031)收稿日期 : 2016 06 13 修改稿收到日期 : 2016 11 10第一作者 丁胜鹏 男 ， 硕士 ， 1990 年生通信作者 欧屹 男 ， 博士 ， 讲师 ， 1982 年生基于扫频激振法 研究润滑油黏度等级对滚动直线导轨副阻尼器减振性能的影响丁胜鹏 ， 欧 屹 ， 柯 楠 ， 冯虎田( 南京理工大学 机械工程学院 ， 南京 210094)摘 要 : 通过扫频激振法研究共振频段下润滑油的黏度等级对滚动直线导轨副阻尼器减振性能的影响 。首先 ， 对导轨阻尼装置进行动力学建模 ， 通过动力学分析说明了导轨阻尼器的油膜减振原理以及润滑油的黏度等级与导轨阻尼器减振性能的关系 。然后 ， 创新性地搭建了基于扫频激振法的导轨阻尼器试验平台 ， 在四种不同黏度等级的油润滑条件下 ，对导轨阻尼装置进行正弦扫频激振 ， 采集导轨阻尼装置的振动响应信号并进行模态分析 ， 得到导轨阻尼装置的三阶模态 。最后 ， 对比三阶模态对应频段下润滑油黏度等级与导轨阻尼装置振动加速度的关系曲线 ， 验证了润滑油黏度等级越高 ， 导轨阻尼器减振性能越强的结论 。另外 ， 试验发现 : 随着润滑油黏度等级的提高 ， 导轨阻尼器减振性能增加的趋势逐渐降低 ， 当黏度等级超过 ISO 70 后 ， 增加润滑油黏度等级对导轨阻尼器减振性能的提高作用不大 。研究成果为导轨阻尼器在实际工况下选用何种黏度等级的润滑油提供了指导性的作用 ， 并且扫频激振法的使用为机床行业研究导轨阻尼器的减振性能提供了一种新的思路 。关键词 : 振动 ; 扫频 ; 润滑 ; 动力学分析 ; 滚动直线导轨副 ; 阻尼器中图分类号 : TH132; TB53 文献标志码 : A DOI: 10 13465 /j cnki jvs 2018 01 010Effect of oil viscosity grade on the mechanical vibration of a damping carriagefor linear rolling guide based on the sweep excitation methodDING Shengpeng， OU Yi， KE Nan， FENG Hutian( School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China)Abstract: The relationship between the oil viscosity grade and mechanical vibration of a damping carriage for linearrolling guides was examined based on the sweep excitation method A dynamic vibration model was proposed to analyze thecorrelation between the oil viscosity grade and the damping characteristics Meanwhile， a sweep excitation experimentalplatform was constructed The experimental tests were performed on the DS45EA damping carriage， lubricated with themineral oil of four different viscosity grades ( ISO 22， 46， 68 and 150) The response signals of the damping carriage，collected by the POSIG P8020， were processed through spectrum analyses in three resonant frequency bands It isproved that the vibration of damping carriage decreases as the oil viscosity increases Furthermore， the rate of the vibrationdescent turns to be slow with the oil viscosity increasing， and the vibration magnitude of the damping carriage approachesa constant when the viscosity grade exceeds ISO 70 The results provide a guide to choose the proper oil viscosity for thedamping carriage， which is significant for the better performance of linear rolling guides as well as CNC machine toolsThe using of sweep excitation method provides a new idea for the study of the damping performance of the damping carriagefor linear rolling guidesKey words: vibration; sweep; lubrication; modeling; linear rolling guide; damping carriage机床的承载导向系统是决定机床加工精度 、工作效率 、可靠性和使用寿命的重要因素之一 。因此 ， 随着数控机床和精密加工的发展 ， 机床行业对机床承载导向系统的要求越来越高 。滚动直线导轨副 ， 具有动 /静摩擦因数小 、承载能力大 、刚性好 、使用寿命长的特点 ，加工方便 ， 装配容易 ， 可达到很高的进给速度和定位精度 1。因此 ， 许多设备都选用国内外专业工艺装备厂生产的机床功能部件 滚动直线导轨副作为导向支承 。随着机床行业 、制造业的发展 ， 滚动直线导轨副在各种机械领域的应用越来越广泛 。但是 ， 滚动直线导轨副因其滚动接触面是点或线 ， 与传统的平面滑动导轨面面接触相比较 ， 减振性能相对较差 2。目前 ， Li等 3-4通过增加预载荷的方法来提高滚动直线导轨副的减振性能 ， 然而实际试验表明 ， 这种方法只是稍微改进滚动直线导轨副的刚度性能 ， 对改善其减振性能效果不明显 ， 反而容易降低其使用寿命 。Morita 5提出了一种防振动和制动功能滚动直线单元的设计专利 ; 姜大志等 6提出了一种改善滚动直线导轨副减振性能的过渡曲线设计 ， 并这两种设计方式都是通过实验方法验证了其减振效果的有效性 ， 但设计成本高 ， 难以在企业普及 。对比前面两种减振措施 ， 行之有效的减振方法可以通过在导轨振幅最大的地方放置减振元件 ( 阻尼器 ) 的方法来实现 7。目前 ， 国外只有舍弗勒旗下的INA 公司生产这种产品 ， 并且只能与自己的导轨配套使用 ; 国内对于导轨阻尼器的研究很少 ， 目前只有凯特精机在进行这方面的尝试 。所以 ， 为了克服滚动直线导轨副减振性能差的缺点 ， 要进行导轨阻尼器相关减振理论的研究和探索 ， 进而开发出新型的滚动直线导轨副的减振阻尼器 。本文使用正弦扫频激振法对润滑油黏度等级和导轨阻尼器的减振性能的关系进行了验证和深入分析 。文章首先介绍了导轨阻尼装置激振试验平台的试验设备和试验对象 ， 然后介绍了导轨阻尼装置的油膜减振理论分析 ， 接着介绍了扫频激振试验步骤以及最后振动信号的结果与分析 。由于不同润滑条件下的导轨阻尼装置在实际跑合过程测得的振动信号没有明显差别 ， 本文通过扫频激振的方法研究了在共振条件下润滑油的黏度等级与导轨阻尼装置减振性能的关系 ， 并且取得了明显的效果 。本文的研究结论也将对导轨阻尼器在实际工况中选用何种黏度等级的润滑油具有指导性的作用 ， 本文扫频激振法的运用对机床行业研究导轨阻尼器的减振性能提供了一个新的思路 。1 试验设备和试验对象导轨阻尼装置激振试验平台由激振装置 、导轨阻尼装置和信号采集装置三部分组成 ， 如图 1 所示 。激振装置由信号发生器 ( 型号 : KEYSIGHT 33522B) 、功率放大器 ( 型号 : 南京佛能 HEAS-500) 、激振器 ( 型号 : 南京佛能 HEV-500) 、阻抗头 ( 型号 : KISTLE 8770A50)组成 。导 轨 阻 尼 装 置 由 直 线 导 轨 副 ( 型 号 : HTPMLG45A) 、阻尼器 、连接钢板三部分组成 。信号采集装置由 振 动 加 速 度 传 感 器 ( 型 号 : PCB PIEZOTONICS356A02) 、数采系统 ( 型号 : POSIG P8020) 、AcquisitionV4 振动信号采集软件组成 。试验的阻尼器型号为 ( 广东凯特 ) DS45EA 型号阻尼器 ， 该阻尼器实物图及其结构参数如图 2 所示 。该阻尼滑块为钢结构主体 ， 上面开有注油孔和安装孔 ， 润滑油通过注油孔注入 ， 然后通过在滑块和导轨中间形成薄膜 ， 并且有密封装置的作用 ， 使油液能很好地保持 。如图 1所示 ， 两个滑块和导轨阻尼器均安装在直图 1 导轨阻尼装置激振试验平台Fig 1 Configuration of sweep excitation experimental platform for the damping carriage图 2 DS45EA-045506 型号阻尼器实物图及其结构参数 ( mm)Fig 2 Geometry of the damping carriage used in the tests ( mm)16第 1 期 丁胜鹏等 : 基于扫频激振法 研究润滑油黏度等级对滚动直线导轨副阻尼器减振性能的影响线导轨上 ， 他们通过钢板进行刚性连接 ， 组成一个导轨阻尼装置 。导轨阻尼装置主要依靠阻尼滑块和导轨中间的油膜起到减振作用 。导轨阻尼装置的油膜阻尼属于流体阻尼 ， 当振动物体相对于其周围流体介质运动时 ， 后者给前者的运动阻力 ， 对振动物体做负功 ， 使其损失一部分机械能 ，这些机械能最终被转变为热能 。油膜阻尼通过增加这种做负功的阻尼力抑制振动系统的响应达到减振的目的 。2 导轨阻尼装置的油膜减振理论分析为了说明润滑油的黏度等级与导轨阻尼器减振性能的关系 ， 根据导轨阻尼装置的实际接触情况建立动力学模型 8-10， 如图 3 所示 : 导轨阻尼器 、滑块与钢板刚性连接 ， 总质量为 m; 两个滑块和导轨之间通过钢珠进行接触 ， 滑块和导轨的接触可以等效为 y， z 两个方向的弹性接触 ( 滑块的刚度分别为 ky、kz) 与阻尼接触 ( 阻尼系数为 c); 导轨阻尼器和导轨的接触为阻尼接触 ( 油膜阻尼系数为 c1) 。由图 3 可知 ， 导轨阻尼装置为双自由度振动系统 。图 3 导轨阻尼装置的动力学模型Fig 3 Modeling of the damping system with a lumped parametersystem for the damping carriage由于单自由度振动系统的减振特性能够推广到多自由度 11， 文章以导轨阻尼装置 z 轴方向的单自由度振动模型的减振特性 ， 来阐述导轨阻尼装置的油膜减振特性 。导轨阻尼装置 z 轴方向的单自由度强迫振动模型响应的力学模型如图 4 所示 ， 其振动方程为图 4 导轨阻尼装置 z 轴方向的单自由度振动系统模型Fig 4 Modeling of the z-axis SDOF vibration system of thedamping system for the damping carriagemz + ( c + c1)z + kzz = f( )t( 1)其中激振力为简谐力 ， 即 f( t) = f0cos t。将式 ( 1) 进行拉氏变换 ， 可导出振动系统位移 z 对激振力 f( t) 的传递函数G( s) =1ms2+ ( c + c1) s + kz( 2)令 s = j， 由式 ( 2) 可导出位移 z 对激振力 f ( t) 的频率特性 G( j)G( j) = U0( ) + jV0( ) ( 3)U0( ) =kz m2( kz m2)2+ ( c + c1)22( 4)V0( ) = ( c + c1) ( kz m2)2+ ( c + c1)22( 5)幅频特性 ( ) 和相频特性 ( ) 分别为( ) = U20( ) + V20( )12( 6)( ) = arctgV0( )U0( ( )( 7)线性振动系统对简谐激振的稳态响应可表示为z = 2f0( ) cos t + ( ) ( 8)将式 ( 4) 、( 5) 、( 6) 、( 7) 代入式 ( 8) 得到位移振幅z0的解析式z0=f0( kz m2)2+ ( c + c1)2212( 9)令 f( t) = f0( 即 = 0)， 得到振动系统受常值力 f0作用时的静态位移zst=f0kz( 10)单位简谐力产生的振幅与单位常值力产生的同一运动量的振幅之比称为振动系统的动力放大系数 。用式 ( 9) 除以式 ( 10) 得到单自由度振动系统的动力放大系数的解析式A( g) =z0zst=1( 1 g2)2+ 42g212( 11) =c + c1cc， cc= 2( mkz)12， g =n( 12)式 ( 11) 、( 12) 中 ， 为振动系统的阻尼比 ， cc为临界阻尼系数 ， g 为激振频率 与无阻尼固有频率 n的频率比 。以阻尼比 作参数 ， 由式 ( 11) 可得频率比 g 与动力放大系数 A( g) 的函数关系曲线 ， 如图 5 所示 。图 5表明 ， 系统的阻尼比 越大 ， 动力放大系数 A( g) 越小 ;并且当激振力频率 等于振动系统的固有频率 n时 ，系统共振 ， 此时不同阻尼比 对应的动力放大系数A( g) 差别最明显 。由式 ( 11) 、( 12) 可知 ， 如果油膜阻尼系数 c1远大于临界阻尼系数 cc， 则随着油膜阻尼系数 c1不断增大 ，阻尼比 将不断增大 ， 此时动力放大系数 A( g) 将不断减小 。如图 5 所示 ， 增加振动系统的阻尼比 ， 动力放大系数 A( g) 在全部频带上都被压低了 ， 即可以通过增26 振 动 与 冲 击 2018 年第 37 卷图 5 单自由度振动系统放大曲线Fig 5 Amplification curve of SDOF vibration system加油膜阻尼系数 c1提高导轨阻尼器的减振性能 。对于导轨阻尼器而言 ， 油膜阻尼起源于润滑油的黏滞性 ， 即油膜阻尼系数 c1与润滑油 ISO 黏度等级成正相关 。所以 ， 导轨阻尼器中的润滑油 ISO 黏度等级越高 ， 油膜阻尼系数 c1就越大 ， 导轨阻尼器的减振性能就越强 。由于共振频率下的振动幅值最明显 ， 接下来 ， 我们将通过扫频激振试验 ， 分析不同润滑条件下的导轨阻尼器装置在共振频段下的振动加速度信号 ， 对润滑油 ISO 黏度等级与导轨阻尼器减振性能的关系进行验证 。3 试验步骤本文采用扫频激振法对导轨阻尼装置进行激振并采集其振动加速度信号 ， 测试样品为广东凯特生产的DS45EA-045506 型号导轨阻尼器 ， 其结构参数如图 2所 示 。试 验 过 程 中 使 用 MOBIL NO 10、L-HM46、MOBIL VG68、L-CKC150 四种润滑油 ， 它们的黏度等级分别为 ISO22、ISO46、ISO68、ISO150。按如图 6 所示的方向安装振动加速度传感器 ， 阻抗头对应的位置为导轨阻尼装置的激励点 ， 两个振动加速度传感器对应的 、两个位置为导轨阻尼装置的响应点 。扫频激振试验过程如图 7 所示 : 首先 ， 用油枪给阻尼器滑块上的油孔注油 ， 直到注满为止 ， 此时阻尼器滑块和导轨之间会形成一个封闭的油膜 ; 然后 ， 给信号发生器 、功率放大器 、激振器 、数采系统上电 ， 设置信号发生器上的正弦扫频信号 ( 试验扫频信号频段为10 2 kHz， 扫频周期为 20 s， 正弦信号峰峰幅值 Vpp为 3V， 恒流模式下功率放大器输出电流为 3 A)， 信号发生器将正弦扫频信号发送给功率放大器进行功率放大 ，然后将扫频信号发送给激振器 ， 激振器将按设定的扫频周期对导轨阻尼装置进行激振 ( 当激振信号的频率达到导轨阻尼装置的固有频率时 ， 导轨阻尼装置的振动幅度最明显 ， 采集不同润滑条件下的共振加速度信号能够方便地研究润滑油黏度等级对导轨阻尼器减振性能的影响 ); 最后 ， 导轨阻尼装置的振动信号通过三轴加 速 度 传 感 器 进 行 采 集 ， 振 动 信 号 通 过 POSIGP8020 数采系统进行滤波和放大后 ， 最终通过笔记本上的 Acquisition V4 软件获得 。图 6 导轨阻尼装置的振动信号测试方向Fig 6 Test direction of vibration signal of the damping carriage图 7 导轨阻尼装置激振实验原理图Fig 7 Principle of sweep excitation experiment for thedamping carriage4 结果和分析4 1 振动信号的模态分析如图 8( a) 为无油状况下的导轨阻尼器装置的一个扫频周期的 Z 轴振动加速度时域响应曲线 ( 扫频频段为 10 2 kHz， 扫频周期为 20 s)， 通过傅里叶变换得到图 8( b) 的频域响应曲线 ， 通过 、两个响应信号对比可以发现在 10 2 kHz 的频率范围内 ， 该导轨滑块阻尼器装置有如下 3 阶固有频率 ， 分别为 610 Hz、1 260Hz、1 840 Hz。同样地 ， 分别在四种不同黏度等级 ( ISO22、ISO46、ISO68、ISO150) 的油润滑条件下 ， 对导轨阻尼装置进行10 2 KHz 的正弦扫频激振 ， 采集 X/Y/Z 三个方向的振动加速度信号 20 s， 分别对 Z 轴方向的振动加速信号进行快速傅里叶变换 ， 得到如图 9 所示的曲线 。为了方便研究润滑油的黏度等级对导轨阻尼器振动的影响 ， 根据图 9 的曲线将 500 700 Hz、1 150 1 350 Hz、1 750 1 950 Hz分别作为第一频段 、第二频段 、第三频段进行研究 。4 2 润滑油黏度等级与导轨阻尼器减振性能的关系图 10为三种模态下导轨阻尼装置的振动加速度36第 1 期 丁胜鹏等 : 基于扫频激振法 研究润滑油黏度等级对滚动直线导轨副阻尼器减振性能的影响( a) 时域响应( b) 频域响应图 8 无油条件下导轨阻尼装置的振动响应信号Fig 8 Time-domain and frequency-domain response of thedamping carriage vibration without oil图 9 不同润滑条件下滑块阻尼装置 Z 轴方向的振动加速信号的快速傅里叶变换Fig 9 FFT results of damping carriage acceleration in Z-axis direction with four kinds of oil信号频域相应曲线 ， 图中曲线表明润滑油黏度等级的变化对第一频段 ( 500 700 Hz) 的振动信号有明显的影响 ， 对第二频段 ( 1 150 1 350 Hz) 、第三频段 ( 1 7501 950 Hz) 的振动信号影响并不明显 。润滑油黏度等级的变化主要对导轨阻尼装置第一频段 ( 500 700Hz) 的振动产生影响 。如图 10( a) ( c) 所示 ， 在三个频段下 ， 导轨阻尼装置无油状况下的振动加速度峰值比带油状况下的振动加速度峰值要高 ， 并且随着润滑( a) 第一频段 ( 500 700 Hz)( b) 第二频段 ( 1 150 1 350 Hz)( c) 第三频段 ( 1 750 1 950 Hz)图 10 三个频段下导轨阻尼装置的振动加速度信号频域曲线Fig 10 Frequency responses of damping carriage accelerationin three resonant frequency bands油黏度等级越高 ， 导轨阻尼装置的振动加速度越小 ， 验证了导轨阻尼装置的油膜减振特性 。文献 12-14 研究了润滑油的黏度等级对滚动轴承振动特性的影响 ，得出了不同黏度等级的润滑油主要影响滚动轴承在高频段 ( 600 10 000 Hz) 的振动的结论 ， 导轨阻尼装置的第一频段 ( 500 700 Hz) 和滚动轴承的高频段 ( 600 10 000 Hz) 十 分 接 近 ， 进 一 步 验 证 了 试 验 结 果 的 正确性 。为了定量研究润滑油黏度对导轨阻尼装置的影响 ， 取图 10 中振动加速曲线的峰值 ， 得到图 11 三个频段下润滑油黏度等级对滑块阻尼装置振动加速度峰值的影响曲线 。由图 11 可知 ， 三个频段下 ， 随着润滑油黏度等级的提高 ， 导轨阻尼装置的振动加速度越小 ; 并46 振 动 与 冲 击 2018 年第 37 卷且 ， 随着润滑油黏度等级的提高 ， 导轨阻尼装置的振动加速度减小的趋势逐渐降低 ， 当黏度等级超过 ISO 70后 ， 3 条振动加速曲线趋近于一个常值 。根据以上的分析 ， 可以总结出如下结论 : 润滑油黏度等级的变化主要对第一频段 ( 500 700 Hz) 的振动产生明显影响 ， 并且随着润滑油黏度等级提高 ， 导轨阻尼装置减振效果越明显 ; 随着润滑油黏度等级的提高 ，导轨阻尼器减振性能增加的趋势逐渐降低 ， 当黏度等级超过 ISO 70 后 ， 增加润滑油黏度等级对导轨阻尼器减振性能的提高作用不大 ， 导轨阻尼器在实际工况下应当选择黏度等级小于 ISO 70 的润滑油 。图 11 三种模态下润滑油黏度等级对导轨阻尼装置振动加速度峰值的影响曲线Fig 11 The peak value of damping carriage acceleration for variedoil viscosity grades in three resonant frequency bands5 结 论( 1) 通过扫频激振法 ， 能够检测出不同黏度等级的润滑条件下导轨阻尼器的振动特性差异 。( 2) 润滑油黏度等级的变化主要对导轨阻尼装置第一频段 ( 500 700 Hz) 的振动产生明显影响 ， 并且随着润滑油黏度等级提高 ， 导轨阻尼装置减振效果越明显 。( 3) 随着润滑油黏度等级的提高 ， 导轨阻尼器减振性能增加的趋势逐渐降低 ， 当黏度等级超过 ISO 70后 ， 增加润滑油黏度等级对导轨阻尼器减振性能的提高作用不大 ， 导轨阻尼器在实际工况下应当选择黏度等级小于 ISO 70 的润滑油 。参 考 文 献 1 喻忠志 我国滚动直线导轨副的发展及趋势 J 制造技术与机床 ， 2006( 7): 13-14YU Zhongzhi Development of rolling linear guide units inChina J Manufacturing technology and machine tools，2006( 7): 13-14 2 姬中晴 ， 欧屹 ， 冯虎田 ， 等 基于在线测量的滚动直线导轨副精度保持性测试方法及试验研究 J 振动与冲击 ，2016， 35( 7): 56-61JI Zhongqing， OU Yi， FENG Hutian， et al Measurementmethod and tests for precision-keeping of a linear rolling guidebased on online measuring J Journal of Vibration andShock， 2016， 35( 7): 56-61 3 LI Linlin， YANG Jiajun， LIU Wenwei Effect of randomsurface roughness on squeeze film damping characteristics indamper of linear rolling guide with a fractal-based method J Industrial Lubrication and Tribology， 2015， 67 ( 6):549-556 4 李磊 ， 张建润 ， 刘洪伟 直线滚动导轨副动态特性分析 J 振动与冲击 ， 2012， 31( 18): 111-114LI Lei， ZHANG Jianrun， LIU Hongwei Dynamiccharacteristics of a linear motion guide J Journal ofVibration and Shock， 2012， 31( 18): 111-114 5 MOITA K Anti-vibration linear motion guide unit: US5143454 A P 1992 6 姜大志 ， 应强 ， 孙俊兰 基于等刚度的滚动直线导轨副过渡曲线设计 J 机械设计 ， 2006， 23( 12): 16-17JIANG Dazhi， YING Qiang， SUN Junlan Transition curvedesign of straight rolling slide-way pair based on equal rigidity J Jixie Sheji， 2006， 23( 12): 16-17 7 万民标 直线滚动导轨副减振阻尼器的研究 D 武汉 :华中科技大学 ， 2012 8 毛宽民 ， 李斌 ， 谢波 ， 等 滚动直线导轨副可动结合部动力学建模 J 华中科技大学学报 ， 2008， 36( 8): 85-88MAO Kuanmin， LI Bin， XIE Bo， et al Dynamic mo