（机械工程专业论文）beiren+300+四色平版胶印机振动特性的研究.pdf

摘要 印刷机基础件本身的动态特性对印刷质量的影响是举足轻重的，b e i r e n 3 0 0 胶印和l e p , 刷的实际情况表明，胶印机在高速印刷时机体振动强烈噪声严重，因此 难以往高速印刷时保证高的印埽质量。如何从城振降噪的角度改进b e i r e n ? , 0 0 胶印机的结构全面提升b e i r e n 3 0 0 胶印机的性能，是摆在设计研究人员面自n 的迫 切课题。为了有效地进行b e i r e n 3 0 0 胶印机的减振降噪设计，必须对其振动特性 有全面的了解。本课题应用现代测试分析方法，在国内首次完成了b e i r e n 3 0 0 对开四色平版胶印机主框架结构的振动特性的测试研究。 课题的主要测试研究成果如下：b e i r e n3 0 0 胶印机机座框架结构的振动 特性的测试研究。对机座进行模态分析测试，从而定量地测定枫座的振动模念参 数，并用有限元法对其进行了模态分析计算，这为机座的结构改进设计提供了依 据。对北人b e i r e n3 0 0 对开四色平版胶印机在其工作状态下的机体和滚筒进 行了振动量级和噪声声压级的测定，同时也对同类型的德国海得堡( s j l 6 j 0 2 ) 四 色平版胶印机进行了对比性测试。通过测试找出了国产胶印机与德国海得堡名牌 产品的差距。胶印机机体的频率响应函数测定。通过课题的测试研究，对 b e i r e n 3 0 0 四色平版胶印机在高速度印刷时振动与噪声过大的主要原因作出了 分析并得出明确的结论，这为进一步的减振降噪设计提供了可靠的依据。对胶 印机振动噪声的重要激励源胶辊的弹性压力提出了一种计算分析方法，应用 v b 6 0 完成了胶辊的弹性压力及其谱分析的程序编制，从而，为胶印机的设计计 算提供了一种有效的工具。 论文第l 章叙述了有关胶印机生产和课题研究的一些背景，第2 章简述了现 代测试研究方法的理论基础，如有关信号分析、机械振动和模态分析、有限元法 的内容，第3 章介绍胶印机振动特性测试研究，第4 章讨论胶印机机座模态分析， 第5 章讨论胶印机胶辊弹性压力计算问题。 关键词胶印机；模态分析；振动与噪声测试；共振 北京工业人学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n f l u e n c eo f d y n a m i cp r o p e r t yo ft h eb a s i co f p r i n t i n gm a c h i n ef o rp r i n t i n g q u a l i t yi si m p o r t a n c e t h ea c t u a lc o n d i t i o no ft h ep r i n t i n g so fm o d e lb e i r e n 3 0 0 o f f s e tp r e s ss h o w s w h e no f r s e tp r e s si sp r i n t i n gw i t hh i g hs p e e d b o d y v i b r a t e ss t r o n g n o i s ei s s e r i o u s ，t h e r e f o r ei sh a r dt og u a r a n t e eh i 曲p r i n t i n gq u a l i t yw h e np r i n t i n g w i t hh i g hs p e e d h o wt or e d u c et os h a k ea n dt h en o i s et oi m p r o v et h ef u n c t i o no f s t r u c t u r a lo v e r a l lp r o m o t i o nm o d e lb e i r e n3 0 0o f f s e tp r e s s ，a r et h eu r g e n tp r o g r a m p u ti n f r o n to f d e s i g nr e s e a r c hp e o p l e c a r r yo u tm o d e lb e i r e n 3 0 0o f f s e tp r e s s e f f i c i e n t l yr e d u c et os h a k e t of a l lt oc h i r pt od e s i g n ，m u s th a v eo v e r a l lu n d e r s t a n d i n g f o ri t sv i b r a t i o np r o p e r t y t h i s p r o g r a mi sa p p l i e dm o d e mt e s ta n a l y s i sm e t h o d ， d o m e s t i c a l l y , c o m p l e t et h ev i b r a t i o np r o p e r t yt e s tr e s e a r c ho fm o d e lb e i r e n3 0 0 f o u r c o l o rs h e e t f e do i t s e tp r e s sf o rt h ef i r s tt i m e t h em a j o rt e s tr e s e a r c ha c h i e v e m e n t so f p r o g r a mi s a sf o l l o w s ：t e s tr e s e a r c h f o rt h ev i b r a t i o np r o p e r t yo ft h eb a s ef r a m es t r u c t u r eo fb e i r e n3 0 0o f f s e tp r e s s ： t oc a r r yo u tm o d a la n a l y s i st e s to ft h eb a s ef r a m e ，t os u r v e yt h ev i b r a t i o nm o d a l p a r a m e t e ro fb a s ef l a m eb yr a t i o n ，a n dc a l c u l a t e i t sm o d a lp a r a m e t e rw i t hf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，a l lt h e s eo f f e rb a s i sf o rd e s i g n so ft h es t r u c t u r a li m p r o v e m e n to f b a s e p l a t e s u r v e yt h ev i b r a t i o nl e v e la n ds o u n dp r e s s u r el e v e lo ft h eo r g a n i s ma n d c y l i n d e ro f o f f s e tp r e s si nt h ew o r k i n gs t a t e ：s u r v e yt h ev i b r a t i o nl e v e la n ds o u n d p r e s s u r el e v e lo fb e i r e n3 0 0o f f s e tp r e s s ，a sw e l la st h es i m i l a rg e r m a nf a m o u s b r a n ds m 一1 0 2f o u r - c o l o rs h e e t f e do f f s e tp r e s s c o m p a r et h e i rf u n c t i o n t h r o u g h t e s t i n g ，f i n do u tt h eg a p b e t w e e ng e r m a no f f s e tp r e s sa n dt h ep r o d u c tm a d ei nc h i n a ， s u r v e y t h ef r e q u e n c yr e s p o n s ef u n c t i o no ft h eo r g a n i s mo fo f f s e tp r e s s ：t h r o u g h t h et e s tr e s e a r c ho fp r o g r a m ，f o rm o d e lb e i r e n3 0 0f o u r - c o l o rs h e e t f e do f f s e t p r e s si n h i g hs p e e dp r i n t i n g s ，d r a w nd e f i n i t e c o n c l u s i o nw i t ht h em a j o rr e a s o no f e x c e p t i o n a lv i b r a t i o na n dn o i s e ，t h i si sf u r t h e rr e d u c e v i b r a t i o na n dn o i s et od e s i g nt o o f f e rr e l i a b l eb a s i s f o rt h ee l a s t i cp r e s s u r eo f r o b b e rr o l l ，t h ei m p o r t a n te x c i t a t i o n s o u r c eo fv i b r a t i o na n dn o i s eo fo f f s e tp r e s s ，m a k eak i n do fc a l c u l a t i o na n a l y s i s m e t h o d a p p l y v b 6 0t oc o m p l e t et h ep r o g r a mo fi t ss p e c t r u ma n a l y s i sa n dt h ee l a s t i c l l p r e s s u r eo f r u b b e rr o l l s o ，o f f e rak i n do fe f f e c t i v et o o lf o rt h ed e s i g nc a l c u l a t i o no f o f f s e tp r e s s p a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hc o n t e n ta l l s i d e d l y c h a p t e ro fl t hn a r r a t es o m e b a c k g r o u n d sc o n c e r n i n gt h ep r o g r a mr e s e a r c h a n dp r o d u c t i o no fo f f s e t p r e s s t h e c h a p t e ro f 2 t hi ss t a t e dt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no fm o d e mt e s tr e s e a r c ht e c h n i q u e ， s u c ha ss i g n a la n a l y s i s ，m e c h a n i c a lv i b r a t i o na n dm o d e la n a l y s i s ，t h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d t h ec h a p t e ri n t r o d u c t i o nv i b r a t i o np r o p e r t yt e s to f3 t ho fo f f s e tp r e s si s s t u d i e dt h ec h a p t e rd i s c u s s i o nb a s e p l a t em o d e la n a l y s i so f4 t ho fo f f s e tp r e s si s a n a l y z e d t h ec h a p t e rd i s c u s s i o ne l a s t i cp r e s s u r eo f 5 t ho fo f f s e tp r e s so fr u b b e rr o l l c a l c u l a t e sp r o b l e m k e y w o r d s o f f s e tp r e s s ；m o d a la n a l y s i s ；v i b r a t et ot e s tw i t hn o i s e ；r e s o n a n c e l l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中1 j 包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：至篮堡日期：丝2 苎：丝：形 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 篮竺j ：查日期：丝塑! 乡彤 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 国内外印刷业和e p s l j 机制造业的发展状况 印刷工业在国民经济中占有重要地位，它是人们进行信息交流、文化和科学 技术传播的手段，是一个重要的宣传工具。它与人们的同常生活密切相关，任何 人都离不开它，印刷工业是永不衰落的工业。世界上的各个发达国家，其印刷工 业也是很发达的。例如美国，按工业产值排位，1 9 8 9 年印刷工业为六大工业之 一，其产值约占国民经济总产值的1 3 ，占制造工业的5 4 。日本印刷工业为八 大工业之一，产值占国民经济总产值的】3 6 ，约占制造工业的4 。英国印刷 工业为七大工业之一，产值占制造工业的5 4 。原联邦德国印刷工业为五大工 业之一，产值占制造工业的1 8 。在发达国家，印刷工业产值约占整个国民经 济总产值的1 3 左右。印刷业与国民经济的发展速度之比在发展中国家为1 ：1 ， 在一般发达国家为2 ：1 ，在美国、德国、日本等先进发达国家为3 ：1 或4 ：1 ，可 见印刷工业非常重要。印刷工业不仅本身创造了经济效益和社会效益，而且为推 动本国及各国的经济发展，促进商品的销售和对内对外交流做出了重要贡献。 我国的印刷工业，特别是改革开放以来，有了快速发展，1 9 9 2 年印刷工业 产值为1 9 8 9 年的1 8 7 。现在，我国已经成为世界上的十大印刷国之一。根据联 合国公布的各国印刷工业总产值，1 9 8 7 年我国为第1 4 位，1 9 9 1 年为第7 位。1 9 9 1 年印刷工业产值占国民经济总产值的0 6 5 。但因为我国幅员辽阔，人口众多， 如果按照人均计算，相对来说还是很落后的。从人均印刷产值来看，我国印刷工 业总产值在世界的排名为1 4 3 位，排在许多发展中国家之后。我国年人均耗纸量 为l o k g ，而世界年人均耗纸量为4 5 k g ，发达国家年人均耗纸量为l o o k g 。我国 人均耗油墨量为美国的1 7 0 ，日本的1 6 9 ，意大利的1 1 8 ，韩国的1 1 2 。根据 不完全统计，全国现在约有印刷厂7 万多家，但是大部分都是乡办、村办以及个 体印刷厂。县级及县级以上的印刷厂约有1 i 0 0 0 余家，职工1 0 8 万人。1 9 9 2 年 印刷工业总产值为2 6 1 亿元人民币，固定资产约1 5 0 亿元人民币。 印刷过程是一个复杂的物理化学过程，印刷工业是世界上公认的高新技术应 用领域。随着印刷工业的发展，特别是近年来计算机技术在新闻出版印刷业的广 北京】业大学工程坝十学位论文 泛应用，胶印机产品由于它印刷质量好，印刷技术先进等诸多原因，成为印刷业 广泛使用的最受欢迎的产品。胶印机产品集机、光、电于一体，技术含量高，价 格昂贵，以六色胶印机为例，一台进口设备的价格约为一千万人民币左右。但由 于它市场大，经济效益可观，因此胶印机产品一直是印刷机厂家致力研究开发的 重点，国际胶印机市场的竞争同趋激烈。虽然世界上任何国家都离不开胶e 1 机印 刷，但胶印机制造困难，世界上能生产胶印机产品的国家就为数不多，因而，国 际上胶印机的进出口量很大，现在世界上印刷机械的年销售额大约为2 0 0 亿美 元，进出口量很大，其中大部分份额被德国，日本，美国所占据。例如，原联邦 德国1 9 8 9 年印刷机械的销售收入为1 2 0 亿马克( 约6 0 亿美元) ，其中7 9 亿马克 出口，出口量占6 6 ，进口印刷机械1 2 亿马克，占其销售收入的1 0 。1 9 9 0 年 同本印刷机械销售收入为5 0 0 0 亿日元( 约3 8 7 亿美元) ，其中1 5 2 3 亿同元( 约 1 1 7 亿美元) 出口，出口约占3 0 ，进口印刷机械8 0 5 亿日元( 约6 2 亿美元) 。 美国1 9 9 0 年印刷机械销售额2 9 亿美元，其中出口儿亿美元，出口量占3 8 ， 进口印刷机械1 2 亿美元，约占其销售额的4 1 。 国际上知名的印刷机械制造公司如德国海得堡、日本三菱、美国兄弟e i 厢j 机 等已经在国际上处于领先水平。德国海得堡的技术堪称世界一流，六十年代的平 台型及轮转型凸印机、胶印机独领世界风骚之后，1 9 9 0 年又投资1 3 多亿马克建 成了新的研究开发中心，增加了4 5 0 名研究人员，搞新的战略研究与开发。1 9 9 1 年又研制了由计算机直接控制的轮转型胶印机。德国海得堡推出的速霸7 4 系列 胶印机就是一个富有特点的代表产品：广泛采用自动化功能的标准配置，使该胶 印机真正成为一人操作的e 1 a t j 机，使其更实用于生产短版作业和交货期限紧迫的 高标准优质印刷；高速度，即使在双面印刷时达到1 5 0 0 0 张小时的速度仍然能 保证出色的印刷质量，同时保证胶印机低噪声及平稳运转等。这些产品使得他们 在竞争中居于极有利的优势位置。臼本小森印刷机械公司发挥社会化、专业化生 产协作战略优势，年营业额高达6 亿美元，人均产值3 0 万美元。国外生产印刷 设备的大的公司还有很多，例如美国的高斯，德国的高宝、曼一罗兰、巴柯、洛 克威尔，日本的三菱、宾田、良明、桥本等企业和公司。尽管如此，他们仍然在 根据市场需求调整产品结构，加紧研制新产品，不断有操作简便、控制准确、印 刷效果良好的新的印刷机产品推出。 第1 覃绪论 我国的印刷机械制造业起步较晚，随着改革开放和社会主义市场经济的发展和人 民物质文化生活水平的提高，对印刷品的要求越来越高，需求量越来越大。因此 对印刷机械的需求量也将有较快增长。在国家的大力支持下，刷机厂家加速技术 改造，通过内引外联，已经形成了以骨干企业为核心的企业集团，可提供不同档 次、多个品种的成套设备。我国的汉字激光照牌技术已经跨入世界先进行列。根 掘国家统计局提供的数掘，1 9 9 2 年我国印刷机械厂家有2 3 7 家，职工6 8 8 0 0 人， 崮定资产原值1 1 ，5 2 亿元，产量7 2 3 万吨，销售收入1 9 1 2 亿元，工业总产值 1 7 8 7 亿元，利润总额2 0 2 亿元，利税总额3 2 3 亿元。劳动生产率为每年人均 2 5 9 7 3 元，9 5 年我国印刷机械总产值达到2 4 4 亿，销售收入达到2 6 亿元，利润 总额为2 7 6 亿元，劳动生产率达到每年人均3 5 0 0 0 元，重点产品达到国际8 0 年 代水平。我国的印刷机械厂家目前能提供数百种凸版、凹版、胶印等各类印刷、 制版、装订机械设备，涌现了诸如北人e p $ 1 j 机械股份有限公司，上海印刷包装机 械总公司，北大新技术公司，上海亚华印刷机械公司，潍坊激光照牌公司等在国 内外较为知名的企业。北人e p 届l j 机械股份有限公司是我国最大的印刷机生产基 地，1 0 年来，该厂不断完善信息网络，组织专家进行市场调查，积极预测，认 真论证，制定了两个市场( 国内，国际) 五个面向( 书刊，装潢，报刊，票证和 办公印刷) 的经营战略，先后投资7 0 0 0 万元，开发了3 5 种新产品，出口产品发 展到1 3 种，开发的产品全部达到国际7 0 年代末八十年代初的水平。北人的胶印 机在多色、多品种、系列化方面有了突破性进展。 1 2 对开四色平版胶印机主框架结构的振动特性的测试研究课 题的立项背景 b e i r e n 3 0 0 胶印机是北人印刷机械股份有限公司生产的对开四色平版胶印 机，它在诸多方面达到了先进水平，采用了自动化操纵方法，使印刷时间缩短， 印刷质量得到保证，实用范围更广泛，是国内生产的性能最好的对开四色平版胶 印机。但b e i r e n 3 0 0 胶印机是一种经验设计的仿制产品。 胶印机的基本组成部件由印刷单元，输墨单元和湿润单元等组成。输墨单 元由墨斗、墨辊、串墨辊和着墨辊组成。墨辊转动时把油墨沾在其上，经中间传 北京工业大学下程颤土攀位论文 墨辊把油墨均匀地传给印版滚筒。印 刷的过程就是在输墨单元和湿润单 元提供合适的油墨和水的条件下，通 过印刷单元，将印版上的图文经过胶 辊转印到纸张上的过程。胶印过程模 型( 如图卜1 所示) 。 胶印机印刷过程是受很多因素 的相互作用所制约的过程，其中最重 要的因素有：主要工艺材料( 纸张和 圈1 1 印刷过程模型 p i c t u t e11 p r i n t i n gc o u r s em o d e 油墨) 的性质和它们参与相互作用的条件( 印刷运动的几何原理、压力、速度、 干燥装置的存在及其他) 以及不断变化的外界环境( 影响印刷质量的各种振动， 包括周围环境的振动，电机的振动，以及印刷机本身由于运转而引发的振动等 等) 。 胶印机是一个非常复杂的系统，是由相互联系又相互作用的多个要素及印刷 机各部分系统组成的。跟踪印刷过程进行观察的经验告诉我们，印刷过程的诸多 因素常常具有随机的性质。产生随机作用的根源是：外在环境条件的变化；原始 印刷材料的不均匀性；机器工作状态的偏差；机械磨损以及其他原因。 在影响印刷品质量的诸多因素当中，印刷机基础件本身的动态特性对它的影 响是举足轻重的。b e i r e n 3 0 0 胶印机印刷的实际情况表明，胶印机在高速印刷时 机体强烈振动噪声严重，因此难以在较高速印刷时保证较高的印刷质量，这说明 b e i r e n 3 0 0 胶印机由于是经验设计，没有解决好结构振动问题。因此如何提高 b e i r e n 3 0 0 胶印机的抗振性，如何从减振降噪的角度改进b e i r e n 3 0 0 胶印机的结 构全面提升b e i r e n 3 0 0 胶印机的性能，是摆在设计研究人员面前的迫切课题。但 是由于对于结构的每一个细微改动都会要求相应的设计人员，制造人员投入大量 的时间，劳动和资金，并且，经验设计往往不能达到预想的效果，所以，必须首 先采用现代化的先进的测试分析技术对b e i r e n 3 0 0 胶印机的框架结果的振动特 性进行全面的研究，为胶印机的减振降噪设计提供可靠的依据，这对北人印刷机 械股份有限公司来说，意义是很重大的，这项研究的进行，为将来进行胶印机的 结构设计与优化，缩小国产印刷机与世界先进水平之间的差距，替代进口，扩大 第1 苹绪诧 出口，走向国际大市场，奠定良好的基础。 。 现代测试分析技术的发展为机械结构的振动测试与分析提供了可靠的技术 与手段。多年来，振动问题一直围绕三大课题进行： ( 1 ) 已知激励力厂和系统的特性即传递函数 求系统的响应z m ，z 这就 是响应预估问题和响应模拟问题。 ( 2 ) 已知激励力f 和系统的响应，求系统的传递函数q 这就是系统识 别问题。 ( 3 ) 已知系统的响应。( ，) 和系统的传递函数- ( ，) ，求作用在系统上的作用力 r ，这就是载荷识别问题。 围绕这三大课题，结构动态分析技术得到了飞速的发展，近二十年来，在理 论研究、测试技术和计算技术方面多有很多代表性的成果： 在理论分析计算方面是有限元分析方法的推广使用，有限元方法理论上非常 严谨，通用性强，计算精度高，目前已经不是专家们的研究课题，而是工程设计 中的一个不可缺少的重要的工具，每个机械工程设计人员都应该掌握这一工具。 有限元方法处理问题的基本方法是把复杂的机械结构离散化，再装配起来，得到 系统的动力学方程，可以求系统的位移、速度、加速度、应力、系统的固有频率 振型。目前商品化的有限元软件有：s a p ，a n s y s ，n a s t r a n 等，这些软件已经在 微型机上得到了很好地应用，可以用来进行各种结构的动态分析计算。随着计算 机技术的飞速发展，计算机辅助设计( c a d ) 技术日益成熟与发展，有限元分析 技术( f e m ) 已经成为进行诸如胶印机这样的复杂的机械结构的振动特性分析的 唯一有效工具。 在实验分析技术方面，最突出的成果是随着计算机技术的飞速发展，快速傅 立叶变换技术( f f t ) 得到了广泛的使用。使用在f f t 快速傅立叶变换技术基础 上研制的各种动态信号分析仪，可以快速地测定机械结构的振动，对测定的振动 信号进行频谱分析，快速地测定机械结构的频率响应函数。由于f f t 快速傅立叶 变换技术的应用，近年来，实验模态分析技术( m o d e la n a l y s i s ) 得到了广泛使 用，进行模态分析，可以确定机械结构的模态参数，模态振型可以形象地直观地 北京工业大学工程颂士学位论文 显示机械结构共振时的振动变形情况 新更深入的角度去理解结构振动问题 模态分析技术使得设计人员可以从更高更 在模态分析的基础上还可以机械结构的修 改设计分析。产生了集理论、实验技术、计算机技术于一身的模态分析技术，模 态分析的概念出现得比较早，仅是由于f f t 分析仪的出现，才使模态分析的进行 成为可能。模念分析的使用，使得机械结构的改进有了强火的高效的工具，人们 有可能在短时削内完成结构性能的改进实验。目前，微机上使用的商品化模态分 析软件有：s m s ，s t a r 等，s m s 和s t a r 软件具有m o d a l 模态分析、s d m 动力修改、 f m s 响应模拟三部分组成。有限元分析技术和实验模态分析技术的结合使得机械 结构动态分析技术发展到了一个崭新的阶段，使得人们能够在产品的结构设计阶 段就预测产品的动态特性，使得人们能够利用计算机辅助设计的手段进行结构动 态优化设计，产品的结构设计真币步入了新阶段。 有限元分析技术与在测试分析技术结合，就可以从理论分析的角度对印刷机 的结构进行有限元数值模拟分析，对该系统进行静动态特性分析和振动特性分 析，从而为胶印机的改进与优化提供有效的理论依据。 本课题旨在完成b e i r e n 3 0 0 对开四色平版胶印机主框架结构的振动特性的 测试研究，测试研究工作主要分为两部分： ( 1 ) b e i r e n3 0 0 胶印机整体和分体机座框架结构的振动特性的测试研究。 目前，b e i r e n3 0 0 胶印机的机座分整体和分体两种结构，其中整体机座由于尺 寸庞大，对生产和加工设备有较高要求。该项研究对两种机座进行模态分析测试， 从而定量地测定两种机座的振动模态参数，对结构抗振性能进行对比。 ( 2 ) b e i r e n3 0 0 平版胶印机工作状态下振动量级的测定课题研究。该研究 对北人对开四色平版胶印机工作状态下振动量级的进行测定，对同类的名牌产品 德国海得堡( c d l 0 2 型或s m l 0 2 ) 对开四色平版胶印机的机座振动进行对比性能 测试。通过测试了解国产胶印机与德国海得堡名牌产品在振动量级上的差距，测 定印刷机机体的振动特性参数。 通过课题的测试研究，要分析并确定b e i r e n 3 0 0 对开四色平版胶印机高速度 印刷时振动与噪声过大的主要原因，为进一步的减振降噪设计提供必要的可靠的 数据。 第2 章机械结构振动测试与分析技术概述 第2 章机械结构振动测试与分析技术概述 2 1 概述 振动测量一般分成两类：一类测量中，传感器的输出波形是一个复杂的时闽 历程，是各种振源所引起振动的总和。为寻找和排除振动。就必须分析处理传感 器的输出波形。信号分析主要任务之一要分析上述波形而求得各个频率成份及它 们的幅值分布，能量分布。从而找出主要幅值和能量分布的频率值。通过信号分 析可以帮助人们很快找到主振源，为排除和减小振动提供依据。大量分析处理环 境实测数据，还可以制定振动规范，亦可为减震和冲击隔离提供有关依据。另外 一类测量，如可以采用稳态f 弦激励设备和相应的分析仪器来测量结构的频率响 应。用这种方法测量结构的振动特性，周期较长，费用较大。采用宽带随机激振 和瞬态激振( 脉冲激励或快速正弦扫频激励) 方法来测定结构的振动特性，这就是 用宽频带的激振力激励结构，然后用实时分析设备快速测出结构的频率响应，这 种实时分析设备都要使用信号分析技术。 结构振动测量中，要分析的信号分为两大类：即确定性信号和随机信号。确 定性信号随时间的变化情况可以用确定的数学关系式描述，分析这类信号的目的 是找出能描述这一信号或现象的某些特征和变化规律，分析这类信号所使用的方 法是付里叶变换方法；随机信号随时间变化的情况是不可预测的，分析随机信号 的目的就是要找出描述其统计规律的一些数学特征或分布规律，从而掌握该信号 的统计特性。 严格地讲在自然界中确定性信号是不存在的。各种现象都伴大量的偶然因 素。因此我们得到的观测信号都具有随机性质，从这个意义上讲信号分析主要 是对随机信号而言的。 信号分析的一般步骤大致可3 分成如下几个方面： ( 1 ) 信号的检测与放大：在结构振动试验中主要检测的信号是振动加速度和 激振力，需要特别指出的是：在信号检测与放大过程中，不管是振动加速度的时间 历程信号，还是激励的时间历程信号都不应该发生变异和失真。换句话说。如果 输入的时间历程为x ( t ) ，则经过加速度传感器( 或力传感器) 和电荷放大器后的输 北京一1 业大学工程硕1 二学位论文 出y ( t ) 应满足y ( t ) = c x ( t ) ，在实践中这种条件是很难满足的，不管是加速度( 或力) 传感器，还是电放大器都可能产生增益、相位变化和非线性失真，这是信号分析 的一个潜在误差源。 ( 2 ) 信号的记录( 包括传递) ：在某些情况下，可以直接将电荷放大器输出 的加速度信号( 或力信号) 送至专用的分析仪器作实时处理，这只有在具备专用 分析仪或该分析仪输入通道数能满足要求情况下4 一能实现。对大多数情况来说， 都需要将检测与放大的信号有线传输并记录在模拟磁带机、数字磁带机磁盘或数 字式数据记录器中。当无法有线传输时，还必须用无线电发送。 ( 3 ) 信号的挑选与预处理：记录在模拟磁带机或各种记录器上的信号要经 过挑选才能进行分析处理。挑选的目的就是要排除过高过低的信号，它们是在检 测与放大信号的过程中因严重的噪声、干扰、信号丢失、传感器或电荷放大器的 过载或失灵等原因造成的。预处理通常指包括记录在磁带机上模拟信号数字化 ( 采样保持和量化) 和对己被数字化的信号进行改变数据形式，转换数据单位予 验数据等项工作。 ( 4 ) 检验与分析：这一步包括对已被量化的并己经预处理的数据进行平稳 性、周期性和正态性检验。 数字信号分析的系统可以是以数字计算机为中心的软件分析系统，也可以是 以f f t 硬件为中心的分析系统，这两系统可以直接接收由前置放大器输出的模拟 信号，经过模数转换器转抉成数字信号，然后进行分析处理，这就是所谓的 在线分析。离线分析是指用磁带记录仪或其他记录装置将要分析的信号首先记录 保存下来，然后再回放输出给分析系统。无论是在线分析还是离线分析它们都必 须要把模拟信号转换成数字信号。这是因为数字计算机只分析和处理数字信号。 另外，两种分析所依据的计算公式和分析处理步骤大致都相同。课题研究中我们 采用的数字信号分析系统( 如图2 - 1 所示) ，这是采用锤击方法对胶印机机座进行 模态分析测试的数字信号分析系统简图。被测的信号是由力锤敲击机座时产生的 激励力和机座产生的振动加速度，该信号经过传感器和放大器转变为模拟电压信 号，离线分析时，在测试现场用记录仪把信号记录下来，分析时回放记录信号， 将回放的记录信号送入信号分析仪，进行分析处理；在线分析则如图中所示，把 放大器输出的模拟电压信号直接送入信号分析仪，进行分析处理。由动态信号分 ：，。一：! ：三耋，! 壁垒丝堡i 垒些耋丝堑兰奎丝i 坠，一：! ，! ，。， 析仪可将分析所得的结果送入计算机，应用s t a r 模态分析软件进行模态分析。 闰2 - 1 测试研究中所采用的数字分析系统 p i c t u r e2 - lt h en u m e r i c a la n a l y t i c a ls y s t e mi nm e a s u r i n gr e s e a r c h 课题测试研究中采用的分析仪是美国惠普公司生产的具有先进水平的可以 进行高速实时分析的双通道信号分析仪h p 3 5 6 2 a ，它的基本结构如图2 2 所示。 它可以同时测试两路信号，通道a 通常输入激励信号，通道b 输入响应信号。从 通道接口接入的信号首先进入输入放大器，放大器可以对信号的强弱进行调节， 以提高信嗓比。随后，低通数字滤波器对信号进行滤波处理以消除频谱混叠的问 题。经过滤波处理的模拟电压信号再经过a d 板转换为数字信号，输入进f f t 分 析器。f f t 分析器是专用的可以高速进行f f t 和f f t l 转换运算的芯片组成，信号 经过芯片就可以富里叶变换，f f t 分析器通过i o 与微机相连，在微机的控制下， 可以进行各种各样的信号分析工作，信号及其分析结果可以在微机屏幕上显示， 也可以在外接的设备上存储或打印输出，如，外接的计算机即可以作为存储设备 使用，又可以作为进行进一步的分析处理设备用。h p 3 5 6 2 a 是一种仪器化的数字 式动态分析系统，特别是它具有z o o m 功能，就使得它成为进行结构振动测试分 析的理想工具。 图2 - 2h p 3 5 6 2 a 信号分析仪结构简图 p i c t e r e2 - 2t h es t r u c t u r ed i a g r a mo f t h eh p 3 5 6 2 as i g n a ia n a l y z i n g 2 2 脉冲激振方法测振 脉冲激振方法是一种广泛使用的一种瞬态激振法，它用一个带力传感器的手 锤敲击机械结构，用安装在机械结构上的加速度传感器( 或位移、速度传感器) 测量响应，把力和响应信号放大并同时送入快速傅立叶分析系统，经过处理，得 到频率响应函数( 如图2 1 所示) 。这一方法设备简单，测试灵活效率高。本课 题在测定胶印机的频率响应函数时采用了脉冲锤击方法。 2 2 1 采样频率六与频率分辨率 对于平稳随机信号和周期信号，按香农采样定理：只要采样频率大于或等于 信号最高频率的两倍就能完全复员信号。但对于脉冲锤击信号，由于脉冲宽度很 小，因此频率成分非常丰富，当数据长度一定采样频率过低时，易出现频率混叠 现象，而采样频率过高，会使频率分辨率，降低。 在实验中，一般取 ，= ( 2 5 4 o ) l 鹭= f ：土 s 式中 l 一为采样点数 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 缸一为采样的时间间隔； 正一为分析频率带宽。 本课题研究时使用的h p 3 5 6 2 a 动态信号分析仪采用数据滤波方法滤去分析 频率带宽正以外的高频成分，采样点数n 2 2 0 4 8 。 2 2 2 不同锤头材料的频率特性 在脉冲锤击试验中，锤头材料的频率特性是非常重要的。在正式试验前，应 研究不同锤头材料的频率特性。锤头材料的频率特性是指敲击机械结构时，由锤 0 笫2 章机械结构振动祝i 试与分析技术概述 头材料与被击结构接触后所产生的激励力能量随频率变化的特性。锤头材料的选 择是根据测试对象固有频率的估计以及锤头材料的频率特性，所用的锤头材料应 能激发起所要的全部低阶振动模态。 常用的锤头材料有钢、尼龙、橡胶等。不同锤头材料的频率特性是不一样的， 一一般锤头材料愈硬，则其力谱的宽度愈大。因此如果测试机械结构的固有频率比 较高，那么就应该选用较硬的锤头：如果测试机械结构的固有频率比较低，那么 就应该选用较软的锤头。由于胶印机机体的固有频率比较低，故在课题研究中采 用尼龙锤头。测试结果表明，采用尼龙锤头，可以激发起机体的低频振动，从而， 较好她测定了机体的低阶固有频率。 2 2 3 频率响应函数、相干函数、窗函数和平均处理 荆雨x w ) 等 。 式中，f 如) 为输入激励信号五，) 的傅立叶变换，x ) 为输出响应信号x ( ，) 的傅立 论依据，根据此式，求机械结构的频率响应函数只要将激励信号和响应信号分别 作傅立叶变换，再相除，这些工作都可以通过动态信号分析仪完成。这种方法速 度快、成本低，是最采用的快速测定结构频率响应的有效方法。 分措孙 s ， 式中，s 。杪) 为，( f ) 与j ( f ) 的互谱密度，s ，( 厂) 和只驴) 为，o ) 与x ( f ) 的自谱密度。 对于常参数线形系统，当测试无噪声存在时，相干函数等于1 。如果测试信 号全是噪声，则相干函数等于0 。般测试中，信号中存在噪声是不可避免的， 北尿i 业大学工程碗j 学位论文 因此，相干函数是小于1 大于0 的正数。影响相干函数的因数很多：脉冲信号或 响应能量不足，传感器安置不准确不牢固，测量的分辨率不高等都可能造成相干 函数降低。在测试中，我们把相干函数作为检查测试分析质量和可信程度的一个 参考数据，一般保证相干函数大于0 7 。 在信号分析中，由于数据样本不可能取得无限长，因此，总存在着数据截断 问题，这就造成了功率泄漏和数据统计的变异，造成了分析精度降低。 减小功率泄漏的办法是使用窗函数。在锤击测试中，对激励力信号采用力窗， 对响应信号采用了指数窗。在对胶印机印刷时的振动信号进行谱分析时，采用了 海宁窗。 减小数据变异的方法一是加大数据长度，这样处理，数据工作量大，对设备 的要求也高；其二是，对同一对象独立观测多次，然后，对结果进行平均化处理。 h p 3 5 6 2 a 分析仪提供了多种平均方式，如线性加法平均、指数平均等。平均处理 的目的是提高统计分析精度，通常平均次数愈多，则精度愈高，统计误差愈小， 但平均次数愈多，数据分析的工作量愈大。测试分析表明，锤击测试时平均次数 ：，不少于2 0 次，就可咀取得较好的分析结果。 2 3 机械结构模态分析 2 3 1 模态分析的基本概念 所谓机械结构的模态分析，是要求机械结构的模态参数。 复杂机械结构的振动可以通过如下的运动方程来研究： 【卅 j + 【c + 【足协) = 厂) ( 2 _ 6 ) 不考虑阻尼和外力，则方程简化为： m ) + 【叫= 0 ) ( 2 - 7 ) 通过该方程可以求机械结构的固有频率和振型。方程可以变换为一个齐次方 程组： _ 2 旧】+ 医】 4 ) = o ) ( 2 8 ) 该方程组有解的条件是其系数矩阵的行列式等于零，即： l _ 9 0 2 u l + x l i = 0 ( 2 9 ) 1 2 展开行列式得到一个高次多项式方程口。6 0 2 ”+ 口。国2 ( “+ 斗d 。：0 ，解该方 程可以求得n 对共轭根，取其正值就是机械结构的固有频率： 甜= + 。，i = 1 , 2 ，3 ，h( 2 1 0 ) 对应每一固有频率，可以求得一个模态振型： 令= 国。，将其代入方程， 一h 2m 】+ 】) 爿1 = o ，i = 1 ，2 ，j ，3 - ，”，从这n 个方程组可以求得n 个解 4 1 ) ，a2 ) ，a 3 ， 4 “) ，即机械结构的模态振型。 对运动方程作线性变换，把n 个模态振型向量组成一个方阵 【i f ，】= a 1 4 2 a “ 该矩阵称为振型矩阵，把该矩阵作为变换矩阵， x = ( 爿j e 问= 矿】 q e 埘= 妒】 吼， 式中，白。 称为模态位移向量。 ( 2 1 1 ) 当满足弹性小位移满足比例阻尼条件时，于是运动方程就由一个由位移速度 和加速度表达的方程转变为一个由模态位移模态速度和模态加速度表达的模态 方程： m + 【c 口) + 【) = 【妒九厂 = p ) ( 2 - 1 2 ) 式中， p ) 称为模态力向量。 将模态方程展开，可以得到1 1 个独立的微分方程： m 藏+ c i 尊f + k l q 。= p f ，1 ， f - l “2 ，h jj 式中，m ；，c ik i 分别称为i 阶模态质量、模态阻尼和模态刚度，由此可以确定模 态固有频率巧旷模态阻尼比善。和模态位移q ，： = 厝 弘警 ( 2 _ 1 4 ) ”不可p i 硐 模态分析就是要确定模态质量、模态阻尼、模态刚度、模态固有频率、模态 北京工业大学工程硕士学位论文 阻尼比、模态位移和模态振型，即所谓的模态参数。一旦确定了机械结构的模态 参数，机械结构的振动状态就可以用模