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中文摘要 高速压力机隔振设计与实验研究 研究生：张德峰指导老师：贾方副教授 ( 东南大学机械工程学院，南京) 摘要 高速压力机的振动不仅影响其性能、模具的使用寿命和产品的加工精度，还对操作者和周围环境造 成极大危害。本文以j f 7 5 g 2 0 0 型高速压力机为研究对象，结合振动测试实验，比较了现有两种不同隔 振器的实际隔振效果，在高速压力机实验研究和数值仿真的基础上确定高速压力机隔振频率范围；根据 实验和仿真结果，设计了符合隔振要求的非线性组合隔振器，并进行了实验验证。 本文首先通过振动测试实验，测试了w j - 9 0 型橡胶隔振垫和金属弹簧阻尼隔振器的隔振性能。测试 结果表明，w j - 9 0 型隔振器对高频振动具有良好的隔振效果，但整体隔振效果不佳；金属弹簧阻尼隔振 器能有效的削减高速压力机对地面的冲击。但不能隔离高频振动，且由于成本等原因，也不是隔振首选。 通过振动测试数据和有限元理论分析，确定了j f 7 5 g 一2 0 0 型高速压力机的结构阻尼比和垂向刚度等 高速压力机的关键技术参数。对高速压力机的打桩工况和冲裁工况的周期激励信号进行傅里叶展开，分 析各倍频上的谐振分量，分析结果表明，打桩工况比冲裁工况更能激发高速压力机动态响应。 对于高速压力机隔振系统的研究，传统的数值分析仅分析一次行程内的振动：现在的数值分析方法 一般都将高速压力机打击力作为一对内力处理，忽略了滑块和上模具的运动对高速压力机的运动的影 响。本文根据冲击载荷的特点，提出的冲量仿真法弥补了上述数值仿真的缺点。该方法在 m a t l a b s i m u l i n k 建立可视化仿真模型，基丁振动测试实验的确定高速压力机冲量，仿真结果与振动实 验比较吻合，通过仿真分析确定隔振频率范围。 基于上述研究结果，通过对几种压力机主要隔振元件的分析，本文选用了具有刚度非线性特性的碟 形弹簧作为主要的隔振元件，设计了组合隔振器。本文建立了叠合碟簧的有限元模型，进行了大变形非 线性接触分析，获得叠合碟簧的非线性组合刚度曲线。w j 一9 0 型橡胶隔振垫具有高频隔振、稳固防滑等 优点，与碟形弹簧组合使用，构成组合隔振器。测试结果表明，该组合隔振器具有良好的隔振效果。同 时，还具有成本低、便于制造、使用方便等优点。 关键词：隔振设计，a n s y s ，振动测试，组合隔振器，碟形弹簧 英文摘要 v i b r a t i o na n a l y s i sa n di s o l a t i o nd e s i g n f o rh i g hs p e e dp r e s s c a n d i d a t ef o rm a s t e r ：z h a n gd e f e n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f j i af a n g ( s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y ) a b s t r a c t t h ev i b r a t i o no fh i g hs p e e dp r e s sn o to n l ya f f e c t st h em a c h i n e sp e r f o r m a n c e ，t h ed i e se n d u r a n c ea n d p r e s sf o r g i n ga c c u r a c y , b u ta l s oh a sh a r m f u le f f e c t so nt h eo p e r a t o r sa n dt h el i v i n ge n v i r o n m e n t t w ok i n d so f v i b r a t i o ni s o l a t o r s p e r f o r m a n c ea r et e s t e di nt h ev i b r a t i o nt e s te x p e r i m e n tf o rj f 7 5 g 一2 0 0h i 曲s p e e dp r e s sa s t h ep a p e r sm a i nr e s e a r c ho b j e c t ，n l ei s o l a t i o nf r e q u e n c yr a n g ei sg o tb a s e do nh i 【g hs p e e dp r e s s e x p e r i m e n t s t u d ya n ds i m u l a t i o n ，s oan o n l i n e a rc o m b i n e di s o l a t o ri sd e s i g n e d ，a n dw h o s ep e r f o r m a n c ei sv e r i f i e db y v i b r a t i o ne x p e r i m e n t a tf i r s t , w j - 9 0r u b b e rv i b r a t i o ni n s u l a t i n gp a da n dm e t a ls p r i n g d a m p i n gi s o l a t o ra r et e s t e di nt h e v i b r a t i o nt e s te x p e r i m e n t t h ef o r m e rh a sg o o de f f e c t so nh i 【曲f r e q u e n c yi s o l a t i o n ，b u tt h ec o m p r e h e n s i v e e f f e c ti sn o tg o o d t h el a t e rc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ei m p a c ta g a i n s tt h eg r o u n d ，b u ti th a sn oe f f c to nh i 曲 f r e q u e n c yi s o l a t i o na n db e c a u s e o fi t sh i g h e rc o s t s ，i ti sn o to p t i m a l s o m en e c e s s a r yp a r a m e t e r ss u c ha st h es t r u c t u r a ld a m p i n gr a t i oa n dv e r t i c a ls t i f f n e s sa r ed e t e r m i n e do n t h ee x p e r i m e n ts t u d ya n df e m a n a l y s i s p e r i o d i ce x c i t a t i o ns i g n a l so fs t a m p i n gw o r kc o n d i t i o na n db l a n k i n g w o r kc o n d i t i o na l ep r o c e s s e dt h r o u g hf o u r i e re x p a n s i o n ，a n dt h e nt h er e s o n a n tc o m p o n e n t so ne v e r ym u l t i p l e f r e q u e n c ya r cg o t t h ea n a l y s i ss h o w st h a tt h es t a m p i n gw o r kc o n d i t i o nc a ni n s p i r et h eh i 【g hs p e e dp r e s s d y n a m i cr e s p o n s e sm o r et h a nt h eb l a n k i n gw o r kc o n d i t i o n f o rh i g hs p e e dp r e s s v i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e m ，t h et r a d i t i o n a ld a t aa n a l y s i so n l yr e s e a r c h e st h ev i b r a t i o n i no n es t r o k ea n dt h ec u r r e n td a t as i m u l a t i o n sc o m m o n l yl o a d st h ei m p a c tf o r c ea sac o u p l eo fi n n e rf o r c e ss o t h a tt h ei n f l u e n c eo ft h es l i d ea n du p p e rd i e sm o t i o no nt h ep r e s si si g n o r e d b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co f i m p a c t1 0 a d ，t h ei m p u l s es i m u l a t i o ni sp r o p o s e dt or e m e d yt h ef o r m e rm e t h o d e s d e f e c t s ，a n dt h ev i s u a l s i m u l a t i o nm o d e li sb u i l ti nm a t l a b s i m u l i n k t h ei m p u l s ei sd e t e r m i n e db yt h ev i b r a t i o nt e s te x p e r i m e n t a n dl o a d e do nt h ev i s u a ls i m u l a t i o nm o d e l t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n a l y s i sc o r r e s p o n dt ot h ev i b r a t i o nt e s t a n dt h er a n g eo fi s o l a t i o nf r e q u e n c yi sg i v e n b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c ha n dt h ea n a l y s i so ns o m em a i ni s o l a t o r sf o rt h ep r e s s d i s ks p r i n gi ss e l e c t e d a sm a i ni s o l a t o rt od e s i g nac o m b i n e di s o l a t o rw h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fs t i f f n e s sn o n l i n e a r i t y i nt h i s p a p e r , an o n l i n e a ra n dv a r i a b l es t i f f n e s sc o m b i n e di s o l a t o ri sd e s i g n e df o rj f 7 5 g - 2 0 0h i g hs p e e dp r e s s t h e c o n g r u e n td i s ks p r i n g sf e mm o d e li sb u i l t ，a n dt h el a r g e d e f l e c t i o nn o n l i n e a rc o n t a c ta n a l y s i si sc a r r i e do u t t h en o n l i n e a rs t i f f n e s sc u r v eo fc o n g r u e n td i s ks p r i n gi s g o t t h ec o m b i n e di s o l a t o ri sc o m p o s e do fd i s k s p r i n g sa n dw j 一9 0r u b b e rv i b r a t i o ni n s u l a t i n gp a d t h ev i b r a t i o nt e s te x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h ec o m b i n e d i s o l a t o rh a sg r e a tv i b r a t i o ni s o l a t i o np e r f o r m a n c e ，w h i l ei th a sm a n ya d v a n t a g e st h a ti t sc o s ti sl o w e ra n di tc a n b ee a s i l ym a n u f a c t u r e d ，s oi th a sv e r y h i g he n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：v i b r a t i o ni s o l a t i o nd e s i g n ，a n s y s ，v i b r a t i o nt e s t ，c o m b i n e di s o l a t o ld i s ks p r i n g i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南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。 研究生签名：幽期：! 掣 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公稚( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：篓至垒刍：导师签名： 日 期： n 第章绪论 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 国家的装备制造业的整体能力和发展水平决定者该国的经济实力、国防实力、综合国力和在全球经 济中的竞争与合作能力，决定着国家的实现现代化和民族复兴的进程。锻压生产在装备制造业中占有举 足轻重的作用，据有关调杏表明，飞机上采用的锻压( 包括板料成形) 零件占8 5 ，汽车占6 0 7 0 ，农 机、拖拉机占7 0 。目前全世界仅钢模锻件的年产量就在1 0 0 0 万吨以上【1 1 。因此，锻压设备是装备制 造业中的一大类丁作母机i z j 。在各类机床中占有较大的比例，据2 0 世纪9 0 年代不完全统计，全世界的 主要机床生产国中，锻压机床的产值占所有各类机床产值的3 0 左右。 现代社会的工厂生产要求具有生产周期短、产品残次率低和较低的生产成本。锻压工艺，相对于其 它工艺而言在一定程度上能较大程度的满足上述要求。锻压工艺利用金属的塑性，通过压力获得产品的 形状，能够改变金属的内部组织，提高金属本身的承载能力，提高材料的利用率；还具有较高的生产率 和零件精度。建国以来，尤其是材料力学、计算机科学和现代力学的成果融入锻压技术之后，我国锻压 技术有了飞跃的发展。从教学、科研和生产方面形成了一套完整的专业体系。特别是专业人才培养和锻 压技术科研等方面，与先进国家没有太火差距。但就全行业普遍生产水平而言，不仅与世界先进国家的 差距很大，就是与国内其它机械制造行业相比，也是落后的行业之一p j 。 当前压力机向高速、智能、数字系统集成方向发展【4 j 。按照目前锻压设备的发展水平，一般将行程 次数n ( 2 5 0 8 0 0 ) 次m i n 定为准高速，n ( 8 0 0 1 5 0 0 ) ； 哆r j m i n 为真高速，n 1 5 0 0 次m i n 为超高速。高速压 力机最高行程次数可达4 0 0 0 次m i n 。行程次数的提高对压力机也提出了较高的要求：1 ) 具有良好的动 平衡性，2 ) 机身刚性好、精度高，3 ) 良好的抗热变形能力，4 ) 高速、高效的送料装置，5 ) 良好的隔 声降噪减振措施【5 j 。相对于普通压力机，高速压力机的振动更为剧烈，其振动强度通常在6 0 d b 9 0 d b 之 间1 6 】，能够影响厂区内部其它精密设备的正常工作，以及影响其他人员和居民区的正常工作和生活，可 能引发厂群矛盾；另一方面，锻压设备的振动为低频振动，相对于高频振动，低频振动不能明显感觉得 到，但是对人体造成的危害却很大，长期工作在压力机容易引起神经衰弱，心率不齐，血压升高，内分 泌失调等症状，严重影响操作人员的身体健康。同时压力机的振动过大将严重影响产品的加工精度和生 产条件以及生产自动化的实现。基于上述各种原因，因此对高速压力机的减振降噪研究具有很大的现实 意义。 压力机的振动是压力机噪声产生的根源，因此压力机的振动减小也能够降低压力机噪声。造成压力 机振动原因有很多，通常认为有以下几个方面：1 ) 曲柄滑块机构运动的惯性力，2 ) 冲裁时t 件突然失 荷引起机身的弹性恢复力，3 ) 模具接触时的撞击力，4 ) 压力机的工作载荷等。压力机的振动主要是由 前面两个原因引起【7j 。一般来说，高速压力机的振动是由起振力( 动载荷) 的大小决定的，起振力主要为 曲柄滑块机构的惯性力【8 】，目前研究最多的就是压力机动平衡问题产生的振动。其它原因造成的振动研 究也有展开。 目前压力机的隔振应用并不广泛，有的厂家直接将压力机底座固连在地基上，或是简单地采用一块 橡胶垫将压力机与地基隔开。压力机采用这样的安装方式将会对压力机自身极其周围环境产生严重的影 响，冈此有必要对压力机采取一定的隔振措施，设计适合不同压力机工作类型的合理隔振装置。在压力 机振动分析与隔振设计过程中，需要对不同工况和不同隔振参数进行动态分析。传统的分析与设计方法 一般依据材料力学、理论力学、弹性力学和振动理论所提供的公式来进行计算。随着基础理论和电子计 算机技术的发展，有限元技术在锻乐机械行业中广泛运用是必然趋势p j 。采用有限元技术可以方便地模 拟出不同的隔振参数在不同上况下对压力机振动和隔振效果的影响，便丁比较不同方案间的优点与不 东南大学硕士学位论文 足。 目前国内的压力机一般都在真高速和准高速范围内，以徐州环球锻压机械有限公司的j f 7 5 g 2 0 0 a 型高速压力机为例，其最高速为n = 3 0 0 次m i n ，其上作状态一般处在2 5 0 2 8 0 次r a i n 。在兼顾隔振效率 和台面振动幅度上，j f 7 5 g 2 0 0 b 正处在2 0 0 4 0 0 次m i n 的范围中，因此需要谨慎从事【6 j 。本课题结合 徐州环球锻压机械有限公司的f 2 0 0 a 型高速压力机开发项目，综合运用基础理论和有限元技术，对压 力机进行振动冲击分析和隔振设计。在比较不同种类隔振器的基础上依照振动冲击分析结果选择合适的 隔振设备。本课题研究成果和方法不仅为高速压力机的振动分析和隔振设计提供了依据和指导，也有助 于同样具有隔振要求的设备、仪器的隔振设计。 1 2 国内外高速压力机发展及其隔振研究概况 1 2 1 国内外高速压力机发展概况 美国亨利拉特公司于1 9 1 0 年首创的四柱底传动结构的高速压力机，标志着高速压力机的诞生。直 到1 9 5 5 年，该机仍为高速压力机的代表机犁。1 9 5 3 年的德国舒勒公司生产出首台1 2 5 0 k n 闭式双点上 传动高速压力机：紧接着瑞士的布鲁德勒公司也研制了b s t a 系列上传动高速压力机；后来美国的明斯 特公司推出的p u l s a r 系列超高速压力机以及日本的会田公司引进瑞士布鲁德勒公司技术生产的 a i d a b r u d e r e r 系列b s t a 型高速压力机和p d a l 系列高速压力机也均采用了上传动方式。由于下 传动方式具有重心底、稳定性好等优点，最初阶段下传动方式一直处于主导地位。但是卜传动方式的高 速压力机往复运动部件的质量大，随着高速压力机的行程次数不断提高，由于惯性力引起的振动和噪声 问题越来越严重。由此，上传动方式的高速压力机得到发展，而且以闭式双点式发展最为迅速p j 。 在高速压力机领域，日本厂商暂时处于领先水平i l 。日本在高速压力机的产品性能相对优越，并 且产品种类配套齐全。日本电产京利的m a c h 1 0 0 型超高速精密压力机，在1 0 0 k n 、8 m m 行程的条件 下速度可以达剑4 0 0 0 次m i n 。目前各国都开始了研究高速压力机的伺服控制，日本a i d a 公司的 n s i 1 5 0 0 d 伺服压力机可以根据成形加工条件选择最适宜的滑块运动方式，以实现对难加t 材料的高精 高效加工。日本网野公司在推出了钣金加工用大型伺服压力机之后，于2 0 0 4 年又开发出了2 4 0 0 0 k n 世界 最大级的机械肘杆式伺服压力机，引起了国际上的广泛关注。目前日本的企业在新增压力机时，9 0 是要 购入伺服压力机l l 。当前压力机的伺服控制研究在中国也得到了重视i l2 j 【l 引，各锻床成产企业与大中院 校合作开展了伺服压力机的研究和应用，如东南大学与徐州锻压机床厂合作伺服压力机控制成功实现了 降噪减振的目的【14 1 。 与国外相比，国内高速压力机发展较晚。1 9 8 2 年，济南铸锻机械研究所和北京低压电器厂共同研 制了我国第一台高速压力机，公称压力为6 0 0 k n ，最高转速为4 0 0 次m i n 。徐州环球锻压机械有限公 司和东南大学合作研发生产的j f 7 5 g 一1 2 5 a 高速压力机，公称压力为1 2 5 0 k n ，最高转速为6 0 0 次r a i n ， 正常工作转速为3 0 0 次m i n 。扑通系列压力机以我国台湾振力机械股份有限公司的产品为代表，还有广 州锻压机床厂及济南锻压机床厂等，主要以中小型开式压力机为主流。中国公司的冲压速度中等，最大 速不超过9 0 0 次m i n 【l5 。振力公司开发了中等精度的龙门机架闭式压力机，速度可达到1 0 0 0 次m i n 。 我国的高速压力机与国际水平相比，还存在不小的差距，表现为研发和生产规模小，也是主要集中 在真高速及以下的压力机的开发，很少涉及到真高速以上的压力机开发，一般都是属于中高精度范围。 监测和实验手段相对国外也较落后。因此，我国的高速压力机还有较大发展空间。 1 2 2 国内外高速压力机隔振研究概况 高速压力机冲击特性使其振动控制显得异常困难，许多专家和学者对压力机的振动问题进行了广泛 深入的研究，取得了不少研究成果。但是，目前在这个领域仍然有很多问题有待进一步研究。早在上世 2 第一章绪论 纪六七十年代，国外就开始了高速压力机的噪声与振动控制研究。如何提高压力机床身的抗振性能，是 控制其噪声的有效途径【1 6 】，因此，国外的高速压力机减振研究是和压力机降噪研究在一起进行的。美 国r b c o l e m a n 等在对冲床做了大量研究之后得出结论：冲裁力作用于冲床床身，引起床身的振动而 引发噪声【1 羽。 1 9 8 1 年，gs t i m p s o n 等在2 0 0 吨压力机的比例模型上进行降噪实验。他们在空心的立柱内装入沙 子，由于沙子之间的相互摩擦，提高结构阻尼，从原来的t i = 8 0 x1 0 。增加到0 1 。增大机身内部的阻尼， 可以更多的消耗压力机结构的振动能量，最终使表面的噪声辐射减少1 0 d b i l 别。1 9 8 5 年，e r i c h a r d 、 gj s t i m p s o n 等人分别在压力机的工作台与滑块之间以及模具内部采用了诸如弹簧、橡胶和液压阻尼等 减振缓冲装置，延长冲裁卸载时间，使冲裁噪卢降低，一般可获得5 1 6 d b 的降噪效果【l9 1 。日本的k u s h i d a , h i m s h i ，建立了高速压力机的隔振系统的动力学模型，采用刚度较大的橡胶隔振器对高速压力机进行隔 振，并对隔振刚度调整前后动力学模型的响应进行对比分析，并指出通常采用的降低隔振刚度来隔离低 频振动的方法对衰减机身的振动贡献很小 2 0 】。同时代，德国的s e i d e l 就试图通过改变滑块的运动规律， 改变冲裁力的变化曲线，进而达到减振和降噪的目的l z 。日本k u m a m o t o 大学的m o t s u 等人，利用伺 服电机直接驱动压力机，将冲裁过程分成两段，在冲裁结束前，滑块停留片刻，然后再继续运行，完成 整个冲压过程。这一变化大大改变了冲裁力的规律，极大的降低了冲击振动和噪声【2 引。 相对国外，我国在高速压力机的减振降噪方面的研究起步较晚，但发展较快。尤其是近十年来，国 内对高速压力机的减振降噪的研究逐渐增多。国内的研究主要集中在曲柄滑块机构运动的惯性力上，如 蔺海鸥建立了压力机振动的双自由度的模型，以曲柄滑块的惯性力作为主要激振力，建立隔振优化参数 优化的仿真程序 7 1 。李建平等也分析了引起压力机振动的各种原因，主要分析了由曲柄滑块机构运动的 惯性力引起的振动并提出了解决措施1 8 j 。赵升吨教授探讨了高速压力机惯性力的正确计算方法，和高速 压力机降低惯性力及动平衡的途径。分析并明确指出高速压力机上不宜采用滑块动平衡缸。并对国内外 高速压力机的不同动平衡机构的j 二作原理及特点进行了深入的研究【z 3 j 1 2 4 | 。徐州环球锻压机床厂的周文， 结合本厂高速曲柄压力机产品开发实例，通过对曲柄滑块机构惯性力的分析，介绍了一种反相机构动平衡 法，降低了由惯性力带来的振动1 2 ”。东南人学与徐州锻压机床厂合作，在锻压机床的开发和隔振上等方 面做了深入的研究。以徐州锻压机床厂j f 7 5 g 1 2 5 型压力机为例，东南大学的张晓阳建立了在a d a m s 中的动力学模型，采用二次优化方法进行动平衡优化，并对优化后的模型进行了仿真，并提出了该型号 压力机的动平衡优化改进方案1 26 | ；张皓、胡金龙建立了j f 7 5 g 1 2 5 型压力机的有限元模型使用a n s y s 和 l s d y n a 等有限元软件进行了静动态分析，确定了该型号压力机的两自由度模型的隔振参数【2 7 l 【2 引。这 些研究成果为今后我国高速压力机的发展奠定了基础。 高速压力机冲裁板料，当板料断裂时会造成压力机突然失荷，引起机身弹性力恢复，导致机身剧烈 振动。在压力机动平衡做的较好的情况p 列j ，这种弹性力引起的振动冲击尤为突出，在冲裁突然失衙 的瞬间释放大量的能量，引起对底座的冲击，而这种周期是和压力机的打击周期相同的。合肥工业大学 的吴旦中分析了闭式压力机冲裁失荷动力过程以及对基础隔振的影响，建立了无基础隔振的两自由度模 型和有基础隔振的三自由度模型1 2 引。大多数隔振器生产厂家也是以压力机的打击频率作为主要隔振频 率设计隔振器的，如青岛隔而固减振器公司专为压力机的设计的p s g 系列的减振器其系统频率约为 2 s h z ( 1 5 0 次m i n ) 。经过测试，p s g 系列隔振器的效果较好，但是整机振幅最大超出了1 0 m m ，显然该 隔振效果是以牺牲振幅为代价的。产生大振幅的原因是：为了追求过低的系统频率，降低了弹簧刚度， 而实际上减振器所产生的阻尼力不足以充分吸收压力机振动冲击产生的能量，导致了压力机工作台面振 幅较大。因此，按照常规的弹簧阻尼隔振器的设计方法不能充分满足高速压力机的隔振要求，寻求更好 的隔振设计手段成为目前的研究方向。 以压力机的打击频率作为主要隔振频率的隔振设计属于极低频率隔振设计范畴。r a i b r a h i m l j 叫介 绍了目前极低频率隔振研究的发展状况，明确地将极低频率定义为0 1 1 0 h z 。极低频率的隔振研究主 要用于精密仪器的被动隔振上，而目前的高速压力机的打击频率大多在极低频率的范围内。对于极低频 率的隔振，国外研究很多。a c a n e l l a 等提出了使用永久磁铁和弹簧设计高静态刚度低动态刚度的隔振 3 东南大学硕士学位论文 器的概念，并设计了模型，实验验证模型的高静态负载低动态刚度的特性，成功的降低了系统的固有频 率【3 l 】。d a v i dl p l a t u s 3 2 1 1 3 3 1 使用负刚度的隔振器为各种数字精密仪器作被动隔振，其隔振系统的固有频 率在0 5 h z 左右，使2 h z 的振动衰减了2 0 d b ，5 h z 的振动衰减了- 4 0 d b 。c - m l e e 等为车辆发动机设 计的负刚度减振器成功用在汽车发动机上减振p4 | 。利用钢丝绳的柔性设计的悬挂系统也经常用在在较 低的隔振频率的隔振器设计研究中p 5 1 ，m a r k a b a r t o n 等设计的钢丝绳悬挂系统其同有频率是可调的， 也在一个较低的范闱。d gb l a i r , j el i u 等人对折替摆隔震器展开了研究，给出了折叠摆隔震器的设计 公式，并且做了实验验证，实验结果表明折叠摆的吲有频率在0 0 3 h z 左右，对地震波就有良好的隔震 效果【3 6 j 【4 训。t t s o n g 在书中讲述了用在结构工程上的各种被动能量耗散结构1 4 。这些研究主要集中在 被动隔振上，且需要隔掉的外界扰动的也不是太大，被隔振的对缘与压力机相比体积和重量也较小，但 是其负刚度非线性的隔振设计思想可以借鉴到压力机的主动隔振上。 非线性隔振在我国也研究也较多，集中的应用领域出现在楼层的隔震设计中。河北理t 学院的杨林 在楼层两侧增加弹簧，设计了变刚度隔震保护装置【42 | 。赵强利用碟形弹簧的刚度非线性研究了建筑竖 向减震装置【4 3 1 ，建立了单质点体系的竖向基础隔震的分析模型，并考察实际地震波造成的影响，施加 碟形弹簧的隔振设施，增加了振动位移，但其振动加速度大幅下降，在增加的振动位移不影响建筑物结 构的前提下取得了良好的隔振效果。季馨讲述了电子设备用的典型的高性能隔振器，介绍了采用刚度拟 合原理，实现较理想的动态特性的设计方法1 4 4 i 。碟形弹簧在变刚度非线性隔振设计中扮有重要的角色， 常用于重型机械的缓冲、减振【4 5 1 。熊世树利用钢丝绳和碟形弹簧组合制成的新型隔振器成功的用在爆 炸试验窒基础隔振系统中，改造后的爆炸实验室的抗冲击能力比改造前提高了5 0 1 4 6 1 。赵强在文中提 到了以m 1 3 2 a 自由锻锤使用碟形弹簧隔振的实例，隔振改造后，基础加速度降低了9 4 ，隔振效果十 分显著。 1 2 3 调研概述 针对目前压力机使用状况做了一系列有针对性的振动测试，前往调研的压力机使用单位主要有：江 苏泰州晨光车业有限公司，江苏靖江华达汽车配件有限公司，上海众浩汽车配件有限公司，上海远东机 床有限公司，宁波中环电机有限公司，杭州东华链条有限公司等多家单位。测试的机型主要有：徐卅i 环 球锻压机床有限公司的j a 2 1 1 6 0 型压力机、j e 2 1 2 5 0 a 型压力机、j e 2 1 4 0 0 型压力机、j e 2 1 h 1 1 0 型 压力机、z 2 1 4 0 0 犁压力机、j f 2 1 1 6 0 b 型压力机，浙江锻压机床厂的j z 2 1 1 5 0 b 型压力机，上海远东 机床厂的1 2 5 t 样机。对这些压力机的工作环境和工作状况进行调研和振动测试发现： 1 工作环境较差，大多没有采取隔振设备。在众多厂家中，大多没有采取隔振措施，直接将压力机 底座与地面同连，引起地基的强烈振动。少数压力机采取了隔振措施，但是由于隔振设备的参数设计不 尽合理，隔振效果甚微。 2 部分企业设备超载严重，设备维护不到位。例如某厂2 0 0 6 年1 1 月投入使用的公称压力为1 2 5 吨 开式压力机，实际工作负荷至少达到1 5 0 吨，机身测试点振动加速度达到1 6 0 4 m s 2 。在压力机工作工 程中，可以清楚地观察到机身产生的弹性变形，压力机的电气设备和零部件经常损坏。 3 公称力相同吨位的压力机，开式压力机相对于闭式压力机机身的振动加速度至少是闭式压力机的 两倍以上，其静态性能和动态性能明显不如开式压力机。对于对于工作载荷相对于公称压力较小的小吨 位压力机，压力机的振动主要是离合器结合时冲击所产生的；对于工作负荷相对于公称压力较大的大吨 位压力机，振动主要是= 作时的冲击力产生的。 压力机的隔振属于主动隔振的范畴，对这样的大型重型设备通常采用附加机器基础，开挖隔振沟槽 的方式，这样一方面增加了厂房建设费用，另方面影响了压力机的搬运和移动，不利于生产线的调整 和发展，很多企业不愿意采取这个方式。市场上有专门设计的弹簧阻尼减振器，但是成本较大，通常是 和压力机配套出售，其价格附加在压力机成本上，由于这种减振器价格不菲，削减了锻床厂的利润空间。 因此，从各方面考虑，寻求一个简单、成本低廉的减振方式成了压力机使用企业和锻床厂之间达到平衡 的必需手段。 4 第章绪论 1 3 课题来源及意义 随着现代工业的发展，高速压力机的使用越来越广泛，与此同时压力机滑块行程次数提高加快，对 加工工件的质量要求很高，压力机的振动控制越来越受到关注。根据我国锻压机械行业的现状，需要开 发耗能少，造价低，稳定可靠且方便制造的隔振袈置来满足压力机生产企业和使用企业的需求。 本课题结合徐州环球锻压机械有限公司委托的“j f 7 5 g 2 0 0 型高速精密压力机研发”项目，结合高 速压力机使用厂家使用现状，分析和测试压力机打桩工况的动态特性并测试不同隔振设备下压力机的振 动，对隔振效果做出评估，并根据测设数据重新设计适合该型号压力机的隔振器。该型号压力机的主要 参数如下： 型号：j f 7 5 g 2 0 0 公称压力：2 0 0 0 k n 行程次数：0 3 0 0 次份钟 滑块行程： 3 0 m m 1 4 课题研究的主要内容 本论文结合徐州环球锻压厂j f 7 5 g 2 0 0 型高速压力机研发项目，对现有的两种隔振器进行振动测试 实验：本文在前人研究的基础上，通过测试和数值模拟的方法力求进一步探索高速压力机振动产生的机 理，试图根据仿真模拟结果确定隔振频率范围，选择碟形弹簧作为主要隔振元件设计一套适合该型号压 力机的新型隔振系统。本文所设计的以碟形弹簧为主要隔振元件配以橡胶隔振垫使用的组合隔振器能有 效的隔离高速压力机的冲击和高频振动，对减少环境噪声的污染以及提高企业经济效益都具有十分重要 的意义。本文提出的设计方法和思路也为其他型号的压力机的隔振设计提供了参考。主要完成以下工作： 1 对现用于j f 7 5 g 2 0 0 型高速压力机的两种隔振器进行振动测试实验，获得振动测试数据，比较得 出两种隔振器的隔振性能。 2 通过分析振动测试数据并结合其它材料和分析，确定i f 7 5 g 一2 0 0 型高速压力机相关关键技术参数， 为理论计算和仿真分析提供合理有效的依据。 3 高速压力机的振动异常复杂，既有滑块的冲击作用，也有冲裁失荷时的振动。因此本文在实验的 基础上提出使用冲量仿真法研究高速压力机的振动，并基于仿真结果确定隔振频率范围。 4 根据压力机相关参数选择碟形弹簧的类型。对碟形弹簧的替合形式进行有限元分析，获得非线性 刚度曲线，确定碟形弹簧的数鼋和组合形式，以碟形弹簧作为主要的隔振元件设计隔振器。再配以橡胶 隔振垫使用，组成组合隔振器。 5 将设计的组合隔振器使用在j f 7 5 g 一2 0 0 型高速压力机上，通过现场测试验证组合隔振器的隔振效 果。 5 东南大学硕士学位论文 第二章高速压力机振动测试实验 现代社会经济和科技高速发展，对企业的研究和开发提出了更高的要求，企业和高校联合进行了大 量的虚拟设计和数值仿真研究，振动测试实验是检验和验证仿真结果准确性的一个重要手段，振动测试 结果也可以指导虚拟设计和数值仿真。高速压力机振动问题是机械工程领域一个十分重要的研究课题， 冲击载荷的特征使得研究工作异常困难，而且很难直接通过理论计算获得精确结果，此时往往需要借助 于实验手段，振动测试实验是研究振动的重要手段，因此，高速压力机振动测试实验具有十分重要的现 实意义。 2 1 高速压力机简介 高速压力机的滑块行程次数一般在2 0 0 次m i n 到1 3 0 0 次m i n 之间，行程次数大于1 3 0 0 次m i n 的 压力机称为超高速压力机。未来滑块行程次数将朝着2 0 0 4 0 0 次m i n 的准高速和1 3 0 0 次，m i n 以上的超 高速方向发展。相对普通压力机，高速压力机对润滑系统、结构强度，特别是隔振设计有更高的要求。 高速压力机般有以下几个组成部分： 1 工作机构，一般为曲柄滑块机构，由曲轴、连杆、滑块等零件组成。 2 传动系统，包括齿轮传动、皮带传动等机构。 3 操纵系统，如离合器、制动器。 4 能源系统，如电动机、飞轮。 5 支承部件如机身。 除了上述基本部分以外，还有多种辅助系统与装置，如润滑系统、保护装置以及气垫等。 机身是曲柄压力机的一个重要的基本部件，是压力机中使用金属材料最多，结构最复杂、制造工作 量最人的部件，工作时要承受全部r r = 作变形力，因此，机身部件对整个闭式压力机的工作性能有着举足 轻重的影响，通常压力机也是按照机身结构形式划分。 根据压力机的机身结构形式，压力机可分为两大类型：即开式机身和闭式机身。前者三面敞开，操 作方便，但刚度较差，适用于中小型压力机：后者两侧封闭，刚度较好，但操作不如开式的方便，适用 于大中型压力机及某些精度要求较高的小型压力机。 开式机身有较大喉深，可冲压较大零件。开式机身常见类型如图2 1 所示。按机身背部有无开口可 分为双柱机身( 如图中a ) 单柱机身( 如图中b 、c ) 。按机身的工作台可否移动分为固定台( 如图中b ) 和活动台( 如图中c ) 。此外尚分柱形台、转动台等。 a ) 双柱可倾机身b ) 单柱同定台机身c ) 单柱活动机身 图2 一l 开式机身类型 6 第二章高速压力机振动测试实验 务 j - 4 = 、珂j 严 【l臼 、一 一 一、一 弋广一，1 r a ) 整体式b ) 组合式 图2 2 闭式机身类型 闭式机身又分为整体式、组合式，常见类型如图2 2 所示。整体式机身( 如图中a ) 加工装配工作 量较少，但需要大型加工设备，运输也较困难。组合式机身( 如图中b ) 是由拉紧螺栓将横梁、立柱、 底座三部分牢固地联接起来，构成一个完整机身。与整体机身相比组合机身不仅可使压力机的承载能力 提高，而且还具有结构紧凑、刚度大、重量轻、制造容易等特点，使得组合机身受到人们越来越多的青 睐。 2 2 高速压力机振动问题及其隔振元件介绍 2 2 1 高速压力机振动问题综述 高速压力机的各个部件在压力机下作过程中，会产生复杂的振动，诸如压力机所用电机带来的振动、 曲轴偏心质量旋转带来的振动、压力机冲裁失荷带来的机身振动等各种原因。但是有些振动并不对压力 机的工作性能产生影响，一般认为能够明显造成压力机振动有如下几个方面： ( 1 ) 启动过科引起的振动 对于带有基础隔振的高速压力机系统，由于其隔振频率设置的往往较低，压力机在启动过程中随频 率逐渐升高，必然要经过共振区，振幅明显增大。启动过程大致可分为两个阶段：第一阶段为电机带动 飞轮等同转体完成从零剑正常转速的过渡，在这个过渡过程中，当飞轮的转速和系统的i 古| 有圆频率接近 或相等时，机械系统将处于共振状态，振幅将明显增大，但由于启动速度较快，飞轮在共振状态下运转 时间较短，振幅增长有限，通常为正常工作时振幅的3 5 倍【1 】：第二阶段是在第一阶段激发起系统具有 一定初始位移和初始速度条件下的自由振动和受迫振动的替加，初始条件取决于第一阶段启动的快慢， 启动得快，初始位移和初始速度就小，第二阶段的过渡过程就短，否则相反。 ( 2 ) 停机过程引起的振动 停机过程也可分为两个阶段：第一阶段虽然电机电源切断，飞轮在惯性力矩和阻尼力矩作用下，处 于减速回转状态，当转速降低到系统固有圆频率以下时，由于转速低，离心力也很小，对系统已不起激 振作用，在减速回转过程中，当激振频率逐渐接近系统的固有圆频率时，振幅将增大，由于转子的阻尼 力矩较小，所以停机过程越过共振区较启动过程越过共振区的时间充分，越过共振区时的振幅通常可以 达到压力机正常丁作时振幅的5 7 倒1 1 。第二阶段为衰减自由振动，这种自由振动衰减快慢要取决于系 统的阻尼，阻尼包含振动阻尼和转子回转阻尼，回转阻尼影响转子的减速和越过共振区的时间，也就意 味着影响第二阶段的初始条件：振动阻尼影响振动的衰减速度。若第二阶段的初始位移和初始速度小， 振动阻尼又较大，则第二阶段较短，否则相反。 ( 3 ) 离合器的结合与脱开能够引起压力机的振动，也产生很大的噪声。压力机的寸动操作靠离合 器不断结合与脱开来实现，频繁的寸动操作会引起压力机较为明显的振动。 7 东南大学硕士学位论文 ( 4 ) 压力机未实现动平衡引起的振动 压力