（木材科学与技术专业论文）人造板宽带式砂光机的振动试验模态分析.pdf

摘要 木材行业一直是砂带磨削机械的大用户。然而，长期以来，鉴于国内木材加工行业在 产品的结构设计中主要考虑其保守的静强度特性，而不太注重其动态特性，致使我国在木 工机械领域中的动态特性科研水平尚处在待发展阶段。近年来，国内诸如砂光机等制造厂 家已清醒地认识到，基于为拓展后续市场提供契机的需要，其机械设备的振动情况关系到 被加工件的精度、设备寿命、生产率等质量经济指标，为此积极开展我国机械结构动态设 计等技术工作显得尤为必要。 振动和波动是物质运动的基本形态。随着近代工程技术，尤其是航空、航天、海洋工 程等技术的飞速发展，促进振动工程技术迅猛发展及广泛应用。模态分析是近代研究结构 动力学的一种方法，是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法，是系统辨识方法在工程 振动领域中的应用。试验模态分析技术作为振动工程理论的一个重要分支，其可靠的试验 结果已成为产品性能评估的有效标准；而围绕其结果开展的各种结构动态设计、故障诊断 和状态监测中的方法，使得模态分析的结果成为结构设计的重要依据。 本文就上海捷成白鹤木工机械有限公司生产的b 2 2 9 型四砂架人造板双面宽带砂光机 为研究对象，从易产生的横纹缺陷入手，引进结构动态设计手段对其进行振动特性研究， 对砂架部件、整机等分别进行振动试验模态分析( e m a ) 及自功率谱密度分析( p s d ) 。在 模态试验中，主要采用测量点固定，改变激振点的跑点测量方法，得到固定测量点对各激 振点频响函数，并应用s i s o 频响函数识别法，通过频响函数曲线拟合来完成模态参数识 别，获到典型的整机、砂架部件的频响函数图及接触辊的二阶振型图。通过p s d 分析，获 得砂光机整体的幅频曲线谱。最后，文中得出了“f 产品的横纹缺陷的主要原因是本整 机的激励频率与其第一阶固有频率产生耦合形成共振现象”等结论，并提出了进行包括灵 敏度分析在内的结构动力修改的主要建议，旨为国产人造板宽带砂光机的结构动态设计工 作夯实基础，并预示产生良好的经济和社会效益。 关键词：试验模态分析，功率谱密度，宽带砂光机，动态设计，频响函数，模态参数。 a b s t r a c t w o o di n d u s 廿yi sab i 譬u s e ro ft 1 1 e 鲥n d i gm a c t l i n e r yt os a i l db e n sa l lt h et i m e h o w e v e li nm a n yv e a r s ，i nm er c 卫i o no fp r o d u c t i o n 丘a m e w o r kd e s i 毋l ，t h ed o m e s t i cw o o d p r o c c s s i n gi n 血s t r vm a i n l vc o n s i d e r si t sc o n s e r v a t i v ep r o p e n i e so fs t a t i ci n t e n s i t vb u td o e sn o t p a va t t e n t i o nt oi t sd v n a m i cc h a r a c t e r s ，t h er e s u l ti sm a to u rs c i e n c ea n dr e s e a r c hl e v e io fm e d v n a m i cc h a r a c t e r si ss t i l li nu n d e v e l o p e ds t a t e h lr e c e n ty c a r s ，t om e e tm er e q u i r e m e n to fi t s f u t u r em a f k e t ，m a n vd o m e s t i cs a n d e rm a n u f a c t u r e r sa r ec l e a r l va w a i o fm ev i b r 砒i o nc o n d i t i o n o fi t sm e c h a l l i c a le q u i p m e n t sr e i a t et ot h eq u a l i t va i l de c o n o r n i c a lp a m r i l c t e ro fm ep r o c e s s e d 山i n g s p r e c i s i o n ，m el i f e t i m eo ff a c i l i t va n d 口m d u c t i v i t ve t c t h e r e f o r e ，i t sv e r yi m p o r c a i l tm a t w ea c t i v e l yu n d e r t a k eo u rt e c h n o l o 譬i c a lw o r k so f 吐l em a c h i n e l 胁m e w o r kd y n 枷cd e s i g n t h ev i b o na n dw a v ei n o t i o na r eb a s i cs “她so fm a t e r i a lm o t i o n w i t ht h er a 口i d d e v e l 叩m e m o fm o d e m e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l yn a v i g a t i o n ，s p a c en i 曲ta n d o c e a i l e n g i n 。e r i n g e t c ， t h e v i b r a t i n ge n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yg o tm p i dd e v e l o p m e n tb o o m a n d c o m p r e h e n s i v eu s e m o d a la i l a l v s i si sab n do fm o d e mw a vo ft h er e s e a r c h i n 窟f r 枷e w o r k d y n a m i c s ，w h i c hi sn o to i l l ya ni m p o r t a n tm e m o do ft l l ef r a m e w o r kd y n a r i l i cd e s i g na 1 1 df h u l t d i a g n o s i so fe q u i p m e n t ，b u ta l s oa i la p p l i c a t i o no fm es y s t e m a t i cd i s c r i m i n a t i n gm e t h o di nt h e f i e l do ft t l ev i b r a t i o ne n g i n e e r i n g t h ee x p e r i m e n t a lm o ( i ca n a l v s i st o c l l i l o l o g yi sr e g a r d e da sa n i m p o r t a n tb r a n c hs c i e n c eo fm ev i b r a d n ge n g i n e e r i n g 血e 0 1 y ；i t sr e l i a b l et e s tr e s u l t sh a v e b e c o m ee f ! f e c t i v es t a i l d a r de v a l u a t i n gp r o d u c t i o n 肿p e n i e s f u r n l 咖o r e 。a c c o r d i n gt oi t s r e s u l t s ，t h ew a y so ft h ep l a y i n gv a r i o u sf h m e w o r kd y i l a i r i i cd e s i g n ，f 孤1 td i a g n o s i sa 1 1 ds t a t e m o n i t o r i n gh a v eb e c o m ei m p o r t a n te v i d e i l c e si i im ef i e l do ft h ef h m e w o r kd e s i g n t h et h e s i st o o kw i d eb e l t s a i l d e r s 。t w os i d e sb c l t s ，m o d c lb 2 2 9 ，m a d ei ns h a n g h a i e c h e n gb a 瑾丑巳w o o dw o 凼n gm a c h i n e r yc o ，1 t d ，a s s m d y i n gt a 唱e t b ym e a n so ft h e m e t h o do fm e 行a r r l c w o r kd y i l a i l l i cd e s 迦n ，b e 西n n i n gf b mi t sp m d u c e de a s i l yt h eh o r i z o n t a l l i n e sd e f e c tt os t u d yi t sv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n du n d e r t o o kr e s p e c t i v e l ye m aa n dp s dt o i t ss a t l ds h e l fp a r t sa n dw h o l em a c h i n ee t c t h e 肿d a lt c s tm a i nt a k e sc r o s ss p o t st e s t i n g m e t h o do ff i x e dt e s t i n gs p o t sa r i da l t e r sm ee x c i t a t i o nv i b r a d o ns 口o t st or e s u l ti ni t s 丘e q u e n c v r e s p o n s ef u n c t i o no fm ef i x e ds p o t se v e r ye x c i 枷o nv i b r a t i o ns p o t s ，m o r e o v e ra p p l v i n gs i s o a n dt a k i n g a d v a n t a g eo ff 把q u e n c yr e s p o n s c f u n c t i o nc u r v et o m o d i f yc o n l p l e t i n g m o d e p a r a m e t e rr e c o g n i z es om 砒g e m n gi t st y p i c a lf 诧q u e n c yr e s p o n s ef u n c t i o nc h a r to fw h o k e q u i p m e n ta n ds a n ds h e l fp a r t ，a sw e na st w oc l a s s e sm o d es h a p e sc h a r t s ng o ts a n d c r sw h o l e a m p l i t u d e f r e q u e n c ys p e c t n l m s 也r o u 曲p s da n a l y s i s a t1 a s t ，t h et h e s i sr r l a d em ec o n c l u s i o n ， “t h em a i nr e a s o no fm eh o r i z o n t a ll i n e sl i r n i t a t i o no fm d fi st h er e s o n a n c ed h e n o m e n o n f o m e db yc o u p l i n gb e t w e e ni t se x c i t a t i o nf b e q u e n c y 趾di t sf i r s tc l 越sn a _ t i l r a l 曲q u e n c y ” 压e a n w h i l ei tp u tf o r 、a r dm a i n s u g 星r e s t i o n sn a m e l y 丘锄e w o r kd y n a m i cm o d i f i c a t i o ni n c l u d i n g s e n s m v i t ya n a l y s i s t h ep u i p o s ei s 血a ts e ts t e a d yb a s i sf b rt 量l en m n e w o r kd ”疵cd e s i g n w o r k so ft h ew i d eb e l ts 柚d e r sw 岫t w os i d e sb e l t si n 枷矗d a lb o a r di n d u s 衄，a i l de x p c c tt 0 c r e a t es u p e r i o re c o n o i n j c a la n ds o c i a ip m f i t k e yw o r d s ：e x p e r i m e n t a lm o d a la i l a l y s i s ，p o w e rs p e c m l md e n s i t y w i d eb e l ts a i l d e r ，d y n a i i l i c d e s i g n ，f r e q u e n c yr e s p o n s ef u n c t i o n ，m o d a lp a r a m e t e r 致谢 本文历经一年时间，在导师朱典想教授的悉心指导下，承蒙尊敬的南京 航天航空大学徐庆华高级工程师、纪国宜教授，东南大学韩晓林教授，南京 林业大学王泉中教授、蒋本浩教授、王厚立教授和李北岗副教授，北京东方 振动研究所赵增欣工程师，南京汽轮电机厂陈贵陵工程师等专家在学术上的 友情帮助；尤其是得到了江苏灌南捷达木业有限公司的赵伟平副总经理、上 海捷成白鹤木工机械有限公司的周菊林副总经理等友人在提供试验对象、场 地等方面的大力支持及周到照顾，在此向他们表达深深地敬意，并致以 由衷地感谢之情! 爱人者人恒爱之，敬人者人恒敬之。本论文的顺利完成，凝聚着导师教 诲，以及专家、朋友们的深情厚意。我再次无限感谢你们，并愿我们携 手前进，共创辉煌的明天! 王正 2 0 0 4 年5 月 l 立题背景 1 1 国内外研究现状 在木工机械行业中，尽管我国排在国际木工机械产值的第六位，但是在国内众多的人 造板企业中，仅有少部分采用全套引进设备，大部分企业采用的生产工艺和设备都是国产 的，其技术水平仅相当于发达国家2 0 世纪6 0 7 0 年代水平，有些小企业的水平甚至更低。 近十年来，世界上发达国家的人造板企业已发生了根本性的变化。这些专业企业在以实现 最大限度地节约原材料和能源、提高产品质量和劳动生产率、获取最大利润为目标而积极 地调整生产结构、优化生产组织、扩大产品品种措施的同时，大力引入现代科技成果，力 求进一步完善和改进装备的设计和工艺技术，从而使得这些国家的人造板工业的生产装备 技术水平不断提高，其中尤以西欧和北美最为显著。 为了提高和发展结构的动态设计技术，1 9 9 3 年以来，我国的东北林业大学分别对 m b 5 0 4 b 型木工平刨床、m j c l l 2 5 型精密裁板锯等木工机床进行了试验模态分析，收效明显。 通过努力，目前国产的某些种类的刨床、带锯机等设备的外观、性能和加工精度达到或接 近美国的水平，而人造板宽带式砂光机等诸多精密木工设备的动态设计水平亟待提高。 显而易见，发展我国的人造板工业，很重要的任务是应提高人造板工业设备的综合技 术水平，积极参与国际市场竞争，从根本上改善目前国内人造板工业较不景气的现状。企 业生存发展的命运完全掌握在企业家自己手中，结构调整的主动权也掌握在自己手中。要 把我国的木工机床搞精，就必须凭借高水平的设计师优先发展高新技术产品，增加技术附 加值。这样才能把握住加入w t o 的良好机遇，为将我国木工机床工业从进口国转变为生产 强国做出新贡献。 长期以来，在国内木材加工行业中，鉴于众多人造板砂光机制造厂家备受技术、资金 等“瓶颈”因素的制约，在其结构设计中主要考虑产品的静强度设计，不太注重其动态特 性，因此往往出现保守的情况，致使其产品的重量加大，质量不稳定，成本增高；加 上目前国内在林业机械的动态特性科研水平上尚处在待发展阶段，使其动态特性指标还无 法与国外的同类产品相比。在主要考虑静强度设计状况下，国内的人造板宽带式砂光机在 运行中常常会出现如表1 、表2 所示的质量缺陷。根据传统分析表明，砂光机中的砂架部 件( 图4 ) 等为影响人造板制品质量缺陷的关键部件。 砂光机是生产线中的关键设备之一，然而如何长久地保持其正常运行状态是所有用户 都关注的问题。众所周知，振动量是反映砂光机运行好坏的敏感物理量。实际上每台机器 上所反映的振动是多种振源作用的结果。一般的振动状态监测所采用的绝对和相对判断标 准的两种方式只局限于判断状态好坏，无法判断故障的所在位置和原因。面砂光机设备具 有运行速度高、精度要求严格的特点，这正是一种典型的受监控的设备，因此应选用关键 的砂架部件、机架等作为其振动测试对象。近年来，国内许多砂光机设备制造厂已清醒地 认识到，机械设备的振动情况关系到被加工件的精度、安全、生产率及经济指标，并密切 关注机械结构动态设计等技术工作，为拓展其后续市场提供契机。 表1厚度尺寸上常见的磨削缺陷及主要原因 表2板面质量上常见的磨削缺陷及原因 2 在解决振动与冲击问题中，由于结构模态提供了便于振动分析、设计与控制的降维模 型。因此，模态试验成为振动测试的最重要内容之一。模态分析是一种参数识别的方法， 因为它是在承认实际结构可以运用所谓“模态模型”来描述其动态响应的条件下，通过试 验数据的处理和分析，寻求其“模态参数”。模态分析的关键在于得到振动系统的特征向 量( 或称特征振型、模态振型) 。 试验模态分析是通过试验采集系统的输入输出信号，经过参数识别获得模态参数。其 具体做法是：首先将结构物在静止状态下进行人为激振( 或者环境激励) ，通过测量激振 力与振动响应，找出激励点与各测点之间的“传递函数”，建立频响函数矩阵，用模态分 析理论通过对试验频响函数的曲线拟合，识别出结构模态参数，从而建立起结构物的模态 振型。 现代企业的产品结构设计一般分为产品结构的初步设计、产品结构的动态设计、结构 优化设计和生产正式产品四个阶段。由于结构动力有限元分析法( f e m ) 和试验模态分析 ( e m a ) 是产品结构动态设计的基本方法。因此，应用这些成果，有助于进一步提高产品 设计陛能，缩短设计周期等。在初步设计中，一般都考虑静强度和静刚度要求。在产品结 构动态设计中，一是应用f e m 可对初步设计结果进行动态性能校核与修改；二是通过试验 模态分析( e m a ) ，可得到结构的模态参数删，妒i ， ；。若这些参数或与之识别出的固有参数 翻，以与f e m 结果存在较大的误差，应检验试验模态是否满足模态样机准则。三是在得到 满足要求的模态参数后，继续开展以下结构动态修改工作：物理参数修改，结合试聆模 态结果对f e m 得到的质量阵、刚度阵求m 和a 匿，得到修改后的m 、k ；物理参数识别。 直接求解逆特征值问题，求得m 、k 、c ；载荷识别，根据试验模态参数和响应要求估算 系统的实际振动环境。在上述三项工作的基础上通过f e m 计算系统响应，或修改样机或模 型后实测系统响应，检验是否满足响应准则。若不满足，需通过响应灵敏度分析修改结构 和再分析估算模态参数和响应，直至满足要求。在上述结构动态修改中，一般只能得到物 理参数的修改量。在结构优化设计中，以结构参数( 尺寸、形状、材料性质等) 为修改参 数，就可直接得到满足动态要求的修改结构形式。一般来说，这一步比前面工作难度更大， 但更有效。综上所述，机械设备结构动态设计系统简图见图1 所示。 模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法，是系统辨识方法在工程振动领 域中的应用。目前它已成为研究各种实际结构振动的有效途径之一，是一门重要的工程技 术。由于模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和振 型等模态参数。基于线性叠加原理，一个复杂的振动系统可以分解为许多模态叠加。这样 一个分解过程称为模态分析。模态分析有理论模态法和试验模态法两种方法。其中前者是 理论法的逆过程，是综合运用线性振动理论、动态测试技术、数字信号处理和参数识别等 手段，进行系统识别，并研究振动原因及机构动态设计的一种实验技术。如果通过模态分 析方法搞清楚了结构在某一频率范围内各阶主要模态的特性，就可以基本断定结构在此频 段内在内外部各种振源作用下实际振动响应。早在二十世纪四五十年代，在航空工业中就 采用共振试验法确定系统的固有频率。六十年代，发展了多点单相正弦激励及正弦多频单 点激励，通过调力调频分离模态，制造出商用模拟式频响函数分析仪。六十年代后期到八 f j 年代初，国外又掀起一阵研究经典谱的f f t 以及现代谱m e m 和a r 谱等方法的高潮。 图l 结构动态设计简图 期间，国内开始引进大量日本、丹麦、美国生产的，基本功能主要是以f f t 为基础的数据 处理和频谱分析的各种数字式f f t 分析仪。随后国外又开发出各种瞬态和随机激励、频域 模态分析识别技术。在f f t 数字式动态测试技术普及到各个工业领域后，模态分析得到快 速发展日趋成熟，并出现了大量的商用数字分析仪及软件。1 9 8 6 年，美国n i 公司开发和 利用一种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环境的l a b v i e w 虚拟仪器技术，实现 了虚拟仪器的概念。到了八十年代后期，主要是多人多出随机激励技术和参数识别技术得 到发展。九十年代中期，我国终于研制成一种记录、分析显示一体化的现场实时测试的设 备。在工程领域中，模态分析在结构性能评价、结构动态修改和动态设计、故障诊断和状 态监测以及声控分析等方面的应用研究异常活跃，尤其是基于f e m 、e m a 、最优控制理论 的结构动态修改和动态设计已取得丰硕成果。 我国在1 9 8 0 年后出现了关于测试理论和技术方面的专著，不过在实际工程中的应用 则要晚些。近十年来，随着测试技术和计算机的发展，模态试验技术得到了飞跃性发展。 国内研制的d a s p 、c r a s 等模态分析系统参加了许多重大科研项目，如对长征三号火箭 4 全箭和火箭发动机的模态试验，对国际通信7 号卫星火箭发动机的模态试验、用火箭激励 法对钱塘江大桥模态试验，用锤击法对内蒙古黄河铁路大桥的模态试验、对深圳地王大厦 的模态试验、对河南某战地指挥车的模态试验、对刘家峡大坝闸门的模态试验、对三峡工 程用的m 2 0 0 0 型高架门座起重机振动和人字架的模态试验，对南京汽轮电机厂同步电机 焊接机壳的模态试验、对大机组发电机端部绕组的模态试验、对燃汽轮机叶片和叶轮及其 整机的模态试验、对生产油田用泥浆泵的模态试验、对三万千瓦电站基础的模态试验、对 斜拉桥模型的模态试验，以及对轴承和齿轮箱的模态试验等，收效显著。 江苏灌南县捷达木业有限公司购置上海捷成白鹤木工机械有限公司2 0 0 1 年生产的 b 2 2 9 型人造板四砂架双面宽带砂光机( 见图片1 ) ，主要生产m d f 产品，其成品有1 2 m m 、 1 5 m m 、1 7 m 和1 8 m m 这四种厚度规格，宽幅为1 2 2 0 m 、厚度为1 2 m m 。在实际生产中，其 成品常会出现批横纹等质量缺陷( 见图片3 ) ，常在工作时采取调整压带器位置及停机校 准等传统手段加以处置，费时费效，无法根除其质量缺陷。图片1 是在现场拍摄的3 批 1 2 m 厚的m d f 产品中的出现横纹缺陷的一张照片。 图片1 1 2 m 厚m d f 批产品横纹缺陷图 对此，为引进结构动态设计手段对砂光机系统进行振动特性研究，本文以上海捷成白 鹤木工机械有限公司生产的b 2 2 9 型人造板双面宽带砂光机( 图1 ) 作为研究对象，从图 片3 出现的横纹缺陷入手，对砂架部件、整机等分别进行振动试验模态分析，旨为国产人 造板双面宽带砂光机的结构动态设计工作打基础，并预示产生良好的社会和经济效益。 5 1 2 人造板宽带砂光机介绍 1 2 1 宽带砂光机的工作原理、组成及特点 木材行业一直是砂带磨削机械的大用户。因为根据人造板生产能力的不同( 2 0 0 一 2 0 0 0 m 3 d ) ，目前世界上的砂光设备价值约占人造板企业设备总价值的5 左右。自1 9 6 0 1 9 8 0 年间，砂带磨削的应用发展十分迅速，全球仅砂带年耗量就达几亿平方米。伴随着 其后二十多年来人造板工业的迅速发展，宽带式砂光机逐步替代辊式砂光机等。 我国在人造板生产过程中，要求砂光机工序具备提高板面的表面质量、提高板厚的尺 寸精度和提高板内密度分布的对称性的“三提高”的质量要求。板子的表面质量除了有粗 糙度要求外，还应规定平均厚度尺寸偏差要求。而在国外发达国家的标准中已把精确度和 精密度作为对砂光机磨削质量的考核指标。除此之外，产品表面层的密度要求应不容忽视。 由于在刨花板和中密度板的生产过程中，特别是当使用多层压机进行热压成形时，板面易 形成深度约1 1 5 m m 的预固化层，层内密度仅为o 6 9 c m 3 ；而刨花板的表面密度根据贴 面工艺要求，需达到o 8 o 9g c m 3 。很显然，这种状况将影响二次贴面的质量。 目前，就世界上较为先进的连续平压热压机这种设备来说，其生产的板厚允差范围为 士o 1 5 m ，但在实际生产中仍要考虑到预固化层问题，其砂光量一般在o 2 o 3 m 范围 内。显而易见，人造板制造业中的表面砂光工序是关键工序，宽带砂光机则是关键设备。 b 2 2 9 型四砂架宽带式砂光机整机见图片2 和图2 。 宽带砂光机主要由机架、砂架、进给机构、吸尘装置和电控系统五大部分构成，是一 种将环状宽幅砂带套在几根平行辊筒构成的砂带磨削头上，在砂带张紧状态下，使高速运 行的砂带与工件表面接触，以实现在工件的整个宽度上进行贯通式磨削的精密设备。一方 面，它不同于一般的平面磨床，要靠纵、横两个方向的进给运动才能完成对一个平面的磨 削，同时基于现代砂光机采用静电植砂及b 射线检测技术，使能耗大大降低；其砂带长度 为2 5 0 0 一3 8 1 0 m ，对冷却十分有利、砂带宽度为1 3 2 0 4 2 0 0 m m ，进给速度大( 通常单面 1 8 6 0 m m i n ，双面4 6 0 m m i n ) ，故其生产率极高；另一方面，加工精度很高。其磨削 量1 2 7 i 【| i n ，厚度公差o 1 m 。由于人造板宽带式砂光机主要用于人造板的定厚磨削、 粗砂和光整磨削、精砂。诸如刨花板、m d 乳石膏刨花板或其它木质人造板表面的砂光， 使板厚精度和表面粗糙度符合二次加工等要求，因此目前在工业领域内得到广泛应用。国 内有代表性厂家的砂光机系列主要技术参数表3 。 6 图片2b 2 2 9 型四砂架人造板双面定厚宽带式砂光机 ( 1 下机架；2 下粗砂辊；3 油缸；4 限板装置；5 上粗砂辊；6 厚度调节j7 上机架 8 张紧辊j9 摆动气缸jl o 锁紧手柄j1 1 反向压力辊；1 2 磨垫；1 3 上输送辊； 1 4 导向辊；1 5 下输送辊；1 6 清扫出料辊；2 3 主吸尘口；2 4 导板。) 图2b 2 2 9 型四砂架人造板双面宽带式砂光机主视图 7 表3 国内有代表性厂家砂光机系列主要技术参数一览表 结构最大砂 砂带避料 _ 吸尘风 皂枧 生产厂家型号 苏州林业机械厂 上海捷成白鹤 有限公司 苏州意玛斯 砂光设备有限公司 青岛砂光机厂 青岛术机总公司 青岛华顺昌 木机公司 青岛肯特木机 有碾公司 四川青城机械 有限公司 s s g 2 6 1 3 b 2 3 3 b 2 2 9 c o h b l 4 1 i j o m m 5 8 1 3 d r 5 2 9 r p s f e l 30 r p p b s g z 3 i 3 r p p m m 5 1 1 3 蕊5 3 1 3 a r r r b s g 2 2 0 9 r p b s g 2 3 0 6 s o c l 3 0 0 r r p s o c l 3 0 0 r p 数量布局 上下 上下 上下 上下 光宽度线速度速度量总功率 ( 咖l ( m s )( m m( m 3 h )( k w ) 1 3 d d 2 4 6 5 1 3 0 0 i 3 0 0 ， 2 7 2 7 6 3 6 4 4 q 1 5 0 o o q 8 2 6 3 4 2 4 3 3 0 2 7 7 2 6 4 0 3 2 5 0 0 2 3 7 ，7 1 3 0 02 51 5 9 7 9 0 01 8 5 1 23 1 42 8 5 1 3 0 01 8 1 26 3 07 8 9 65 4 4 5 1 3 0 0 i 9 ，t ，1 31 3 一t 8 0 9 95 3 7 1 3 0 02 3 1 0 一5 0 5 0 0 04 1 7 4 1 3 0 0 2 3 ，2 0 ，o 口 3 1 77 9 0 08 7 9 1 5 1 8 1 26 3 01 2 0 0 6 1 0 t 8 ，j s ，i 2 6 3 01s o o， 1 3 0 0 2 l 1 46 3 05 6 1 3 0 0 1 8 56 3 02 6 1 2 2 砂架部件组成及特点 砂架部件( 图片3 、图3 和图4 ) 主要由接触辊、张紧辊、导辊、压磨器、张紧气缸、 砂带窜动装置、横梁、砂带和轴承座等零部件组成，是砂光机实现切削主运动核心部件。 它具有提供和传递砂带切削过程中所需动力，实现砂带张紧、使砂带沿砂辊轴向往复窜动 和将砂带贴在工件表面进行磨削，并承受法向磨削力等主要功能。 虾上上上上上上上上上 图片3b 2 2 9 型砂光机的砂架部件 一。- _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ i _ _ l _ l _ _ _ _ _ _ _ l _ - _ _ _ _ _ _ _ ( 接触辊图) ( 导向辊图) 9 。r = _ 一 _ _ 一1 _ e _ _ 。一= 7 2 1 ” 一 二= 二兰璧三二二二3 e = = = 翔 薹茎垂；至主至蚕重垂喜三垂 一 一 = = 二二耍二二= j 臣= 二二j e 丁- 一_ _ ；_一4。一一 二= 二玉拦= = = 三亘二 ( 压带器图) 图3 砂架部件中的导向辊、压带器和接触辊图 图4b 2 2 9 机型砂架部件图 1 0 2 试验模态分析理论 作为振动工程理论的一个重要分支，模态分析或试验模态分析技术为各种产品的结构 设计和性能评估提供了一个强有力的工具，其可靠的试验结果往往作为产品性能评估的有 效标准；而日绕其结果开展的各种结构动态设计、故障诊断和状态监测中的方法，更使模 态分析成为结构设计的重要基础。特别是计算机技术和各种计算方法( 如f e m ) 的发展， 为模态分析的应用创造了更加广阔的环境。 模态是机械结构的固有振动特性。每一个模态具有特定的固有频率、模态质量、模态 刚度、模态阻尼和模态振形。这些模态参数可以有计算或试验分析取得。 试验模态分析属于结构动力学的逆问题。它是基于系统响应和激振力的动态测试，有 系统输入( 激振力) 和输出( 响应) 数据，经信号处理和参数识别确定系统的模态参数。 模态参数所寻求的最终日标在于机械结构系统由经验、类比和静态设计方法改变为动态、 优化设计；在于借助实验和理论分析相结合的方法，对已有结构系统进行识别、分析和评 价，从中找出结构系统在动态性能上所存在的问题，以便为今后型号结构系统的改进设计 提供可靠的依据。 本文采用模态分析理论，包括线性时不变系统的线性假设理论、建模理论、实模态的 频响函数分析理论及积分变换方法等科技理论。 本试验采用频域模态参数识别的方法。模态参数识别分三步进行：第一步是通过激振、 测量与信号分析，获得频响函数矩阵( 若干行或若干列) ；第二步是对频响函数进行曲线 拟台，确定系统各阶模态的极点和留数；第三步是由极点和留数计算模态频率、阻尼比和 振型等模态参数。 现对本文所采用的频域模态参数识别原理作如下简单介绍。 2 1 系统传递函数 在工程中，线性振动系统的运动微分方程式最终可以用为下面的形式表示。 【肘】台 + c 】e + 【略) = 仃( f ) ) ( 1 ) 其中：( m 】质量矩阵( n x n ) ，正定矩阵j( 式中n 表示自由度数) k 刚度矩阵( n n ) ，半正定矩阵； c 阻尼矩阵( n n ) ，半正定矩阵； 齿卜一加速度矩阵( n 1 ) ； 仁卜_ 速度向量( n 1 ) ； 缸( f ) 卜啦移向量( n 1 ) j 杪0 ) 卜激励力向量( n 1 ) 。 位移向量( f ) ) 中的每一个元素表示结构的某一特定点在一个特定方向的振动位移。 对式( 1 ) 两边进行拉氏变换，设初始条件为零，可以得到： ( s 2 眦】+ 虹c 】+ 【女】) 讧( j ) ) = p ( 5 ) )( 2 ) 其中s 是复变量，缸( s ) ) 、口( s ) 扮别是扛( f ) ) 、口( f ) ) 的拉氏变换，则： 日( j ) = ( j 2 m + s c 】+ 【刚) - 1( 3 ) 称日( s ) 为系统的传递函数矩阵。由式( 2 ) 得到系统的输入输出有如下关系： 伍( s ) ) = 日( s ) 仁( s ) )( 4 ) 由式( 3 ) 得知传递函数仅取决于系统本身的质量、刚度及阻尼等物理性质。若用模 态矩阵对其进行处理，它还可以表示为： 日( j ) = 【妒】 砂】一1 ( s 2 【m + s 【c 】+ 【置】) 一( 【妒】7 ) 一1 妒】7 因此，可得出n 阶系统的传递函数矩阵的模态迭加表达式为： 邵，= 喜羔 ( 5 ) 式中，表示第r 阶模态下的振型向量。当为无阻尼和比例阻尼系统时，辨为实数； 当为结构阻尼和一般粘性阻尼系统时，妒，为复数。 睇2 鲁、舅2 去珑r椭，够， 显然，由公式日( s ) = ，_ 1 ( 6 ) 表明，一个多自由度系统的传递函数可展开成 多个单自由度系统传递函数的线性迭加，这是模态分析的核心。 对上述模态展开式日( s ) = 喜瓦，令s = 如，结合式( 6 ) ，经过f 。u r i e r 变换，便得到整个系统的频率响应函数矩阵日) 模态展开式： 州动3 榴= 耋丽高 式中，m 为识别的模态总阶数，九、。为第，阶模态下f ，j 点处的振型，m ，为模态 质量，0 ，为模态阻尼比，倒，为第r 阶的自振频率。 令 e = b ，【( 研一2 ) + j 鸳，q 叫p 磊 生叩 鱼、 希 受l j h ( 曲：至f i l 欢t 舟； 九妒 九丸；红；丸； 如；戎；如；众。 争。母。妒。币。 ( 8 ) 频率响应函数中矩阵第纡i 第p 列的元素日。= 墨曩九爹其意义为在第p 个自由度激 励，在第1 个测点上测量的频响函数。由这个传递函数矩阵可知，如果经过导纳测量得到 了传递函数的任一列( 如第j 列) ： 由，) = 萎e 九瓴。如r 九7 ( 9 ) 则包含了模态矩阵的全部信息。因此不必测量任意两点之间的导纳，而只需要测量某一行或某一 列就足够了。测量频率响应函数矩阵某一列，相当于固定激励点，测量全部自由度的响应；测量频率 响应矩阵的某一行，相当于固定测量点，移动激励点位置。 传递函数的另一个常用的表达式为极点、留数式。 邓， 将式( 5 ) 展开成由极点、留数描述的部分分式表达式为：日( = 鼍一( 1 o ) 呐 一般地，在小阻尼情况下，当求出该分母多项式的根后，就可得到传递函数的n 对极 点s ，( r = 1 ，2 ，挖) 。再由极点s ，求出相对应的留数 a ，= 日( s ) ( s s ，) ls = s ，。 ( 1 1 ) 此时，系统的传递函数展开式为： 日( s ) = 喜( i 笔+ i 专) 。 ( 1 2 其中，s = 毒q + ，婶厮，a ，= 4 ，拜( 口，是比例常数) 。 对粘性比例阻尼系统而言，a i r ”“对应于极点s ，的留数矩阵，其元素a 。称为p 点激振r 点响应的第i 阶模态常数。 2 船( j 一墨) 日，( s ) 令s = 扣，代入式( 5 ) ，得到的h ( 向) 为在零初始条件下的输出与输入付氏变换之比 即频响函数。 若取出式( 5 ) 中的第p 列或q 行，则日) = j - 1 ，妃 m ，【( 一2 ) + ，鸳，埘，刎。 此时，频响函数日。徊f = ；瓦i 霹= 鲁 ( - 。) 式( 1 4 ) 表示为在第p 坐标激振或第q 坐标激振，在各坐标上测量，分别得到一组频 率响应函数与全部模态参数对应。显而易见，频响函数是模态参数识别的基础。 2 2 频响函数测量 从上述模态识别原理得知，频响函数质量的好坏直接关系到模态精度，获得高质量 的频响函数是模态试验的关键。本课题试验采用了以下措施来确保频响函数的质量：一 是，尽可能减小附加刚度和附加质量影响；二是，选择合适的激振方式和激振点；三是， 每个频响函数做多次平均；四是，用相干函数把关，对共振峰半功率带宽内相干值小于 9 5 的频响函数剔除重做。 2 3 曲线拟合 通过曲线拟合，从频响函数中获得各阶模态的极点和留数。本试验软件中提供了包 括导纳图、多项式、复指数在内的各种曲线拟合方法。本试验采用了多项式曲线拟合， 并使用了整体拟合技术。 对小阻尼或分得较开的模态用单自由度拟合，模态耦合较紧的用多自由度拟合。单自 由度应按式( 1 5 ) 使总方差最小做曲线拟合。 日= 拦桨+ a 郴郴2 虻如) ( 1 5 ) 其中，留数为r + j 吃。残留常数凡，a 。a ：用于判定其它模态对曲线拟合结果的影响。 多自由度按式( 1 6 ) 使总方差最小做曲线拟合。 日( 珊) = ! g ! ：! ! ! ：! ：竺璺 s 2 “+ 6 l s 2 ”_ 1 + - - - + 6 2 。 1 4 s = j 翻)( 1 6 ) 其中，n 为模态数m = 2 n 一1 + l l 为附加残留项，用于判定其它模态对曲线拟合结果 的影响。 令式( 1 0 ) 中的j = j 翻，即为频响函数的理论表达式。以各测试点处，理论频响函 数与实测频响函数的误差的平方和为最小，进行曲线拟合，求待定参数口。峨。 2 4 模态参数计算 在确定n ，、以后，便可确定频响函数的极点j ，和留数a 。通常振动系统各阶模态阻 尼值小于临界阻尼值，因而式( 9 ) 分母多项式的根为复数，且成共轭对出现，即为量、s 知 因s i = 一a t + j p t = 一专p t + j i _ 1 一薯 s ；= 一一艉= 一盏q j q 1 一等 ( 1 7 ) 故第f 阶固有圆频率哪= 砰+ 群 第i 阶模态阻尼比毒：生 姒 显然，同一模态的众留数所组成的列阵即为该阶模态的固有振型。若激励点p 不变， 响应点r ( 1 = 1 ，2 ，n ) ，其第f 阶模态所对应的留数为a 。，则其第f 阶模态的固有振型为： 影1 = 办； 兜。 ： 九， a 。 。 ： b ( 1 8 ) 模态振型实现了复模态至实模态的转换，固有振型幅值按最大值进行归一化。 在最终获得留数矩阵 a 】后，经过转置，它的每一列代表某一振型。通过上述试验模 态识别，以此可获得所关心的砂光机的各阶模态频率、阻尼及模态振型。 3 结构动力修改理论 以模态分析为基础的结构动力修改，是近年来振动界开展的最广泛的研究领域之一。 众所周知，众所周知传统的结构设计，在考虑动态因素的结构修改时，是以经验和反复实 测为主手段。因为尽管依据模态分析结果和响应试验容易判断出初步结构的性能缺陷，但 是在结构修改问题上却往往茫然无所知，设计工程师只能依据经验和现有条件反复修改和 实测，有时甚至将原设计方案推翻重新设计。这大大减缓了设计速度，设计质量也难以达 到最优。为此，科技工作者在不断探索有依据的结构动态修改方法，以期达到优化设计的 目的。这些方法可归纳为以下六类：载荷识别、灵敏度分析、物理参数修改、物理参数识 别、再分析、结构优化设计。其中，某几种方法的组合可做到优化设计。 在结构动力修改中，当表征结构动态特性的某些参数不满足预定要求时，需要对结构 进行修改。比如，当某阶固有频率掰。距离工频较近，需要修改结构物理参数肘，置，c 。 如何求得膨，丝，c ，以使翻。朝着特定方向变化最大，这便是灵敏度分析