对击式液压锤理论与试验模态分析.pdf

第 4 5 卷第 1 期 2 0 0 9 年1 月 机械工程学报 J OURNAL OF MECHANI C AL E NGI NE E RI NG VO1 ． 4 5 N O． 1 J a n ． 20 09 DoI 1 O ． 3 9 0 1 ／ J M E． 2 0 0 9 ． 0 1 ． 2 7 3 对击式液压锤理论与试验模态分析水 巨 丽 李永堂 太原科技大学材料科学与工程学院太原0 3 0 0 2 4 摘要以2 5 k J 对击式液压锤为具体模型，提出用理论计算与环境激励试验模态测试相结合方法对对击式液压锤机身进行动 态特性分析研究。首先建立整体闭式机身的力学模型并进行理论模态计算，得到机身振动的前 l 0阶固有频率和相应振型。 然后利用机身参考点的响应数据对 2 5 k J对击式液压锤进行在线试验模态参数识别，得到机身在工作环境下振动的前 1 0阶 固有频率和相应振型。理论模态参数与试验模态参数的相对误差小于 1 ％，各阶振型一致。研究表明用模态分析法可以直 观有效地得到对击式液压锤的动态特性数据。 这些动态特性数据为提高设备工作的可靠性和使用寿命以及结构改进设计提供 了理论依据。同时，自主开发的 C 8 3系列 2 5 k J 对击式液压锤整体刚度和质量分布均衡，具有良好的动态性能。 关键词对击式液压锤模态分析动态特性环境激励 中图分类号T G3 1 5 Th e o r e t i c a l a nd T e s t i n g M o d a l An a l y s i s o f Co u n t e r b l o w Hy d r a u l i c Ha mm e r J U Li LI Yo n g t a n g S c h o o l o f Ma t e ri a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 Ab s t r a c t B y t a k i n g a 2 5 k J c o u n t e r b l o w h y d r a u l i c h a mm e r a s s p e c i fic mo d e l ，a me t h o d f o r a n a l y z i n g a n d s t u d y i n g d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f c o u n t e r b l o w h y dra u l i c h a mme r i s p u t f o r wa r d b y c o mb i n i n g t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n wi t h a mb i e n t e x c i t a t i o n t e s t i n g ． Ac c o r d i n g t o e s t a b l i s h e d me c h a n i c a l fra me mo de l a n d e x e r c i s i n g t h e o r e t i c a l mo d a l c a l c u l a t i o n ， t h e fi r s t t e n s t e p n a t u r a l fre q u e n c i e s a n d c o r r e s p o n d i n g v i b r a t i o n mo d e s o f t h i s fr a me a r e o b t a i n e d ． T h e n ， o n - l i n e mo d a l p a r a me t e r i d e n t i fi c a t i o n o f 2 5 k J c o u n t e r b l o w h a mme r i s p e r f o r me d b y e mp l o y i n g t h e r e s p o n s e d a t a o f fra me r e f e r e n c e p o i n t s ， a n d t h e fi r s t t e n s t e p n a t u r a l f r e q u e n c i e s a n d c o rre s p o n d i n g v i b r a t i o n mo d e s o f t h i s fra me u n d e r o p e r a t i n g e n v i r o n me n t are o b t a i n e d ． T h e r e l a t i v e e rro r b e t we e n t h e o r e t i c a l mo d a l p ara me t e r s a n d e x p e r i me n t a l mo d a l p ara me t e r s i s b e l o w 1 ％． a n d t h e v i b r a t i o n mo d e s o f a l l s t e p s are c o n s i s t e n t ． Th e s tud y s h o ws t h a t d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c d a t a o f c o u n t e r b l o w h y d r a u l i c h a mme r c a n b e v i s u a l l y a n d e ff i c i e n t l y o b t a i n e d b y u s i n g mo d a l a n a l y s i s ， wh i c h p r o v i d e s a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r i mp r o v i n g s t r u c t u r e d e s i g n ，wo r k i n g r e l i a b i l i t y a n d s e r v i c e l i f e o f t h e e q u i p me n t ． S e l f - d e v e l o p e d 2 5 k J c o u n t e r b l o w h y d r a u l i c h a mme r C 8 3 s e ri e s h a s g o o d d y n a mi c p e r f o r ma n c e ， wi t h e v e n o v e r a l l r i g i d i t y a n d ma s s d i s t r i b u t i o n ． Ke y wo r d s Co u n t e r b l o w h y dra u l i c h a mme r Mo d a l a n a l y s i s Dy n a mi c c h a r a c t e ris t i c s Amb i e n t e x c i t a t i o n 0 前言 锻锤是机械制造业中量大面广 、不可缺少的一 种锻压设备 。目前尽管有各种锻造新工艺和新设备 的不断涌现， 但锤类设备由于结构简单、 操作方便、 适应性强、投资少等特点，至今仍然起着非常重要 的作用 。对击式液压锤是蒸一空锤的升级换代产 山西省 自然科学基金 2 0 0 5 1 0 5 8 和山西省青年基金 2 0 0 4 1 0 2 7 资助项 目。2 0 0 8 0 6 1 l 收到初稿，2 0 0 8 1 0 1 5收到修改稿 品，锤击时所产生的振动不会向地面传播，消除了 传统锻锤的危害，符合减振降噪的要求，代表 了现 代锤类设备的发展方向【 2 J 。对击式液压锤在对击过 程中机身承受冲击载荷 ，机身的振动特性无论对锻 件尺寸精度、还是设备可靠性和模具使用寿命都存 在极大的影响。锤类设备结构设计上，目前大都采 用材料力学的静态分析校核设备的强度和刚度，在 结构动力学特性上，多数文献注重锤类设备对基础 的减振 问题I 3 4 J 。 对机身进行单纯的静态设计和经验 计算不能满足工程上的实际要求，只考虑基础的减 振也不能准确反映机身在动态载荷及振动作用下的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 274 机械工程学报第4 5卷第1期 动态响应。模态分析法是研究结构动态特性的 一 种 有效手段垆】 。通过模态分析可以得到频率范围内各 阶主要模态的特性和参数，预知机身在外部或内部 各种振源作用下实际振动响应，从而指导优化设计 机身结构。 c8 3系列25l J 液压模锻锤是太原科技大学自 行设计开发的 一 种新型模锻锤，设备采用锤头与整 体闭式机身悬空对击结构，插装 阀开式液压集成系 统和PC控制，应用前景广阔。 本文采用理论与试 验模态分析法对C 8 3系列25k J液压模锻锤机身模 态进行数值计算和动态测试，给出机身结构的前10 阶固有频率和相应振型。理论计算与试验测试数据 的吻合表明模态分析法可以直观准确地表征液压锤 机身系统复杂的振动情况，对机身结构的合理设计 与改造，提高设备工作的可靠性和使用寿命提供有 效的理论依据。 1理论模态分析 1． 1 机身系统振动方程 液压锤在打击过程中反复承受冲击载荷作用， 机身受力复杂，动能做功产生机身的冲击振动。整 体闭式结构的液压锤机身是 一 个多自由度振动系 统。机身系统在打击力作用下的振动微分方程为 J珂戈c文缸 F f 1 式中 脚 ，c，七 机身质量、阻尼和刚度矩阵 戈，戈，x 机身加速度、速度和位移列阵 ，， 打击力列阵 f 振动时间 机身各点对打击力的响应可以看成 是机身系 统在无阻尼自由振动状态下的固有频率和振型参数 组成的各阶振型模态的叠加。 由式1得到机身在无 阻尼和无 打击力作用下 的振动微分方程为 J ， l碧缸 0 2 这个常系统线性齐次微分方程的解为 x 9 sin∞f目 3 式中9 振幅列阵 国 圆频率 臼 初相位 将式3代入式2，可得 露 一 缈 。 ，， lI 妒 0 4 式4中缈有非零解的条件是 I 露 一 国 。 肼 J 0 5 从式4 、 5解得机身的固有频率砰以及对应 的主振型{ 仍} ，江1，2， ⋯ ，行 。 1．2 有限元分析 液压锤在打击时，机身受导轨水平和前后方向 位移的约束而仅在竖直方 向上下运动， 在打击力和 惯性力作用下处于平衡状态。对击瞬时约0．005s 产生的打击力又是急剧变化的，很难确定运动规律， 力学模型建立复杂 【 6】 。为建立有效可靠的有限元力 学计算模型，在机身两侧与导轨接触处加4个凸台， 对机身用来安装下模座的燕尾槽施加 固定约束代替 打击力，从而将对击瞬时的动力学问题进行转化 求解。 用A NSYs软件建立液压模锻锤机身结构系统 的有限元模型并进行模态分析。分析过程使用子空 间叠代法计算固有频率和振型 ，提取前10阶模态。 前10阶固有频率及固有主振型如图1和表1所示石 轴为机身横向，y轴为机身竖直方向，z轴为机身的 纵向。 曲7阶 1 18阶i9阶 j10阶 图125l J液压锤机身理论模态前10阶振型 表1 25 k J液压锤机身理论模态前l O阶固有频率 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 9年 1 月 巨丽等对击式液压锤理论与试验模态分析 2 7 5 续 2 试验模态分析 对击式液压锤工作过程中，锤头与整体闭式机 身悬空对击。在对击瞬时机身和锤头速度变为零， 产生的巨大打击力产生了工件的变形以及设备的振 动。对 2 5 k J 对击式液压锤进行在线工作模态测试 。 利用工作动力进行有效地激励 ，通过测试实时振动 响应数据对设备机身进行试验模态分析。这种基于 环境激励下的模态参数识别法[ 7 - 9 】 ，由于数据直接来 源于结构实际所经受的振动工作环境 ，所 以识别的 模态参数更符合实际情况和边界条件 ，能更准确反 映结构的实际动态特性。 2 ． 1 试验理论与方法 对于机身系统在打击 力作用下的振动微 分方 程式 1 中的机身位移列 阵 可 以看作是机身系统 固有振型的叠加，即 g ， 6 百 式中，g 为矢量 从物理坐标系转换到模态坐标系 中的坐标， 是由方程式 2 所确定的第 阶模态振 型。由方程式 1 、 6 可以得到机身在打击力作用下 的频响函数 日 L 7 一 ‘ m ， j CO C r 式中 ， C r ， m 机身系统在第 阶的模态刚 度、阻尼和质量 考察频响函数的一列 H i H2 j i H q 喜 ， ， ● ， 8 由式 8 可知， 频响函数的任一列包含全部的模 态参数。如果在机身某一点处激励，而在其他点拾 振，便能得到频响函数的一列 。由频 响函数经傅里 叶逆变换得到系统的脉冲响应从而识别系统的模态 参数。 液压锤工作状态下，在其机身上选取一个参考 点，将该参考点的响应信号作为参考信号。参考信 号与其他各测点响应信号可以求得互谱密度函数， 对互谱密度函数进行傅里叶逆变换得到互相关函 数。由于互相关函数方程与系统的脉冲响应函数方 程有相似的形式，都能表示成一系列衰减正弦函数 的和，而且每个衰减正弦都有一个固有频率和阻尼 比与结构的各阶模态相对应，振型矢量的位置也相 同，因此互相关函数能够被用作脉冲响应函数来识 别模态参数『 I ⋯ 。 2 ． 2 试验测试系统 试验测试方案是基于 A NS YS理论模态分析结 果确定的。模态测试设备采用北京波谱公司的 V i b ’ S YS 振动信号采集、处理和分析软件 ，Y D 4 2 型压 电式加速度传感器和 B Z 2 1 1 2测振仪。整个机 身共布置 5 8个测点，测量了 5 8 个测点的三个方向 ，y ， z 。测试系统结构如图 2所示。经测试分析得 到机身在工作状态的前 l 0 阶模态参数， 如表2 所示。 表 3 列出理论计算模态与试验测试模态参数的相对 误差值，图3 给出实际测试的机身振型图。 图 2 测试系统结构示意图 表2 机身工作状态下前 l O阶模态参数 表 3 机身模态的理论计算值与试验值比较 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 7 6 机械工程学报 第 4 5 卷第 1 期 f 6阶 g 7阶0 a 8阶 i 9阶 a 1 O阶 图 3 2 5 k J 液压锤机身工作模态前 1 O阶振型 3 理论与试验模态结果分析 由表 3知，机身固有频率理论计算值与试验实 测值的相对误差在 1 ％以内。对比图 1和图 3的各 阶振型发现，理论计算的振型和试验实测的振型其 各阶对应 的振型方式也基本一致。液压锤的工作冲 击频率为 1 ～2 Hz 6 0 1 2 0次／ mi n ，机身的前 1 0 阶固有频率最小为 2 3 3 ． 9 0 H z ， 机身的固有频率远远 大于其冲击频率，不会有共振现象发生。 从前 1 0阶固有频率看，机身最小的固有频率 为 2 3 2 ． 1 4 8 H z ，最大的固有频率为 9 2 9 ． 9 7 Hz ，各阶 之间的模态不密集 比较分散，尤其是第 5阶固有频 率 4 8 1 ． 2 2 H z 和第 6阶固有频率 7 5 8 ． 2 0 H z 之间的 模态跨度很大 ，较大跨度的模态有效地避开了机身 打击瞬时的爆发频率。 从前 1 0阶振型图看 ，机身振动 以立柱的弯曲 和扭转振动为主。液压锤在实际工作中主要承受在 机身竖直方向上的冲击力，机身的立柱起到主要的 支撑作用，同时整体闭式机身的上下横粱振动也是 通过立柱来传递的，所以机身易发生弯 曲变形。但 从振型图上看 ，整个机身振型的振幅不大，高阶频 率的激励对机身的振动影响也不大，表明机身的整 体刚度和质量分布均衡，设计结构利于机身的动力 性能。 4 结论 1 理论计算与动态测试值基本一致表明建立 的液压锤机身力学模型和对界面连接条件的处理与 实际情况较吻合。机身力学模型可靠，成功转化了 机身动力学问题。 2 理论与试验模态的分析方法应用于锤类设 备研究， 可以有效直观地得到设备的动态特性数据， 为进一步研究设备的振动和噪声问题提供 了条件， 也为结构改进设计提供 了理论依据 。 3 1自主开发的C8 3 系列2 5 l J 对击式液压锤具 有 良好的动态性能。整体刚度和质量分布均衡，整 体闭式结构的机身提高了设备工作的可靠性和使用 寿命。 ‘ 参考文献 [ 】 ]1 张长龙，邱林弟．锻锤在现代锻造工业中的复兴[ J ] ．锻 压技术， 2 0 0 4 2 5 3 ． 5 5 ． Z H A NG C h a n g l o n g ，Q I U L i n d i ．F o r g i n g h a mme r ’ S r e v i v a l i n m o d e m f o r g i n g i n d u s t r i a l[ J ] _F o r g i n g S t a m p i n g T e c h n o l o g y , 2 0 0 4 2 5 3 5 5 ． [ 2 ]李永堂， 杜诗文．我国液压模锻锤的开发、研究与展望 [ J 】 ． 机械工程学报， 2 0 0 3 ， 3 9 1 1 4 3 4 6 ． L I Y o n g t a n g ，DU S h i we n ．Re s e a r c h ，d e v e l o p me n t a n d p r o s p e c t o n t h e h y d r a u l i c d i e f o r g i n g h a mme r [ J ] ． C h in e s e J o u r n a l o f Me c h n i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 3 ， 3 9 1 1 4 3 - 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8 ． S UN F e n g c h u n ，HE Ho n g we n ， CHE N Yo n g ， e t a 1 ． S t u d y o f e l e c t r i c c h a r g e a n d d i s c h arg e c h a r a c t e r o f Ni H c e l l [ J 】 ． A u t o m o b i l e T e c h n o l o g y , 2 0 0 1 6 6 - 8 ． [ 9 】Q UI NZ I O M， Z I MME R MA N A H． D yn a mi c c a l o r i me t r y f o r t h e r ma l c h ara c t e r i z a t i o n o f c e l l s【 C ] ／ ／ 1 7 t h An n u a l Co n f e r e n c e o n Ap p l i c a t i o n s a n d Ad v a n c e s ， J an u a r y l 5 - 1 8，2 0 0 2 ．L o n g Be a c h ，Ca l i f o r n i aI EE E．2 0 0 2 2 7 9 ． 2 8 4 ． [ 1 0 ]S C H R AG E D S ． T h e r ma l mo d e l i n g o f N I MH b a k e r y c e l l s o p e r a t i n g u n d e r tr a n s i e n t o r b i t a l c o n d i t i o n s [ C] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e 2 6 t h I n t e r s o c i e t y E n e r g y Co n v e r s i o n E n g i n e e r i n g C o n f e r e n c e ， Au g u s t 4 - 9 ， 1 9 9 1 ． Bo s t o n， MA Ame ri c a n Nu c l e ar S o c i e t y , 1 9 9 1 ， 3 2 1 - 4 4 ． 作者简介秦明俊，男，1 9 8 5年出生。主要研究方向为镍氢 电池的数值 分析。 E ma i l m j q i n s j t u ． e d u ．e ll 于立军，男，1 9 6 9年出生，副教授，硕士研究生导师。主要研究方向为 燃料电池技术和新能源技术。 上接第 2 7 6页 I n d u s t r i a l Ap p l i c a t i o n s ，M e c h a n i c a l S y s t e ms a n d S i g na l P r o c e s s i n g ， 1 9 9 9 ， 1 3 2 1 9 3 2 1 6 ． 【 8 ]C HI A NG D C H E NG M S ．Mo d a l p a r a me t e r i d e n t i fi c a t i o n f r o m a mb i e n t r e s p o n s e[ J 】 ． A I AA J o u rna l ， 1 9 9 9 ， 3 7 4 5 1 3 5 1 5 ． [ 9 1李中付，华宏星，宋汉文，等．基于环境激励的工作模 态参数识别【 J ] ．上海交通大学学报，2 o o 1 8 1 1 6 7 ． 1 l 71 ． L I Z h o n g f u ，HUA Ho n g x i n g ，S ONG Ha n we n 。e t a 1 ． Op e r a t i n g mo d a l p ara me t e r i d e n t i fi c a t i o n u nd e r a mb i e n t e x c i t a t i o n【 J ] ． J o u r n a l o f S h ang h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y , 2 0 01 8 1 1 6 7 ． 1 1 7 1 ． 【 1 0 】郑敏，申凡，史东峰，等．单独利用响应数据进行模态 分析[ J 】 ．中国机械工程， 2 0 0 6 4 4 0 5 ． 4 0 9 ． Z HENG Mi n ，S HE N F a n ，S HI Do n g f e n g ，e t a 1 ．Mo d a l ana l y s i s f r o m r e s p o n s e o n l y [ J ] ． C h i n a Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 6 4 4 0 5 4 0 9 ． 作者简介 巨丽 ，女，1 9 7 2年出生。主要研究方 向为锻压设备开发与 控制。 E m a i l j u l i 7 2 0 8 1 6 3 c o rn 李永堂，男，1 9 5 7 年 出生，教授，博士研究生导师。主要研究方向为塑 性加工设备理论，控制及先进集成制造技术。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m