磁流变阻尼器对单、双平面砂轮振动控制对比实验

    胡航领　何立东

    

    

    

    摘要：磨削过程中，砂轮的振动是产生工件加工表面振纹、影响加工质量的重要因素。针对砂轮不平衡引起的主轴振动，搭建砂轮振动控制实验台，模拟磨床工作状态。在砂轮主轴上安装磁流变阻尼器，实验研究阻尼器分别应用单平面和双平面振动控制技术控制砂轮振动的影响规律。结果表明：利用单平面振动控制方法，砂轮主轴振动峰峰值及转频的振动幅值较原始振动下降明显，降幅达80%；双平面振动控制方法效果更佳，较原始振动降幅达90%。两种方法均能有效抑制砂轮主轴振动，使砂轮振动保持在较低水平。

    关键词：振动控制；磁流变阻尼器；阻尼减振；砂轮；磨削

    中图分类号：TB535；TH703.62；TB381

    文献标志码：A 文章编号：1004-4523（2017）01-0049-06

    DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2017.01.007

    引言

    磨削作为机械加工的重要组成部分，是精密和超精密加工的重要手段。质量不平衡是较为常见的故障类型。砂轮的不平衡量引起的振动严重制约着磨削表面、加工精度和生产效率的提高。引起砂轮振动的原因有工件和刀具传动系统的扰动以及砂轮不平衡引起的主轴振动。目前常用自动平衡装置来控制砂轮的不平衡振动，但是常需在几秒甚至十几秒后才能完成平衡过程，无法在磨削过程中立即对因砂轮磨损等原因造成的不平衡振动进行平衡，引起机床振动，影响正常工作。

    磁流变液在磁场作用下能在毫秒级的时间内变为类固体，磁流变液阻尼器正是利用这一原理，通过改变磁流变液的磁场环境获得阻尼力，运用阻尼对控制目标进行吸能减振。其作为一种新型智能阻尼减振装置，已成功应用于建筑、桥梁等结构振动控制领域。近年来，学者们对其应用于旋转机械振动控制领域的研究也逐渐增多。汪建晓等将一种剪切式磁流变阻尼器引入转子振动控制中，将阻尼器作为转子系统的支承，研究阻尼器对转子系统刚度和阻尼的影响。祝长生将磁流变体阻尼器及磁流变脂阻尼器引入单盘悬臂转子系统中，研究阻尼器对系统动力学特性的影响。

    本文搭建砂轮振动控制实验台，模拟磨床工作状态，将磁流变阻尼器作为辅助装置安装于砂轮主轴上，在砂轮机运行状态下，实验研究阻尼器应用单平面振动控制技术对砂轮振动控制的影响规律。在另一端的砂轮主轴处增加一台磁流变阻尼器，实验研究阻尼器应用双平面振动控制技术对砂轮振动控制的影响规律，与单平面振动控制技术进行对比。

    1.磁流变阻尼器的结构及减振机理

    1.1磁流变阻尼器的结构

    磁流变阻尼器利用磁流变效应实现磁流变液的可调特性。在没有外加磁场作用的情况下，磁流变液中的颗粒分布是无规则的，具有牛顿流体的特征；当施加磁场后，磁流变液在毫秒级的时间内完成由液体向固体转换的固化现象，体现出高黏度与低流动的特性。图1为磁流变阻尼器结构示意图。阻尼器由外壳、线圈、阻尼片、套筒和轴承组成。阻尼片分为外阻尼片与内阻尼片：外阻尼片与外壳固定而静止不动；内阻尼片与套筒固定，套筒与轴承连接，传递转子的振动。阻尼片间留有一定间隙，间隙内充满磁流变液。所用磁流变液的成分有羰基铁粉（粒径3～5um）、二甲基硅油（黏度5×10-4m-2/s）及活性剂。

    对于一定的磁流变阻尼器，可通过调节控制电流的大小来改变其阻尼力。由文献，合适的阻尼力可呈现阻尼减振效果，降低转子系统的振幅，但是如果电流过大，阻尼器会由弹性元件转变为刚性元件，反而会增大某些转速范围内的振动。因此，以磁流变阻尼器为系统提供合适的阻尼力，可增加系统的阻尼，抑制系统振动。

    1.3磁流变阻尼器性能分析

    搭建单跨悬臂实验台，分析磁流变阻尼器在不同电流与不同转速下的抑振性能，实验台示意图如图2所示。转轴直径为10mm，转轴长400mm，采用2个滑动轴承支承，支承跨度为240mm；转盘直径为75mm，宽度为15mm，质量为0.5kg，阻尼器放置于转盘外侧。实验转子的一阶临界转速在3450r/rain左右，故选择测量转子在1500～5000r/min转速范围内阻尼器电流分别为0，0.5，1.0，1.5和2A时的振动数据，如图3所示。

    由图3可得，阻尼器通人电流0.5A时，临界共振区的振幅较原始振动下降明显；电流增加至1.0A，振幅继续下降。当电流为1.5A时，转子系统的临界转速有所上升，且临界共振区的振幅较1.0A时的大，这是因为此时阻尼器由弹性支撑向刚性支撑转变，阻尼器为系统提供的附加刚度已不能忽视，提高了系统的临界转速，同时阻尼器的吸振能力下降，振动降幅减小。电流为2.0A时，阻尼器附加的支承刚度继续增大，系统临界转速继续提高，共振区振幅变大。以上表明，并不是通人电流越大，阻尼器对系统的减振效果越好，过大的电流会增大某些转速下的振动。

    由于实验用砂轮机的转子可视为刚性转子，即在刚性状态下运行，以图3中3000r/min下的振动数据为例，电流为0时的原始振动为562.8um，电流由0.5A增加到1.0A，振幅由347.2um降到316.6um，继续增加电流至1.5A，振幅降为311.7um，电流增至2.0A时，振幅降至309.5um。由此表明当转子系统在刚性状态下运行时，改变阻尼器电流可降低悬臂转子的振动，且系统振幅随阻尼器电流的增大而减小，振动降幅呈现出先快速增大后变缓的趋势。

    2.单平面振动控制实验研究

    2.1实验台参数

    实验台由砂轮机、接杆和阻尼器组成，阻尼器通过接杆安装于左侧砂轮主轴上，如图4所示。砂輪机工作转速为3000r/rain，砂轮处主轴直径为d=12.7mm，砂轮直径为D=150mm，厚度为B=16mm，砂轮质量为m=0.4kg。由于砂轮为非金属材质，故用电涡流位移传感器测量砂轮主轴振动。在主轴水平方向及竖直方向放置位移传感器，分别测量主轴振动。由于磁流变液的流变特性，通电后提供系统一定的阻尼力，用于平衡不平衡量对系统产生的影响，降低砂轮振动，对系统负载几乎没有影响，不会影响电机功率。

    实验用测试系统为LC-8008系列多通道振动监测故障诊断系统，包含8个输入通道和专用振动信号处理采集板。

    2.2单平面振动控制规律研究

    实验转速为砂轮机工作转速3000r/rain，阻尼器通人电流，研究阻尼器应用单平面振动控制技术控制砂轮振动的影响规律。阻尼器分别通入0，0.5，1.0，1.5和2A电流，测得左侧砂轮主轴处的振动数据如图5所示。

    由图5可得，阻尼器控制电流在0～1.0A的范围内时，水平方向振动峰峰值由174.96um降为42.99um，降幅为75.4%；竖直方向振动峰峰值由174.40um降为33.24um，降幅为80.9%。水平方向50 Hz转频的振动幅值由68.64um降为15.62um，降幅为77.2%；竖直方向50Hz转频的振动幅值由67.52um降为11.74um，降幅为82.6%。控制电流为1.5和2.0A时的振动幅值与1.0A时相差无几，在电流1.0A时，系统的振幅已降低至较低水平，这与磁流变阻尼器性能分析中的结论相吻合。以电流0和1.0A时水平方向的数据为例，时域数据对比如图6所示，频谱数据对比如图7所示。

    由图6和7可得，在系统工作状态下，阻尼器通人电流后，砂轮主轴振动峰峰值及转频的振动幅值较原始振动下降明显，降幅约为80%。

    结果表明，阻尼器利用单平面振动控制技术可有效控制砂轮主轴的振动，降幅随电流的增大而增大，保证系统安全运行。

    3.双平面振动控制实验研究

    只在单侧砂轮处安装阻尼器时，阻尼器的控制电流达到一定值后无法继续降低砂轮的振动。故可当单侧砂轮工作时，在另一侧砂轮处增加一台阻尼器，研究该方法能否进一步降低工作处砂轮的振动。在单平面振动控制实验台的基础上，在右侧砂轮主轴上增加一台阻尼器，研究阻尼器应用双平面振动控制技术控制砂轮振动的影响规律，如图8所示。

    实验转速仍为砂轮机工作转速3000r/rain，阻尼器分别同时通人0，0.5，1.0，1.5和2A电流，分别测得左侧砂轮主轴及右侧砂轮主轴处振动数据，如图9所示。

    由图9可得，阻尼器通入电流至1.0A，左侧砂轮主轴水平方向振动峰峰值由172.97um降为16.65um，降幅为90.4%，竖直方向振动峰峰值由174.60um降为19.16um，降幅为89.0%。水平方向50 Hz转频的振动幅值由66.12um降为5.59um，降幅为91.6%，竖直方向50Hz转频的振动幅值由67.75um降为5.57um，降幅为91.8%。右侧砂轮主轴水平方向振动峰峰值由180.52um降为22.05um，降幅为87.8%，竖直方向振动峰峰值由181.01um降为21.34um，降幅为88.2%。水平方向50Hz转频的振动幅值由71.49um降为7.28um，降幅为89.9%，竖直方向50Hz转頻的振动幅值由72.33um降为6.84um，降幅为90.5%。此时，振动幅值较应用单平面振动控制技术时有进一步的降低，且两侧砂轮主轴的振动均较小。控制电流为1.5和2.0A时的振动幅值与1.0A时的相近，变化不大。在实验中，左侧砂轮主轴的振幅略小于右侧砂轮，这可能是由于在分别配置两台阻尼器内的磁流变液时，其配比略有不同造成的。

    以电流0和1.0A时左侧砂轮主轴水平方向的振动数据为例，时域数据对比如图10所示，频谱数据对比如图11所示。

    由图10和11可得，在系统工作状态下，阻尼器通人电流后，阻尼器能同时降低砂轮主轴振动峰峰值及转频的振动幅值，振幅较单平面技术时的小，降幅可达90%，且随电流的增大而增大。

    综上所述，阻尼器利用双平面振动控制技术可有效控制砂轮主轴振动，振动控制效果优于单平面振动控制技术。上述实验处于机理研究阶段，由于本文所用实验系统不具备完善、可靠的工件进给装置与主轴调速装置，故阻尼器基于不同加工工况（砂轮转速、工件进给量和进给速度）对砂轮主轴振动及工件磨削表面粗糙度的影响规律研究尚未进行。如何将该技术应用于磨床砂轮振动控制中，还需对磁流变阻尼器的结构进行优化。

    4.结论

    本文搭建单平面及双平面振动控制实验台，将磁流变阻尼器作为辅助装置安装于砂轮主轴，在砂轮机工作状态下，研究阻尼器利用单平面及双平面振动控制技术控制砂轮振动的规律，并对比分析了两种方法的控制效果，得到如下结论：

    1）当转子系统在刚性状态下运行时，改变阻尼器电流可降低转子振动，且系统振幅随阻尼器电流的增大而减小，振动降幅呈现出先快速增大后变缓的趋势；

    2）在单平面振动控制实验中，磁流变阻尼器可以在系统运行状态下，有效抑制砂轮主轴振动峰峰值及转频的振动幅值，降幅约为80%；

    3）在双平面振动控制实验中，系统运行状态下，磁流变阻尼器对砂轮机两侧的砂轮主轴振动峰峰值及转频的振动幅值均有较好的振动控制效果，振动降幅约为90%；

    4）两种振动控制方法均能将砂轮振动保持在较低水平，系统振幅随电流的增大而减小，且双平面振动控制技术的振动控制效果优于单平面振动控制技术的振动效果。