數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床振動噪聲分析檢測及針對性建議

郭 偉，宋愛平，楊 益，陶建明

（揚州大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床是高效、精密的柔性薄板材沖裁設(shè)備，利用數(shù)控系統(tǒng)對轉(zhuǎn)塔刀具更換、沖孔形狀以及板料進(jìn)給位置進(jìn)行控制，其可靠性、加工精度都與機床的振動和噪聲有密切的關(guān)系。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的床身主要由兩塊主板和多塊加強筋焊接而成，且上、下轉(zhuǎn)盤采用鑄鋼件，尺寸較大，在空轉(zhuǎn)或者板材加工時會產(chǎn)生很大的振動和噪聲，因此對其進(jìn)行振動和噪聲的監(jiān)測是有效解決問題的必要步驟。

1 振源和噪聲源分析

1.1 振源分析

要解決數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的振動問題，就要先分析振動產(chǎn)生的原因并找出振源，只有對振源的具體情況具體分析，才能制定出針對振源的有效控制方法。

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的振源主要是：

（1）不平衡的旋轉(zhuǎn)件曲軸。曲軸在高速旋轉(zhuǎn)下，由于其質(zhì)心和旋轉(zhuǎn)中心存在偏心，從而產(chǎn)生了繞旋轉(zhuǎn)中心的離心力，使軸與軸承直接產(chǎn)生了較大的振動。

（2）進(jìn)給橫梁在y 軸與x 軸加速情況下的自振，以及帶動機床床身的振動。

（3）旋轉(zhuǎn)盤尺寸和質(zhì)量較大，其鑄造加工以及裝配容易產(chǎn)生偏心，旋轉(zhuǎn)時引起較大的離心力。其離心力W（N）為：

其中：m 為旋轉(zhuǎn)偏心部件與軸的質(zhì)量之和，kg；e為偏心距，m；λ 為旋轉(zhuǎn)角速度，rad／s。由式（1）可以看出，在偏心距一定的情況下，離心力與旋轉(zhuǎn)件的質(zhì)量和速度成正比。

（4）在離心力作用下，沖床受到了離心力與機床底邊所產(chǎn)生的顛覆力矩γ（Nm）：

其中：h為離心力到機床底邊的距離。

（5）凸模沖擊板材引起的振動，以及帶動沖床的振動。

（6）來自其他設(shè)備通過地面?zhèn)鬟f過來的干擾。

1.2 噪聲源分析

機械噪聲與振動有著密不可分的關(guān)系，在機械有較大噪聲的部位一般就有較大的振動。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的噪聲是脈沖式的瞬態(tài)噪聲，其聲壓級峰值達(dá)到100 dB～120dB。其噪聲分為運轉(zhuǎn)噪聲和沖裁噪聲，如齒輪間的嚙合噪聲、軸承噪聲、空氣動力噪聲、電動機噪聲、機構(gòu)間隙產(chǎn)生的噪聲和沖裁工藝噪聲。

2 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床振動和噪聲測試

機械（或結(jié)構(gòu)）的振動測試主要是指測量振動體（或振動體上某一點）的位移、速度、加速度的大小，以及振動頻率（或周期）、相位、衰減系數(shù)、振型、頻譜等。機械振動測量中，有時不需要測量振動信號的時間歷程曲線，而只需要測量振動信號的幅值，即振動位移、速度和加速度信號的有效值或峰值。如果所測的振動信號是簡諧信號，只要測出振動位移、速度、加速度幅值中的任何一個，就可以根據(jù)位移、速度、加速度3者的關(guān)系求出其余的兩個。設(shè)振動位移、速度、加速度分別為x、v、a，即：

x＝Qsin（ωt－φ），

其中：Q 為位移振幅；ω 為振動角頻率，ω＝2πf，f 為振動頻率；φ 為初相位。

振動信號的幅值可以根據(jù)位移、速度、加速度的關(guān)系，分別用位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器測量，也可利用信號分析儀和振動儀中的微分、積分功能測量。

測量機械噪聲的目的一般是為了進(jìn)行產(chǎn)品噪聲鑒定、評價或噪聲聲源識別，以便采取噪聲控制措施。在機械噪聲現(xiàn)場測量時，須使聲音的混響小于3dB（A）。為此，要求現(xiàn)場測量的實驗室體積H（m3）與機械規(guī)定表面積Z（m2）之比足夠大。其表面積Z 按下式計算：

Z＝2kc＋2bc＋kb。

其中：k 為有效長度，即機械長度加2倍的測點距離，m；b為有效寬度，即機械寬度加2倍的測點距離，m；c為有效高度，即機械高度加測量距離，m。

2.1 振動噪聲測試系統(tǒng)

（1）設(shè)計實驗方案。設(shè)計的系統(tǒng)測量框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)測量框圖

（2）根據(jù)上述的理論分析，再根據(jù)經(jīng)驗和聽覺，確定振動噪聲的大概位置，確定測試點1、2、3，見圖2。然后對連接好的儀器進(jìn)行調(diào)試，在啟動機床后察看信號接收及儀器儀表指針讀數(shù)等情況，確保儀器的正常工作。

圖2 機床測試點

2.2 振動測試數(shù)據(jù)

表1～表3為振動測試結(jié)果。

表1 按100%速率、72h性能試驗程序運行機床的振動測試結(jié)果

表2 按100%速率、Y 軸以1mm步距運行機床的振動測試結(jié)果

表3 按100%速率、Y 軸以25mm步距運行機床的振動測試結(jié)果

2.3 噪聲圖譜

圖3、圖4分別為機床開機和工作時的噪聲圖譜。

3 測試結(jié)果分析

對測試結(jié)果與理論分析的振動源、噪聲源位置進(jìn)行比較，其位置基本一致。由圖2給出的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床測試點分別為：侯口1、橫梁位置端2、伺服電機處3。在這3點位置中，測試點3的峰值偏大，這是由于伺服電機的影響；且隨著進(jìn)給步距的增加，1、2、3三點的振動明顯上升，1點的位置受到轉(zhuǎn)輪的影響，使其振動超過了其他兩點；2點的振動是由自由振動等多方面的振動疊加而成的，如床身的自振、橫梁振動等，這些都影響了機床的穩(wěn)定性。

圖3 機床開機噪聲

圖4 機床工作時噪聲

根據(jù)噪聲測試結(jié)果，可以看出沖床的最低噪聲也在90 dB 以上，最高速度運轉(zhuǎn)時的噪聲達(dá)到了120dB～125dB。85dB以上的噪聲就會使人感到心煩意亂，因而無法專心工作，導(dǎo)致工作效率降低；超過115dB的噪聲會造成耳聾。因此該機床的最低和最高噪聲都對工作人員的身心健康造成了危害，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

4 結(jié)論

通過對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床振動源的分析測試，提出以下針對性的建議：

（1）針對其振動，可以在機床床身支撐腳上安裝WJ－90型橡膠減振底盤使其固定在機床與地基之間，加大底盤的厚度和面積。在機床床身中裝入適量的黃沙，利用床身里面的黃沙來吸振，將機械能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，見圖5。

圖5 改進(jìn)示意圖

（2）對局部噪聲較大的區(qū)域采用隔聲罩，這種隔聲罩可采用硬紙片或者是聚氨酯塑料制造，制作簡單，成本低廉；也可以在適當(dāng)?shù)牡胤郊痈粽駢|來減小噪聲。在床身支持板噪聲振動較大的地方，適當(dāng)?shù)卣迟N阻尼材料，將振動的機械能轉(zhuǎn)化成為內(nèi)能，從而減小振動和噪聲。

［1］ 南建平.沖床的噪聲及控制［J］.鄂州大學(xué)學(xué)報，2005，12（3）：70－72.

［2］ 陳威，陳維民，劉鋼.沖床噪聲產(chǎn)生的原因、頻譜特性及傳播途徑分析［J］.鍛壓技術(shù)，1999（5）：40－45.

［3］ 許穎穎.數(shù)控沖床噪聲控制研究［J］.機械制造，2011，42（2）：58－59.

［4］ 廖鋼，楊受章，黃狀飛.JB－60型沖床機理及降噪方法的研究［J］.湖南大學(xué)學(xué)報，1991，18（4）：35－40.

［5］ 羊拯民.機械振動與噪聲［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［6］ 聞邦椿，劉樹銀，陳照皮，等.機械振動理論及應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［7］ Chen Wei，Liu Gang，Cai Wei，et al.Reduce the noise of punch press with the equivalent damping［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2006，13（1）：59－61.