磁流變阻尼器對單、雙平面砂輪振動控制對比實驗

胡航領　何立東

摘要：磨削過程中，砂輪的振動是產生工件加工表面振紋、影響加工質量的重要因素。針對砂輪不平衡引起的主軸振動，搭建砂輪振動控制實驗臺，模擬磨床工作狀態。在砂輪主軸上安裝磁流變阻尼器，實驗研究阻尼器分別應用單平面和雙平面振動控制技術控制砂輪振動的影響規律。結果表明：利用單平面振動控制方法，砂輪主軸振動峰峰值及轉頻的振動幅值較原始振動下降明顯，降幅達80%；雙平面振動控制方法效果更佳，較原始振動降幅達90%。兩種方法均能有效抑制砂輪主軸振動，使砂輪振動保持在較低水平。

關鍵詞：振動控制；磁流變阻尼器；阻尼減振；砂輪；磨削

中圖分類號：TB535；TH703.62；TB381

文獻標志碼：A 文章編號：1004-4523（2017）01-0049-06

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

引言

磨削作為機械加工的重要組成部分，是精密和超精密加工的重要手段。質量不平衡是較為常見的故障類型。砂輪的不平衡量引起的振動嚴重制約著磨削表面、加工精度和生產效率的提高。引起砂輪振動的原因有工件和刀具傳動系統的擾動以及砂輪不平衡引起的主軸振動。目前常用自動平衡裝置來控制砂輪的不平衡振動，但是常需在幾秒甚至十幾秒后才能完成平衡過程，無法在磨削過程中立即對因砂輪磨損等原因造成的不平衡振動進行平衡，引起機床振動，影響正常工作。

磁流變液在磁場作用下能在毫秒級的時間內變為類固體，磁流變液阻尼器正是利用這一原理，通過改變磁流變液的磁場環境獲得阻尼力，運用阻尼對控制目標進行吸能減振。其作為一種新型智能阻尼減振裝置，已成功應用于建筑、橋梁等結構振動控制領域。近年來，學者們對其應用于旋轉機械振動控制領域的研究也逐漸增多。汪建曉等將一種剪切式磁流變阻尼器引入轉子振動控制中，將阻尼器作為轉子系統的支承，研究阻尼器對轉子系統剛度和阻尼的影響。祝長生將磁流變體阻尼器及磁流變脂阻尼器引入單盤懸臂轉子系統中，研究阻尼器對系統動力學特性的影響。

本文搭建砂輪振動控制實驗臺，模擬磨床工作狀態，將磁流變阻尼器作為輔助裝置安裝于砂輪主軸上，在砂輪機運行狀態下，實驗研究阻尼器應用單平面振動控制技術對砂輪振動控制的影響規律。在另一端的砂輪主軸處增加一臺磁流變阻尼器，實驗研究阻尼器應用雙平面振動控制技術對砂輪振動控制的影響規律，與單平面振動控制技術進行對比。

1.磁流變阻尼器的結構及減振機理

1.1磁流變阻尼器的結構

磁流變阻尼器利用磁流變效應實現磁流變液的可調特性。在沒有外加磁場作用的情況下，磁流變液中的顆粒分布是無規則的，具有牛頓流體的特征；當施加磁場后，磁流變液在毫秒級的時間內完成由液體向固體轉換的固化現象，體現出高黏度與低流動的特性。圖1為磁流變阻尼器結構示意圖。阻尼器由外殼、線圈、阻尼片、套筒和軸承組成。阻尼片分為外阻尼片與內阻尼片：外阻尼片與外殼固定而靜止不動；內阻尼片與套筒固定，套筒與軸承連接，傳遞轉子的振動。阻尼片間留有一定間隙，間隙內充滿磁流變液。所用磁流變液的成分有羰基鐵粉（粒徑3～5um）、二甲基硅油（黏度5×10^-4m^-2/s）及活性劑。

對于一定的磁流變阻尼器，可通過調節控制電流的大小來改變其阻尼力。由文獻，合適的阻尼力可呈現阻尼減振效果，降低轉子系統的振幅，但是如果電流過大，阻尼器會由彈性元件轉變為剛性元件，反而會增大某些轉速范圍內的振動。因此，以磁流變阻尼器為系統提供合適的阻尼力，可增加系統的阻尼，抑制系統振動。

1.3磁流變阻尼器性能分析

搭建單跨懸臂實驗臺，分析磁流變阻尼器在不同電流與不同轉速下的抑振性能，實驗臺示意圖如圖2所示。轉軸直徑為10mm，轉軸長400mm，采用2個滑動軸承支承，支承跨度為240mm；轉盤直徑為75mm，寬度為15mm，質量為0.5kg，阻尼器放置于轉盤外側。實驗轉子的一階臨界轉速在3450r/rain左右，故選擇測量轉子在1500～5000r/min轉速范圍內阻尼器電流分別為0，0.5，1.0，1.5和2A時的振動數據，如圖3所示。

由圖3可得，阻尼器通人電流0.5A時，臨界共振區的振幅較原始振動下降明顯；電流增加至1.0A，振幅繼續下降。當電流為1.5A時，轉子系統的臨界轉速有所上升，且臨界共振區的振幅較1.0A時的大，這是因為此時阻尼器由彈性支撐向剛性支撐轉變，阻尼器為系統提供的附加剛度已不能忽視，提高了系統的臨界轉速，同時阻尼器的吸振能力下降，振動降幅減小。電流為2.0A時，阻尼器附加的支承剛度繼續增大，系統臨界轉速繼續提高，共振區振幅變大。以上表明，并不是通人電流越大，阻尼器對系統的減振效果越好，過大的電流會增大某些轉速下的振動。

由于實驗用砂輪機的轉子可視為剛性轉子，即在剛性狀態下運行，以圖3中3000r/min下的振動數據為例，電流為0時的原始振動為562.8um，電流由0.5A增加到1.0A，振幅由347.2um降到316.6um，繼續增加電流至1.5A，振幅降為311.7um，電流增至2.0A時，振幅降至309.5um。由此表明當轉子系統在剛性狀態下運行時，改變阻尼器電流可降低懸臂轉子的振動，且系統振幅隨阻尼器電流的增大而減小，振動降幅呈現出先快速增大后變緩的趨勢。

2.單平面振動控制實驗研究

2.1實驗臺參數

實驗臺由砂輪機、接桿和阻尼器組成，阻尼器通過接桿安裝于左側砂輪主軸上，如圖4所示。砂輪機工作轉速為3000r/rain，砂輪處主軸直徑為d=12.7mm，砂輪直徑為D=150mm，厚度為B=16mm，砂輪質量為m=0.4kg。由于砂輪為非金屬材質，故用電渦流位移傳感器測量砂輪主軸振動。在主軸水平方向及豎直方向放置位移傳感器，分別測量主軸振動。由于磁流變液的流變特性，通電后提供系統一定的阻尼力，用于平衡不平衡量對系統產生的影響，降低砂輪振動，對系統負載幾乎沒有影響，不會影響電機功率。

實驗用測試系統為LC-8008系列多通道振動監測故障診斷系統，包含8個輸入通道和專用振動信號處理采集板。

2.2單平面振動控制規律研究

實驗轉速為砂輪機工作轉速3000r/rain，阻尼器通人電流，研究阻尼器應用單平面振動控制技術控制砂輪振動的影響規律。阻尼器分別通入0，0.5，1.0，1.5和2A電流，測得左側砂輪主軸處的振動數據如圖5所示。

由圖5可得，阻尼器控制電流在0～1.0A的范圍內時，水平方向振動峰峰值由174.96um降為42.99um，降幅為75.4%；豎直方向振動峰峰值由174.40um降為33.24um，降幅為80.9%。水平方向50 Hz轉頻的振動幅值由68.64um降為15.62um，降幅為77.2%；豎直方向50Hz轉頻的振動幅值由67.52um降為11.74um，降幅為82.6%。控制電流為1.5和2.0A時的振動幅值與1.0A時相差無幾，在電流1.0A時，系統的振幅已降低至較低水平，這與磁流變阻尼器性能分析中的結論相吻合。以電流0和1.0A時水平方向的數據為例，時域數據對比如圖6所示，頻譜數據對比如圖7所示。

由圖6和7可得，在系統工作狀態下，阻尼器通人電流后，砂輪主軸振動峰峰值及轉頻的振動幅值較原始振動下降明顯，降幅約為80%。

結果表明，阻尼器利用單平面振動控制技術可有效控制砂輪主軸的振動，降幅隨電流的增大而增大，保證系統安全運行。

3.雙平面振動控制實驗研究

只在單側砂輪處安裝阻尼器時，阻尼器的控制電流達到一定值后無法繼續降低砂輪的振動。故可當單側砂輪工作時，在另一側砂輪處增加一臺阻尼器，研究該方法能否進一步降低工作處砂輪的振動。在單平面振動控制實驗臺的基礎上，在右側砂輪主軸上增加一臺阻尼器，研究阻尼器應用雙平面振動控制技術控制砂輪振動的影響規律，如圖8所示。

實驗轉速仍為砂輪機工作轉速3000r/rain，阻尼器分別同時通人0，0.5，1.0，1.5和2A電流，分別測得左側砂輪主軸及右側砂輪主軸處振動數據，如圖9所示。

由圖9可得，阻尼器通入電流至1.0A，左側砂輪主軸水平方向振動峰峰值由172.97um降為16.65um，降幅為90.4%，豎直方向振動峰峰值由174.60um降為19.16um，降幅為89.0%。水平方向50 Hz轉頻的振動幅值由66.12um降為5.59um，降幅為91.6%，豎直方向50Hz轉頻的振動幅值由67.75um降為5.57um，降幅為91.8%。右側砂輪主軸水平方向振動峰峰值由180.52um降為22.05um，降幅為87.8%，豎直方向振動峰峰值由181.01um降為21.34um，降幅為88.2%。水平方向50Hz轉頻的振動幅值由71.49um降為7.28um，降幅為89.9%，豎直方向50Hz轉頻的振動幅值由72.33um降為6.84um，降幅為90.5%。此時，振動幅值較應用單平面振動控制技術時有進一步的降低，且兩側砂輪主軸的振動均較小。控制電流為1.5和2.0A時的振動幅值與1.0A時的相近，變化不大。在實驗中，左側砂輪主軸的振幅略小于右側砂輪，這可能是由于在分別配置兩臺阻尼器內的磁流變液時，其配比略有不同造成的。

以電流0和1.0A時左側砂輪主軸水平方向的振動數據為例，時域數據對比如圖10所示，頻譜數據對比如圖11所示。

由圖10和11可得，在系統工作狀態下，阻尼器通人電流后，阻尼器能同時降低砂輪主軸振動峰峰值及轉頻的振動幅值，振幅較單平面技術時的小，降幅可達90%，且隨電流的增大而增大。

綜上所述，阻尼器利用雙平面振動控制技術可有效控制砂輪主軸振動，振動控制效果優于單平面振動控制技術。上述實驗處于機理研究階段，由于本文所用實驗系統不具備完善、可靠的工件進給裝置與主軸調速裝置，故阻尼器基于不同加工工況（砂輪轉速、工件進給量和進給速度）對砂輪主軸振動及工件磨削表面粗糙度的影響規律研究尚未進行。如何將該技術應用于磨床砂輪振動控制中，還需對磁流變阻尼器的結構進行優化。

4.結論

本文搭建單平面及雙平面振動控制實驗臺，將磁流變阻尼器作為輔助裝置安裝于砂輪主軸，在砂輪機工作狀態下，研究阻尼器利用單平面及雙平面振動控制技術控制砂輪振動的規律，并對比分析了兩種方法的控制效果，得到如下結論：

1）當轉子系統在剛性狀態下運行時，改變阻尼器電流可降低轉子振動，且系統振幅隨阻尼器電流的增大而減小，振動降幅呈現出先快速增大后變緩的趨勢；

2）在單平面振動控制實驗中，磁流變阻尼器可以在系統運行狀態下，有效抑制砂輪主軸振動峰峰值及轉頻的振動幅值，降幅約為80%；

3）在雙平面振動控制實驗中，系統運行狀態下，磁流變阻尼器對砂輪機兩側的砂輪主軸振動峰峰值及轉頻的振動幅值均有較好的振動控制效果，振動降幅約為90%；

4）兩種振動控制方法均能將砂輪振動保持在較低水平，系統振幅隨電流的增大而減小，且雙平面振動控制技術的振動控制效果優于單平面振動控制技術的振動效果。