合模速度对曲肘合模系统振动频谱特性的影响

陈学锋 徐言生 胡建国 许中明 殷小春

[1.顺德职业技术学院机电工程学院,广东 顺德, 528300;2.聚合物成型加工工程教育部重点实验室(华南理工大学)，广东 广州, 510640]

机械与模具

合模速度对曲肘合模系统振动频谱特性的影响

陈学锋1徐言生1胡建国1许中明1殷小春2

[1.顺德职业技术学院机电工程学院,广东 顺德, 528300;2.聚合物成型加工工程教育部重点实验室(华南理工大学)，广东 广州, 510640]

对实测合模肘杆机构振动信号进行频谱分析，探索合模速度与肘杆振动能量及振动频率之间的关系。发现合模速度的大小只影响与频率所对应的振动能量的大小，而对振动频率的分布状态无明显影响。

合模速度 肘杆 振动 功率谱

五点斜排双曲肘式合模机构以其良好的动力特性被广泛应用于塑料高速精密注射成型机，国内外众多研究者对双曲肘合模机构进行了深入的探讨。任彬等[1]针对精密塑料注射成型机复杂的动力学特性，对双曲肘连杆式合模装置进行了刚柔耦合动力学分析；朱俏俏等[2]针对注塑机双曲肘内翻式合模装置十字头连杆过渡结构应力集中现象和出现断裂问题，以双曲肘内翻式合模装置为研究对象进行分析，研究并提出了一种采用曲面过渡的设计方法; 叶成刚等[3]自主研发了新的曲肘机构分析和优化软件，实现了设计校验、仿真校验、参数优化生成等几个功能模块; 王诗强等[4]基于柔体多体动力学理论和虚拟样机技术，将注塑机双曲肘式合模机构的拉杆、肘杆、十字头等柔性化处理，建立了注塑机肘杆式合模机构刚柔耦合动力学模型；Sun S H等[5]在合模机构研究中，将拓扑优化与有限元理论相结合，优化了系统结构，提高了刚性和强度；综观国内外对合模机构的研究，都没能超出传统的研究方法，其理论基础仍是刚体动力学，难以解释合模机构在高速运动过程中复杂的动态特性。对机构振动信号的频谱分析是研究机构运动特性的重要方法，下面将频谱分析法引入对曲肘合模机构的研究，对合模肘杆机构振动信号进行频谱分析，探索合模速度与肘杆振动能量及振动频率之间的关系。

1 合模机构

合模机构示意如图1所示。

首先对图1所示肘杆机构上D点X轴、Y轴方向振动信号进行实测，经过消除趋势项和平滑处理后，再利用快速傅立叶变换(FFT)法进行频谱分析。

2 肘杆振动的频谱分析

在合模机构运动过程中，由于弹性变形振动的各频率成分及其对振动贡献的大小是机构内在特性的重要指标，频率的性质及其对振动功率贡献的大小在很大程度上决定了合模机构的运动特性，振动信号功率谱能展现振动信号各频率处功率的分布情况，因此分析研究合模机构振动信号在特定频段内的功率谱随合模速度的变化规律，可以找出在相应频段内信号能量与合模速度间的对应关系。

由于弹性肘杆机构频率本身的复杂性和人们对其认识的局限性,致使在对合模肘杆机构进行研究时，目前国内还很少人用到功率谱这个工具。下面利用FFT频域分析法对合模肘杆机构弹性振动进行分析研究，找出影响规律。

傅立叶变换是把信号按照正弦展开成不同频率，而FFT就是计算分析信号波形中的频谱成分强度，将其能量与时间积分，从而得出频率-能量的关系式，称为频域分析，这种变换无法确认信号不同频率间的幅度关系，只能计算其能量关系。

将经处理后的肘杆D点(见图1)振动离散数据表示成{xξ}，{xξ}表示经过消除趋势以及平滑处理后的弹性位移信号。

(1)

(2)

上式中，ξ为离散数据{xξ}的个数，N为信号采样点数，k为采样点取值范围。

在实际使用过程中，由于采样点一般很多，因此傅立叶变换计算量太大，效率低，而FFT是有限序列离散傅立叶变换的一种快速算法，它对变换式进行一次次分解，使其成为若干小数点的组合，从而减少运算量；从频率采样定律知道，N点序列{xξ}的N个离散时间傅立叶变换等间隔样本能唯一重构{xξ}。

N点序列{xξ}的N个离散时间傅立叶变换可表示为：

(3)

其中：

(4)

具体步骤如下：

将N个序列{xξ}先按照ξ的奇偶分成二组,再分别求其N/2点的离散傅立叶变换，得到其前半部分和后半部分。

前半部分：

(5)

后半部分：

(6)

重复这一过程，即可得到{xξ}的FFT变换结果，利用MATLAB工具编程，将其图形化。

图2～7分别是肘杆上D点X轴、Y轴方向振动频谱分析图。合模速度依次为100，300，500 mm/s。

从图2～7可以看出，随着合模速度的加大，肘杆上各点相应频率处的振动能量也在上升；尽管合模速度在变化，但是能量集中处的频率分布基本相同，分布在3个较集中的频率区，低频能量集中在320 Hz附近，中频能量集中在650 Hz附近，高频能量集中在970 Hz附近，分别是近似2倍、3倍关系。低频能量较大，中频能量较小，高频能量最小且较分散，这说明合模速度只影响肘杆弹性振动频率的能量大小，而对频率的分布状态无明显影响。由此说明，频率分布状态由合模机构自身的结构、尺寸、材料、阻尼等自身固有性质决定，而与合模速度等外在因素大小无关，合模速度的大小只影响该频率所对应的振动功率能量的大小，合模速度小，则在该频率处能量也低，随着合模速度的增加，该频率处能量也相应增加，合模速度越大，该频率对振动能量的贡献越大。

3 结论

a) 合模速度不影响肘杆振动的频率分布，但会影响合模机构系统振动能量大小，速度越高，振动能量越高，因此设计时，在满足使用要求的前提下，应尽量降低速度，以减少振动和冲击。

b) 低频处振动能量最高，而低频通常则由机械本身的结构等造成。在设计合模机构时，应优化设计，以增强系统刚性和运动精度。

[1] 任彬,张树有，谭建荣. 双曲肘连杆式合模装置数字样机刚柔耦合问题求解方法[J].机械工程学报，2012, 48(3):133-139.

[2] 朱俏俏 ，张本西.注塑机合模装置连杆过渡结构设计分析[J]. 机电工程，2014，31(10)，1287-1290.

[3] 叶成刚，高世权，顾建华，等.曲肘式合模机构分析与优化系统开发[J].轻工机械，2014，32(2)，9-11.

[4] 王诗强，谢鹏程，何雪涛,等.注塑机合模机构刚柔耦合动力学特性研究[J].塑料工业，2013，41(1)：54-57.

[5] SUN S H. Optimum topology design for the stationary platen of a plastic injection machine[J]. Computers in Industry，2004,55(2)：147-158.

[6] 王济，胡晓，MATLAB在振动信号处理中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

Victrex收购了一家美国齿轮公司

据“www.britishplastics.co.uk”报道，Victrex公司宣布收购了美国的一家专门生产齿轮的公司Kleiss Gears，通过此举，Vitrex将提高为客户提供“整体解决方案”的能力。Kleiss Gears专门以高性能工程塑料齿轮替代和完善金属齿轮系统，提高齿轮体系的耐用性、可靠性，使得体系具备更好的性能，显著减少能源消耗和重量，减少50%的噪音、振动和不平顺性(NVH)。

Victrex公司说的Kleiss Gears的高精度齿轮设计、测试和制造能力，融合其材料技术、创新焦点、精益求精的技术和全球商业规模，将为客户提供一个新的整体的方案。“收购Kleiss Gears是符合公司通过高性能聚合物解决方案创造价值的战略路线，并演示我们如何正在进一步向下游来支持我们的客户和我们的市场”。Victrex的首席执行官大卫·胡默尔解释道。

WhatMore英国公司投资百万英镑以促进经济增长

据“www.britishplastics.co.uk”报道，一个位于兰开夏郡(Lancashire)的塑料产品制造、销售商WhatMore公司在注塑机投资上百万英镑以促进其快速增长。其英国工厂配置了一个新的Krauss Maffei注塑机机器。WhatMore英国有限公司已经发展成为英国最大的制造商“Wham”品牌塑料家庭用品、园艺和存储产品，在过去的12个月投资了540万英镑的购置新的Krauss Maffei注塑机。

800万英镑已用于投资开发和扩大公司的配送中心，立足靠近Burnley，使其总经营面积略低于50万平方英尺，且涵盖制造、分销及公司总部。从这里该公司出口和销售650多个产品，63个国家，其中包括远东。

该公司的董事Tony Grimshaw说：“不断地重新投资和开发新的产品线已经支撑了公司的持续增长，通过不断开发和提出创新的理念，制造到最高的质量标准，并保持价格竞争非常激烈，我们在世界范围内已经领先对手不只一步，而是几步。”

美国公司收购了William Beckett塑料包装公司

据“www.britishplastics.co.uk”报道，塑料和橡胶制品生产商美国MOCAP有限责任公司，已收购位于Sheffield的William Beckett塑料包装公司。

MOCAP说，收购后将扩大其目前的包装部门——Cleartec包装，该公司生产的透明半硬质塑料包装管和容器的全套生产线。MOCAP目前将有机会获得William Beckett塑料的全系列包装有限公司的解决方案，包括圆形、方形和矩形伸缩容器，以及箱子、插塞多种包装和盒子。

从Sheffield工厂的生产将继续留在原处，公司计划加入额外的投资通过提工具和设备的高现代化来扩张产品线促进销售持续增长。William Beckett塑料包装有限公司的产品线将生产产品，并通过公司现有的北美，欧洲和亚洲的办事处销售到世界各地。

BPF调查显示英国塑料行业正在上升发展

据“www.britishplastics.co.uk”报道，根据最新的英国塑料联合会的商业状况调查，英国塑料行业对未来一年的预期有所改善。2015年六月和七月上旬最新调查吸引101个会员的响应，揭示了行业的进一步发展，以及投资和招聘方面良好的前景。

“在未来十二个月，预期收入增长和盈利能力将会改善。”BPF总干事Philip Law说。72%的受访者预测英国的销售额增加，而最近一次在一月份的调查显示只有66%。“预期出口销售也会上升，预期增加39%，而在今年早些时候的预期只有37%。企业预期也有小幅上升，盈利能力预期上升39%的，而年初的预期只有37%”，Law补充道。一个关键的特点是工厂和设备的投资正在维持在一个较高的水平。81%的公司宣布在未来12个月的投资意向，同时44%也希望能在同一时期增加员工的水平。

(以上由中国石化扬子石油化工有限公司南京研究院

杜雪娟供稿)

The Influence of Clamping Speed on Vibration Spectrum Characteristics of Toggle Clamping System

Chen Xuefeng1Xu Yansheng1Hu Jianguo1Xu Zhongming1Yin Xiaochun2

[1.Department of Mechanical & Electrical Engineering, Shunde Polytechnic,Shunde,Guangdong,528300;2.Key Laboratory of Polymer Processing Engineering Ministry of Education(South China University of Technology),Guangzhou,Guangdong,510640]

The spectrum of vibration signal of the toggle clamping mechanism is analyzed.The relationship between clamping speed and vibration energy and frequency of toggle is explored. The results show that the clamping speed only can affect vibration energy corresponding to the vibration frequency, but has no effect on the distribution of the vibration frequency.

clamping speed; toggle rod; vibration; power spectrum

2015-02-26;修改稿收到日期:2015-07-06。

陈学锋，男，博士，副教授，主要从事机械设计及理论研究。E-mail:1963cxf@sina.com。

广东省自然科学基金资助项目(S2012010010199)。