磁流变阻尼器控制砂轮振动实验

胡航领，何立东

磁流变阻尼器控制砂轮振动实验

胡航领，何立东

（北京化工大学 化工安全教育部工程研究中心，北京 100029）

砂轮振动是磨床磨削过程中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，实验研究阻尼器对砂轮振动控制影响规律。结果表明，在砂轮机工作转速下，阻尼器通入电流，砂轮主轴振动峰峰值及转频振动幅值均有明显下降，降幅随电流增大而增大。通过分析时域及频域波形，可知阻尼器能有效抑制砂轮主轴振动，使砂轮振动保持在较低水平。

振动与波；磁流变阻尼器；砂轮；不平衡；阻尼

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。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［1］。砂轮不平衡振动是较为常见的振动类型，对其进行振动控制可提高加工工件表面表面精度和生产效率。

动平衡技术是砂轮振动控制的主要方法，包括人工平衡、半自动平衡和自动平衡三种［2］。人工平衡需要拆卸砂轮，费时费力，平衡精度低；半自动平衡装置需在砂轮停机后施加或移动质量块，对操作者技术要求较高，其应用受到限制［3］。在线自动平衡装置是目前国内外研究的热点。国外对在线平衡装置的研究较为成熟，已成功应用于实际磨床中［4］。其中具有代表性的是90年代美国生产的SBS磨床砂轮平衡系统，平衡效率较高，能降低近一个数量级的振动［5］。国内对自动平衡装置的研究起步较晚，仍以进口设备为主。潘鑫等研究适用于磨床的气压液体式自动平衡装置，系统振动降幅可达90%，但是需在十几秒后才能完成平衡过程［6］；李晓东等研制的在线液体自动平衡系统可使加工表面波纹度降低60%，平衡后的不平衡量能达到精密磨床的要求，但是平衡时间达到了1分钟［7］。上述自动平衡系统平衡过程花费的时间较长，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，易引起机床振动，影响正常工作，还需进行大量的优化研究。砂轮系统增加阻尼以达到减振目的是另一种砂轮振动控制方式。东北大学金铁采用有限元方法分析了挤压油膜阻尼器对磨削振动的抑制效果，结果表明其对砂轮主轴具有较好减振性能，但需进一步的实验验证［8］。王军等研制了一种黏弹性阻尼减振磨杆，动态响应幅值较普通钢制磨杆减小约43%，但是磨杆结构复杂，装配后仍需进行精加工以保证动平衡，否则对其性能影响较大［9］。

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［10］。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［11-13］。祝长生将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［14-16］。

针对上述研究现状，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，实验研究阻尼器对砂轮不平衡引起的径向振动控制的影响规律，以提高加工工件表面精度。

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情况下，磁流变液中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。且阻尼片间留有一定间隙，间隙内充满磁流变液。

图1　磁流变阻尼器结构示意图

磁流变液本构模型选用Bingham模型，阻尼力Fm（I，t）与电流I之间的关系为

式中S为磁效面积，η为磁流变液黏度，u为剪切速率，t为时间，h为阻尼片间隙，τy为磁流变液屈服应力。

所用磁流变液的成分有羰基铁粉（粒径3 μm～5 μm）、二甲基硅油（黏度500 cst）及活性剂。电流与磁场强度的对应关系如表1所示。

表1　电流与磁场强度对应关系

2　砂轮振动控制实验研究

2.1实验台参数

阻尼器安装于砂轮主轴上，如图2所示。砂轮机工作转速为3 000 r/min，砂轮处主轴直径为d= 12.7 mm，砂轮直径为D=150 mm，厚度为B=16 mm，砂轮质量为m=0.4 kg。由于砂轮为非金属材质，选用电涡流位移传感器测量砂轮主轴振动，测得数据为主轴段位移峰值，因为主轴与砂轮同步旋转，可直接反映砂轮实际振动情况，以反映阻尼器对砂轮的振动控制效果。由于磁流变液的流变特性，通电后提供系统一定阻尼力，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抑振规律实验研究

实验转速为砂轮工作转速3 000 r/min，阻尼器通入电流，研究阻尼器控制砂轮主轴振动的影响规律。

图2　砂轮振动控制实验台

阻尼器分别通入0 A、0.5 A和1.0 A电流，测得各电流下的振动数据，如图3和图4所示。水平方向振动峰峰值及降幅的具体数据如表2所示，竖直方向振动峰峰值及降幅的具体数据如表3所示。

图3　水平方向时域波形幅值对比

图4　竖直方向时域波形幅值对比

表2　水平方向振动峰峰值及振动降幅

表3　竖直方向振动峰峰值及振动降幅

如表2中数据所示，电流0 A下砂轮主轴水平方向原始振动为174.96 μm，电流从0.5 A增加到1.0 A，振幅由48.41 μm降到42.99 μm，降幅由72.3%增加到75.4%；如表3中数据所示，电流0 A下砂轮主轴竖直方向原始振动为174.40 μm，电流从0.5 A增加到1.0 A，振幅由41.30 μm降到33.24 μm，降幅由76.3%增加到80.9%。

由图3和图4可知，在系统运行状态下，阻尼器通入电流可以有效抑制砂轮主轴振动，且降幅随着电流的增大而增大。

2.3振动频域波形分析

提取阻尼器工作电流为0 A、0.5 A和1.0 A下砂轮主轴的频域波形，如图5和图6所示。其水平方向50 Hz转频振动幅值及降幅如表4所示，竖直方向50 Hz转频振动幅值及降幅如表5所示。

图5　水平方向频域波形幅值对比

图6　竖直方向频域波形幅值对比

表4　水平方向50 Hz振动幅值及振动降幅

表5　竖直方向50 Hz振动幅值及振动降幅

如表4中数据所示，电流0 A下砂轮主轴水平方向50 Hz转频的原始振动为68.64 μm，电流从0.5 A增加到1.0 A，振幅由18.05 μm降到15.62 μm，降幅由73.7%增加到77.2%；如表5中数据所示，电流0 A下砂轮主轴竖直方向50 Hz转频的原始振动为67.52 μm，电流从0.5 A增加到1.0 A，振幅由15.30 μm降到11.74 μm，降幅由77.3%增加到82.6%。

由图5和图6可以看出阻尼器通入电流后，阻尼器对于50 Hz转频的振动幅值降低较为明显，对倍频下的振动幅值也有减弱，且振动降幅随着电流的增大而增大。

综上，应用磁流变阻尼器可以适时改变阻尼器电流，在线抑制砂轮主轴振动，使砂轮振动保持在较低水平。由于本文所用实验系统不具备完善、可靠的工件进给装置，故阻尼器基于不同加工工况（进给量、进给速度和砂轮转速）对工件磨削表面粗糙度的影响规律研究，还需将阻尼器进行结构优化应用于磨床砂轮后进行。

3　结语

本文搭建砂轮振动控制实验台，将磁流变阻尼器作为辅助装置安装于砂轮主轴，在运行状态下，研究阻尼器对砂轮主轴振动控制的规律，结果表明磁流变阻尼器能提供较大阻尼力，有效抑制主轴振动以降低砂轮径向振动，且降幅随电流的增大而增大，最大降幅约80%，可使砂轮振动保持在较低水平，保证系统安全稳定运行。

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Experiments on Grinding Wheel's Vibration Control with Magneto-rheological Dampers

HU Hang-ling，HE Li-dong
（Engineering Research Center of Chemical Technology Safety Ministry of Education，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

In grinding processing，the vibration of grinding wheel is an important factor which generates surface scrapes and lowers processing quality.In order to reduce the spindle vibration caused by the unbalanced mass of grinding wheel，a grinding wheel vibration control bench is established to simulate the operating condition of the grinding machine.A magneto-rheological damper is installed at the spindle to study the influences of different operation current of the dampers on the wheel vibration.The results show that the peak-to-peak value and the amplitude of the rotational frequency decrease obviously at the operation speed.Through the analysis of the waveform in the time domain and spectrum diagram，it is found that the damper can effectively reduce the spindle vibration and keep the vibration of the grinding wheel in a lower level.

vibration and wave；magneto-rheological dampers；grinding wheel；unbalance；damping

TH113.1；TB535+.1

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.043

1006-1355（2016）03-0210-04

2015-10-20

国家重点基础研究发展计划（“973”计划）资助项目（2012CB026000）；教育部博士点基金资助项目（20110010110009）

胡航领（1991-），男，浙江省宁波市人，硕士研究生，主要研究方向为转子及管道振动控制。

何立东，男，博士生导师。E-mail：1963he@163.com