数控铣齿机主轴箱箱体振动模态及试验分析

XX－1＃机床加工颤振的测试分析中大创远研究院陈敢公司试制的新型号铣齿机床，在试切加工过程中产生切削颤振，造成机床加工的效率低下及加工表面粗糙度不达标，在对机床的工作状态、夹具、刀具及电器参数进行检测和调整后仍不能解决问题，于是对机床进行动刚度测试及加工时的振动信号进行分析。

由于在设计阶段进行有限元仿真计算，从计算的结果得知机床的刀具轴一侧是机床的薄弱环节，故所有测试从刀具侧开始进行。

机床结构简图：机床刀具侧结构示意图（X方向为垂直纸面的方向，Y方向为竖直方向）一、机床刀具主轴综合动刚度测试所使用的仪器：LMS频谱仪，PCB力锤，PCB单向加速度传感器测量示意图：1、X方向动刚度刀具轴X 方向传递函数（FRF ）及自相关函数（coherence ）刀具轴X 方向传递函数（FRF ）及动刚度（Dynamic stiffness ） 其刀具轴动刚度为：13.09N/μm/56.5HZ ， 384N/μm/206HZ ，397N/μm/243HZ ， 309N/μm/337.5HZ ，478N/μm/399HZ 。

2、Y 方向动刚度刀具轴Y 方向传递函数（FRF ）及动刚度（Dynamic stiffness ） 其刀具轴动刚度为：97.8N/μm/125HZ ， 184N/μm/231HZ 。

3、刀具轴Z方向动刚度刀具轴Z方向传递函数（FRF）及动刚度（Dynamic stiffness）其刀具轴动刚度为：620N/μm/246.5HZ。

4、工件轴X方向动刚度工件轴X方向传递函数（FRF）及动刚度（Dynamic stiffness）其刀具轴动刚度为：57.8N/μm/73HZ，206N/μm/138HZ，409N/μm/357HZ。

5、工件轴Y方向动刚度工件轴Y方向传递函数（FRF）及动刚度（Dynamic stiffness）其刀具轴动刚度为：367N/μm/354HZ。

二、刀具和工件加工时振动频谱测量刀具转速14.3rpm刀具轴上振动情况59.5HZ：X为机床X轴方向幅值：59.3e-3gY为机床Y轴方向幅值：0.938e-3gZ为机床Z轴方向幅值：2.34e-3g工件上振动情况59.5HZ：X为工件切向幅值：113.86e-3gY为工件轴向幅值：91.006e-3g131.50e-3gZ为工件径向幅值：Y为工件箱轴向幅值：52.1e-3gZ为工件箱垂直方向幅值：7.75e-3g 三、刀具和工件加工时振动频谱测量（改变刀具转速）刀具转速14.3rpm*120%=17.16rpm工件上振动情况59.5HZ ：X 为工件切向幅值：101.11e-3gY 为工件轴向幅值：110.53e-3g Z 为工件径向幅值：168.67e-3g工件箱前轴承座上振动情况59.5HZ ：X 为工件箱水平方向幅值：151e-3gY 为工件箱轴向幅值：65.9e-3g Z 为工件箱垂直方向幅值：12.5e-3g频谱上振动峰值位置未发生变化，依然为59.5HZ 附近处此说明频谱上振动峰值不因激振频率的改变而发生改变。

万方数据·１９０·机床与液压第３７卷过研究无阻尼的自由振动来求解。

由式（１）变形可得腑（ｔ）＋Ｋｘ（ｆ）＝０（２）它的解可以假设为以下形式：戈＝ｑ＇ｓｉｎｔｏ（ｔ—ｔｏ）（３）咖是Ⅳ阶向量，∞是向量振动频率，ｔ是时间变量，ｔ。

是由初始条件确定的时间常数。

将式（３）代入式（２），可得到一个广义特征值方程，即脚一∞２肘咖＝Ｏ图３铣床有限元模型求解以上方程可以确定西和ｆｉｔ），得到ｎ个特征３模态分析解（∞；，１），（∞；，２），（∞；，３），…，（∞：，妒。

）。

对已建立的有限元模型，在ＡＮＳＹＳ中用Ｂｌｏｃｋ其中特征值∞ｔ，∞：，…，∞。

代表固有频率，特征向ｌ＿ａｎｃ功ｓ法求解铣床的模态。

ＢｌｏｃｋＬａｎｃｚｏｓ法计算精量１，２，３，…，多。

代表固有振型。

度高，计算速度快，适用于大型结构求解问题。

下面该铣床在铣削加工时振源频率属低频范围，因此主要针对铣床的主要受力构件立柱进行模态分析。

铣下面主要针对前５阶振动固有频率和振型做分析研床在铣削加工时振源频率属低频范围，因此低阶固有笼。

振型要比高阶固有振型对立柱的振动影响大，越是低２有限元模型的建立阶影响就越大，因此低阶振型对立柱的动态特性起决２．１利用ＡＮＳＹＳ建立铣床三维实体模型定作用，作者求解时共扩展了ｌｏ阶模态，现取前５铣床主要由立柱、主轴箱、导轨组成。

建模过程阶模态进行振动特性的分析。

中在如实反映铣床结构动态特性的前提下，对结构局经计算铣床的前５阶固有频率如图４所示。

部区域做了一些简化，主要建立重要结构部件立柱及相关结构主轴箱和底座。

铣床三维实体模型如图１所示，铣床的立柱剖面图如图２所示。

图１铣床三维实体模型图２立柱剖面三维实体模型２．２建立有限元模型（１）单元类型的选择由于该铣床无复杂曲面，可采用十节点四面体等参数单元（Ｓｏｌｉｄ９２）即可满足计算精度的需要。

图４铣床前１０阶固有振动频率（单位：Ｈｚ）（２）定义材料属性铣床的铸造材料为１６Ｍｎ钢，其弹性模量Ｅ＝由图４得前５阶固有振动频率为７０·８５４Ｈｚ，２０６ＧＰａ，泊松比肛＝０．２９，Ｐ＝７８５０ｋｇ／ｍ３。

数控机床主轴振动或噪声太大的检查方法和诊断
首先要区别噪声及振动发生在主轴机械部分还是电气部分。

检查方法有：
1、在减速过程中发生，一般是由驱动装置造成的，如交流驱动中的再生回路故障。

2、在恒转速时，可通过观察主轴电动机自由停车过程中是否有噪声和振动来区别，如存在，则主轴机械部分有问题。

3、检查振动的周期是否与转速有关，如无关，一般是主轴驱动装置未调整好；如有关，应检查主轴机械部分是否良好，测速装置是否不良。

诊断方法有：
1、电气方面的原因：
（1）、电源缺相或电源电压不正常。

（2）、控制单元上的电源开关设定（50/60Hz切换）错误。

（3）、伺服单元上的增益电路和颤抖电路调整不好（或设置不当）。

（4）、电流反馈回路未调整好。

（5）、三相输入的相序不对。

2、机械方面的原因：
（1）、主轴箱与床身的连接螺钉松动。

（2）、轴承预紧力不够或预紧螺钉松动，游隙过大，使之产生轴向窜动，应重新调查。

（3）、轴承损坏，应更换轴承。

（4）、主轴部件动平衡不好，应重新调整动平衡。

（5）、齿轮有严重损伤，或齿轮啮合间隙过大，应更换齿轮或调整啮合间隙。

（6）、润滑不良，润滑油不足，应改善润滑条件，使润滑油充足。

（7）、主轴与主轴电机的连接皮带过紧，应移动电机座调整皮带使松紧度合适。

（8）、连接主轴与电机的连轴器故障。

（9）、主轴负荷太大。

关于数控机床模态分析的综述数控机床模态分析是一种对数控机床进行动态特性分析和优化的方法。

模态分析可以帮助工程师了解和改进机床的刚性、自振频率、模态阻尼等参数，以提高机床的加工精度和稳定性。

数控机床模态分析方法包括理论分析、有限元分析和实验测试等。

理论分析是利用工程力学理论和振动理论推导机床的自振频率和振型分布等参数。

有限元分析则是将机床建模为有限元模型，通过有限元软件计算模态参数。

实验测试方法通常需要用到加速度传感器、传动器和数据采集系统等设备进行振动信号采集和分析。

数控机床模态分析可以揭示机床的动态性能问题，指导机床的设计和改进。

通过模态分析，可以方便地了解机床各模态的自振频率、振型和消能能力，从而为机床的优化设计提供参考。

此外，模态分析还可用于检验机床的加工稳定性和动态刚性情况，评估机床的工作性能。

数控机床模态分析的应用范围非常广泛。

首先，在机床的设计阶段，模态分析可以帮助工程师了解机床的固有频率，并对其激振频率进行避免和设计。

其次，在机床的改进和优化过程中，模态分析可以帮助确定改进措施、指导改进方向，提高机床的精度和稳定性。

再次，在机床故障诊断和维护中，模态分析可以用于检测机床的振动异常情况，快速定位故障和精确定位问题所在。

然而，数控机床模态分析仍然存在一些挑战和局限性。

首先，模态分析涉及到大量的振动信号采集和分析，需要专业的设备和技术支持。

其次，机床的振动特性受到多种因素影响，如机床结构、切削过程、刀具、工件材料等。

因此，模态分析结果需要结合实际情况进行综合分析和判断。

最后，随着机床的不断更新和演变，模态分析方法和技术需要不断发展和改进，以适应新型机床的需求。

总的来说，数控机床模态分析是一种重要的机床动态性能分析方法，可以为机床的设计、改进和维护提供有力的支持。

随着模态分析技术的不断发展，相信它会在数控机床行业中得到越来越广泛的应用。

齿轮箱有限元模态分析及试验研究报告齿轮箱是现代机械设备中重要的组成部分，它广泛用于各种机械传动系统中，如车辆、工程机械等。

因此研究齿轮箱的动力学特性对于机械传动系统的设计、优化和性能提升具有重要意义。

本文通过有限元模态分析和试验研究，对齿轮箱的动力学特性进行了分析和研究。

首先进行有限元模态分析，使用ANSYS软件建立了三维齿轮箱模型，并对其进行了固有频率和模态分析。

在分析过程中，设定了模型的约束和加载条件，确保模型模拟的真实性与可靠性。

通过模态分析，得到了齿轮箱的固有频率和模态形态，并且确定出了前几个重要频率的数值。

结果表明，齿轮箱的固有频率主要集中在数百Hz的高频段。

为了验证有限元模态分析结果的准确性，本文设计了试验验证方案。

首先，使用激光精密测量仪对齿轮箱的位移进行测量，并将测试数据存储为动态位移序列。

然后，基于FFT算法对动态位移序列进行频谱分析，得到齿轮箱的频响函数。

最后，通过对比有限元模态分析结果与试验结果，验证模型的准确性和可靠性。

试验结果表明，模型的预测结果与试验结果相符，二者的误差在可接受范围内。

综上所述，本文采用有限元模态分析和试验验证两种方法，对齿轮箱的动力学特性进行了研究。

结果表明，齿轮箱具有较高的固有频率，且主要分布在数百Hz的高频段。

通过试验验证，证明了有限元模态分析方法的准确性和可靠性。

这些结果对于齿轮箱的优化设计、结构改进和性能提升具有重要参考价值。

齿轮箱的有限元模态分析和试验研究，采用了多项相关数据。

在本文中，我们主要关注以下数据：1. 齿轮箱模型的材料性质2. 模型的约束和加载条件3. 模型的固有频率和模态形态4. 齿轮箱的位移测试数据5. 齿轮箱的频响函数6. 模型预测结果与试验结果的误差对于第一项数据，齿轮箱的材料性质是有限元模型分析的关键。

正确的材料参数可以确保分析结果的准确性和可靠性。

在本文中，我们将齿轮箱的材料定义为铸铁，其杨氏模量为169 GPa，泊松比为0.27。

- 15 -高 新 技 术０　前言机床主轴是机床设备中极为关键的部分，其能够稳定工作，直接影响着机床的加工精度和加工的可靠性。

通过对机床主轴做好机械测试用以记录分析机床主轴运行过程中所产生的振动，振动内涵丰富其蕴含着丰富的故障信息。

在机床主轴运行的过程中如存在问题将会直接或是间接的通过机床主轴振动所显现出来。

为确保机床主轴的制造质量需要积极做好机床主轴的机械测试。

本文在分析机床主轴振动特点的基础上对如何做好机床主轴的机械振动测试进行分析阐述。

１　数控机床主轴所产生的振动机床主轴在工作中需要进行高速回转，而在这一高速回转过程中所产生的振动信号将会表现出许多的信息。

机床主轴在高速回转过程中如机床主轴的主轴轴承或是齿轮发生轻微的跳动或是故障都会对机床主轴的回转精度产生极大的影响，机床主轴精度出现误差将会导致所加工出来的零部件误差进一步加大。

为确保机床主轴回转精度需要积极做好对于机床主轴振动的机械测试。

通过对机床主轴的振动的运动特性进行分析用以判断机床主轴运动是否正常。

影响机床主轴运动特性的主要零部件有：机床主轴轴承、齿轮、滚珠丝杠以及导轨等。

各零部件之间相互作用相互配合共同保障机床主轴安全、高效的运行。

根据机床主轴运动时所产生的振动可以对机床主轴的运行情况进行判断。

以机床主轴轴承为例，机床主轴轴承所出现的故障主要为磨损、润滑不良、轴承超载和锈蚀等所引起的机床主轴轴承工作面的疲劳剥落、压痕、锈蚀、胶合和断裂等的机床主轴轴承表面损伤。

机床主轴运行时电机转子不平衡、不对中、轴弯曲和松动等都会产生较为明显的机械振动图线。

机床主轴如存在问题同机械检测所检测出的机床主轴运动振动曲线将会有较为明显的显示。

此外，由于机床主轴振动所显示振动频率主要集中在几个频段内，而不同的故障区域将会显示出不同的振动频谱线。

机床主轴由于需要高速回转，由于机床主轴故障所导致的振动属于高频振动，一般振动频率范围要大于1kHz，而机床主轴转子类故障所引起的振动谱线则属于低频振动，其振动频率集中在工频5倍以内。

数控机床加工过程中的振动问题分析与解决方法摘要：数控机床作为现代制造业中不可或缺的设备，在加工过程中常常会出现振动问题，影响加工质量和工件精度。

本文将通过分析数控机床加工过程中的振动问题，探讨其成因，并提出相应的解决方法，帮助读者深入了解振动问题的本质，有效提高加工效率和质量。

一、引言数控机床在现代制造业中起着重要的作用，它能够实现高精度、高效率的加工，大大提高了生产效率。

然而，随着加工要求的不断提高，数控机床加工过程中的振动问题日益凸显。

振动不仅会降低加工精度，还可能对设备和工具产生损坏，给生产带来困扰。

因此，对数控机床加工中的振动问题进行深入研究和解决具有重要意义。

二、振动问题分析1. 振动的成因数控机床加工过程中的振动主要来自以下几个方面：(1) 机床结构：数控机床的结构设计和制造精度直接影响振动的程度。

结构刚性不足、材料强度不足等因素都可能引发振动问题。

(2) 切削力：切削过程产生的切削力对机床和工件均会引起振动。

过大的切削力会导致机床振动加剧，影响加工质量。

(3) 刀具状况：刀具的质量和磨损情况对振动问题有直接影响。

使用损坏的刀具或过长的刀具都会引发振动。

(4) 工件形状：工件的不规则形状也会导致振动产生。

尤其是工件不平衡时，会产生不均匀的振动。

2. 振动对加工质量的影响数控机床加工过程中的振动问题会对加工质量产生显著的影响：(1) 表面粗糙度：振动导致切削过程受到干扰，使得工件表面粗糙度增加。

(2) 尺寸偏差：振动会导致加工过程中的切削位置偏移，使得工件尺寸产生偏差。

(3) 加工精度：振动会使得机床无法精确控制切削过程，从而降低加工精度。

三、解决方法为解决数控机床加工过程中的振动问题，可以采取以下方法：1. 提高机床结构刚性通过改进机床结构设计和加强结构材料的强度，提高机床的刚性。

这样可以减少机床在加工过程中的变形，降低振动的产生。

2. 优化切削参数和工具选择合理设置切削参数，控制切削速度、进给速度和切削深度等参数。

关于数控机床模态分析的综述数控机床模态分析是指通过对数控机床进行模态分析，研究其结构、特性和运动方式的方法。

数控机床模态分析是数控机床设计与研究中的重要内容，可以帮助人们更好地理解和掌握数控机床的工作原理和运动规律。

在数控机床模态分析中，常用的方法主要有理论分析法和实验测量法。

理论分析法是通过对数控机床进行力学和动力学建模，采用理论推导和计算求解的方法，得到数控机床的模态参数。

实验测量法则是通过在实际数控机床上进行测量和实验，获取其振动信号、频率响应等数据，从而得到数控机床的模态参数。

这两种方法互为补充，可以更全面地了解数控机床的特性和性能。

数控机床模态分析的目的主要有两个：一是为了研究和分析数控机床的结构特性和运动规律，为数控机床的设计和改进提供参考；二是为了评估数控机床的性能和稳定性，为数控机床的使用和维护提供依据。

在数控机床模态分析中，常涉及到的内容有模态参数、模态振型、固有频率和阻尼等。

模态参数是数控机床模态分析的重要指标，主要包括质量参数、刚度参数和阻尼参数。

质量参数表示数控机床结构的质量分布和集中程度，刚度参数表示数控机床结构的硬度和刚性程度，阻尼参数表示数控机床的能量损耗和振动衰减。

模态振型是数控机床模态分析中的另一个重要概念。

模态振型描述了数控机床结构在不同模态下的运动方式和振动形态。

通过分析和解释模态振型，可以更好地了解数控机床的结构和运动规律。

固有频率是数控机床的固有性能和特性之一、固有频率表示了数控机床在不同模态下的自然频率，是数控机床结构和振动特性的重要指标。

通过研究和分析固有频率，可以评估数控机床的性能和稳定性。

阻尼是数控机床模态分析中的一个重要概念。

阻尼表示数控机床在振动过程中的能量损耗和振动衰减程度。

阻尼对于数控机床的稳定性和振动性能有着重要的影响。

通过研究和控制阻尼，可以提高数控机床的性能和稳定性。

总之，数控机床模态分析是研究数控机床结构特性和运动方式的重要方法，对于数控机床的设计、改进和使用都具有重要意义。

文章编号:1009-3486(2004)06-0083-06齿轮箱振动测试与分析Ξ程广利1,朱石坚1,黄映云1,王　基2,伍先俊1(1.海军工程大学振动与噪声研究所,湖北武汉430033;2.海军工程大学动力工程学院,湖北武汉430033)摘　要:在对某型齿轮箱的模态、振动烈度和振动加速度进行测试的基础上,详细分析了测试结果.模态测试得到了齿轮箱的振型和模态参数,振动烈度测试结果表明该齿轮箱处于良好工作状态,振动加速度测试结果显示该齿轮箱的减振措施达到了预期的效果.最后,对测试提出了建议.关键词:齿轮箱;振动;模态测试;振动烈度;振动加速度中图分类号:TH132.41 文献标识码:AVibration measurement and analysis of gearboxCHEN G Guang 2li 1,ZHU Shi 2jian 1,HUAN G Y ing 2yun 1,WAN G Ji 2,WU Xian 2jun 1(1.Inst.of Noise &Vibration ,Naval Univ.of Engineering ,Wuhan 430033,China ;2.Power Eng.College ,Naval Univ.of Engineering ,Wuhan 430033,China )Abstract :On the basis of the measurement of model ,vibration severity and vibration acceleration of a cer 2tain kind of gearbox ,the measurement results are presented in detail.The result of modal mea 2surement gets the vibration model and modal parameters of the gearbox ,and the result of vibration severity mea 2surement makes it clear that the gearbox is in good condition ,and the result of vibration acceleration 2measurement indicates that the vibration reduction reaches the prospective effect.Some advice for the mea 2surement is given finally.K ey w ords :gearbox ;vibration ;modal measurement ;vibration severity ;vibration acceleration现代舰船动力装置的数量和类型繁多,而各设备的重要程度差别较大,其中保障包括主动力和齿轮箱等在内的对舰船航行影响较大的机械设备的正常运行就显得更加重要.齿轮箱本身的振动以及由轴系传来的齿轮的振动都是产生舰船辐射噪声的主要根源[1].研究齿轮箱的振动时,除了要了解系统的激励因素外,还要知道齿轮箱的固有振动特性[2].由于振动监测分析法具有诊断速度快、准确率高和能够实现在线诊断等特点,所以它是对齿轮箱进行故障诊断最有效、最常用的方法.其中试验是振动监测分析法的一个重要的途径,通常的试验包括模态试验和航行振动试验[3].模态测试是在静态、无任何运行影响的条件下进行的,可以得到齿轮箱的固有特性.振动烈度是衡量齿轮箱在实际运行过程中振动强弱的指标.振动加速度则反映了齿轮箱的振动传递特性.作者在对某型齿轮箱的模态、振动烈度和振动加速度进行实际测试的基础上,详细分析了测试的结果.由于该齿轮箱体积庞大、结构复杂,且已经安装在舰艇上,导致测试中存在测试点数目多、测试环境限制条件多等不利因素,对于此类大型齿轮箱尚无振动测试的全面资料,所以此次测试意义重大,为该型齿轮箱的保养和维修提供了第一手资料.1　齿轮箱模态测试和分析对齿轮箱进行模态分析或实验模态分析为其动态特性、结构设计和性能评估提供了一个强有力的　第16卷　第6期　2004年12月 海军工程大学学报　JOURNAL OF NAVAL UN IV ERSIT Y OF EN GIN EERIN G Vol.16　No.6　Dec.2004　Ξ收稿日期:2004206208;修订日期:2004207212作者简介:程广利(19762),男,硕士生.工具,可靠的实验结果往往作为产品性能评估的有效标准[4].根据模态测试的结果可进行模态参数识别,其主要任务是从测试所得的数据中确定振动系统的模态参数,其中包括模态固有频率、模态阻尼比和振型等.同时在实际工作中还可利用模态参数等结果进行故障判别,使其日益成为一种有效的故障诊断和安全检测方法.1.1　模态试验理论试验模态测试的基本原理是将齿轮箱箱体离散化,箱体的振动可以假设为具有n 自由度的线弹性振动系统,其振动微分方程表示为[5]:M x ・・(t )+C x ・(t )+K x (t )=P (t )(1)式中:M 、C 、K 分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵,各为n ×n 阶的实对称矩阵;x (t )、x・(t )、x ・・(t )分别为系统位移、速度和加速度响应列向量,各为n 阶;P (t )为n 阶激振力列阵.将(1)式两边分别作傅立叶变换,令x (t )=X e j ωt 可得到X (ω)=H (ω)P (t )(2)式中:H (ω)为位移频向函数矩阵.当在i 坐标激振,j 坐标测量的频率响应函数为:H ji (ω)=∑nr =1φjr φirω2M r +jωC r +K r (3)但在实际测试中,一般通过功率谱密度来求得系统的频率响应函数如下式[6]:H (ω)=G PX (ω)G PP (ω)(4)式中:G PX (ω)、G PP (ω)分别为输入输出互功率谱密度和自功率谱密度.采用互谱分析多次平均后可减少噪声,利于模态识别.　图1　模态测试分析系统框图1.2　测试方案本次测试采用锤击模态测试方法,即单点敲击单点测响应,固定敲击点移动响应点的测试方法.要求力锤敲击时没有连击,用力大小均匀且测试对象响应适中,每点平均锤击4次,信号大小满足信噪比.选择敲击点要避开节点、接近区域几何中心等因素.为了避免因响应点选择不当可能造成的模态泄漏,响应点应选择在非对称轴线(或对称平面上),并经多次初步反复测试后确定.该齿轮箱采用减振橡胶器弹性隔振方式,所以测试中采用原装支承方式.系统的采用频率分别采用2000Hz 和5000Hz.模态测试分析系统框图如图1所示.1.3　测点布置 为了对齿轮箱的模态进行测试,首先对齿轮箱进行结构分析和几何尺寸测绘,并对其进行初步有限元计算和固有频率分布范围估计.预估结果表明由上下箱体组成的齿轮箱的上箱体各阶模态较为密集,所以在上箱体布置了416个测点,下箱体布置了96个测点,共计512个测点.布点原则是保证可以激发出齿轮箱体的各阶模态,对于轴承座等重要部位以及能够引发较大噪声的部位多布点.在箱体上标出各测点的位置,并逐一进行编号.舰艏端轴侧测点布置图(前端面和左立面)如图2所示.・48・海　军　工　程　大　学　学　报 第16卷　图2舰艏端轴侧测点布置图(前端面和左立面)1.4　数据处理和分析用U TEK 系统中通过U TEKSS 数据采集处理与分析软件包对所采集的数据进行处理,建立该齿轮箱工程数据.向U TEK 系统U TEKMA 结构模态分析软件包中输入各测点坐标,连线使之形成模态几何网格.模态分析计算过程中,采用实模态分析法.根据固有频率的密集程度,选择适当带宽,进行初始估计,然后进行整体曲线拟合,求出频响函数,并对模态振型进行综合化处理,即对测量方向、约束方程和模态振型按模态质量归一化处理.通过上面的数据处理后,可以获得如表1所示的1100Hz 以内前18阶模态的模态参数.表1　1100H z 以内有前18阶模态的模态参数模态阶数频率/Hz阻尼比/%11325.421712.332185.442413.052905.463584.673925.484704.595372.7模态阶数频率/Hz阻尼比/%106093.6116753.1127732.7138132.7148893.6158991.9169423.6179692.71810042.3 从分析得到的振型图来看,1阶振型大体沿轴向摆动;2阶振型情况不定;3阶振型大体沿横向摆动;4阶振型大体绕垂向扭转,其它振型皆是上述振型的复合运动.从振型动画图3(a )和(b )来看,齿轮箱上箱体的振动远比下箱体的振动大,这与预估的结果是一致的.轴承座位于上箱体,所以上箱体的大幅度振动使得轴承座的振动也比较大,这就使得齿轮在运转过程中的对中受到影响,进而敲击齿面引发振动与噪声,这也是齿轮箱产生振动与噪声的一个重要根源,在对齿轮箱进行振动控制时要对其进行相应的处理.・58・　第6期　程广利等:齿轮箱振动测试与分析 　图3　振型动画图2　齿轮箱振动烈度测试和分析振动烈度是指在机组测点上测得的3个正交方向上振动速度有效值的向量和的模.它是衡量机组振动强弱的指标,可以用来评价隔振后机组振动是否满足规定的要求,实际上它反映的是测点上机组振动能量的大小[1].图4　某型舰主汽轮机及减速齿轮箱测点布置示意图本次测试仪器采用B &K2513测振仪.测试环境为3级海况以下、直线航行,非航行必须启动设备处于关闭状态,齿轮箱处于正常、稳定工作状态.测试工况依次分别为双车进四、主轴转速为150r/min ;双车进三、主轴转速为105r/min ;单车进三、主轴转速为105r/min ;单车进四、主轴转速为150r/min.分别在机脚、轴承盖、齿轮箱顶部等能反映齿轮箱振动全貌的位置处布置10个测点,对其进行逐一编号,要求各测点无明显局部振动,测点布置如图4所示(图中左为主汽轮机,中间为轴承座,右为齿轮箱).测试分析频率范围为10Hz 到1000Hz.通过计算得出该齿轮箱测试各工况下的振动烈度依次是1.18mm/s ,1.21mm/s ,0.60mm/s ,1.16mm/s ,按照G B11347-89《大型旋转机械振动烈度现场测量与评定》考察,该齿轮箱振级评定为A 级,机器处于良好工作状态.工况为单车进三、主汽轮机转速105r/min 的各点各方向的振动速度如表2所示.表2　工况为单车进三、主汽轮机转速105r/min 的各点各方向的振动速度测点号垂向振动速度V 垂/mm ・s -1纵向振动速度V 轴/mm ・s -1横向振动速度V 横/mm ・s -110.350.300.3520.450.400.4030.350.55-40.300.500.2650.300.260.1860.180.260.2270.300.28-80.700.40-90.350.400.30100.50-0.35测点数目N i1097各向振动速度平均值∑V iN i0.380.370.29 注:表中“-”表示由于机械结构原因,该点此方向上不能测量到振动速度.・68・海　军　工　程　大　学　学　报 第16卷　 按照H JB 38.75-90《常规动力潜艇系泊、航行试验规程———机组振动》评定,该设备属于第四类,振级评定为A 级,机器处于良好工作状态.对各测点测试结果进行比较后,发现振动烈度较大的点大都集中在轴承座附近.3　齿轮箱加速度测试和分析齿轮箱是形成水噪声主要来源之一,极大地影响了舰船的隐蔽性,所以要实测齿轮箱机脚的振动能量大小和隔振效果.通常通过测量齿轮箱1/3倍频程加速度振级来衡量齿轮箱机脚的振动能量大小,通过测量齿轮箱的单层隔振装置加速度振级落差对其隔振效果进行评估.振级落差是指被隔振设备振动响应有效值与对应基础响应有效值之比的常用对数的20倍[1].测试环境和测试工况同振动烈度测试.测试仪器包括丹麦B &K4371加速度传感器、B &K 2635电荷放大器、美国DP104动态信号采集及分析系统.在机组机脚四周靠近隔振器安装点处选取5个测点(称为上测点),对应每个机脚测点选取舰体安装基座测点(称为下测点).参照标准为G JB763.4-89《舰船设备结构振动加速度测量方法》和G JB763.2-89《舰船噪声限值和测量方法———舰船设备结构振动加速度验收限值》.频率范围为10Hz 到10000Hz.3.1　齿轮箱1/3倍频程加速度振级测试结果和分析根据G JB763.2-89可知齿轮箱属第三类设备,结构振动加速度验收限值为105μm/s 2.从各工况上测点结构振动加速度1/3倍频程谱图可知,在400Hz 以下的低频段各工况绝大多数上测点结构振动加速度1/3倍频程中心频率的加速度振级在验收限值以内.工况为单车进三、主轴转速为105r/min 时5号测点加速度振级实际测量值与限值比较如图5所示.图5　单车进三、主轴转速为105r/min 时5号测点加速度振级实际测量值与限值的比较图3.2　齿轮箱的单层隔振装置加速度振级落差测试结果和分析在各工况下齿轮箱单层隔振装置隔振效果(振级落差)依次为19.3dB ,13.4dB ,17.6dB ,17.0dB ,参照标准可知齿轮箱处于正常工作状态.4　结　论(1)从模态实验分析的结果看,该型齿轮箱的频率比较密集,这与其复杂结构是相对应的;通过比较测得的固有频率来看,其固有频率都不在传动系统的共振区;振动烈度测试结果表明该齿轮箱处于良好工作状态;齿轮箱1/3倍频程加速度振级测试结果表明该齿轮箱机脚的振动符合标准;齿轮箱的单层隔振装置加速度振级落差的测试结果表明对该齿轮箱的减振达到了预期的效果.这些结果充分说明该齿轮箱的设计较为合理,齿轮箱使用正常.(2)本次实验测试结果对于提高该型齿轮箱的可靠性和维修性起着重要作用,对其日常保养、状态检测有着重要的现实意义.・78・　第6期　程广利等:齿轮箱振动测试与分析 (3)运用模态分析法得到的齿轮箱的动态特性具有其局限性,因为它仅适合于低中频段,而在高频段因模态叠加无法分辨,实际上高频振动对于分析齿轮箱的振动机理和隔振有着重要意义,所以应结合其它方法如能量分析法等对其高频动态特性进行更为精确的分析.(4)测试中环境噪声对测试影响应在分析中予以充分考虑,才能使测试结果更加准确.参考文献:[1]　朱石坚,何　琳.船舶机械振动控制[M ].北京:国防工业出版社,2003.[2]　吴新跃,朱石坚.人字形齿轮传动的振动理论分析模型[J ].海军工程大学学报,2001,13(5):13-19.[3]　金咸定.船舶结构动力学的进展与信息化[J ].振动与冲击,2002,21(4):1-6.[4]　曹树谦,张文德,萧龙翔.振动结构模态分析———理论、实验与应用[M ].天津:天津大学出版社,2002.[5]　傅志方,华宏生.模态分析理论与应用[M ].上海.上海交通大学出版社,2000.[6]　卢文祥,杜润生.机械工程测试・信息・信号分析[M ].武汉:华中科技大学出版社,2003.(上接第40页)表2　基本层厚度固定计算阻尼层厚度条件 算例内容 结　果(a )梁1基本层厚度0.03m ;梁2基本层厚度0.01m 梁1阻尼层厚度0.00001m ;梁2阻尼层厚度0.0515m (b )梁1基本层厚度0.01m ;梁2基本层厚度0.03m梁1阻尼层厚度0.044m ;梁2阻尼层厚度0.00001m (2)将基本层厚度和阻尼层厚度都设定设计变量设结构基本层最小厚度大于0.005m ,阻尼层最小厚度大于0.00001m.优化计算得数值:梁1基本层厚度0.025m ,梁1阻尼层厚度0.00001m ,梁2基本层厚度0.005m ,梁2阻尼层厚度0.028m.尽管梁1阻尼层厚度值和梁2的基本层厚度值都取边界值,但仍可以看出趋势:增大梁1基本层厚度和增加梁2阻尼层厚度有利于减小梁2的振动能量.通过(13)和(17)式,可见增大梁1基本层厚度能够很快减小结构导纳实部G ,所以减小力对梁1的输入功率,η12也略有减小,而此时n 1<n 2,所以应增大η2,由(11)式分析出有利于减小梁2的能量.以上只是对简单的2结构系统进行分析,随着结构复杂度的增大,结构参数的寻优过程是在优化算法中完成的.由于统计能量法具有阻尼灵敏度分析功能,其合理性是不言而喻的.3　结　论由统计能量法计算得出的结构频段平均能量值具有很好的鲁棒性,适于优化程序.文中建立了统计能量法的通用优化模型,并对一个由2根梁构成的模型进行了优化设计.计算结果表明该模型具有阻尼布置寻优和结构优化设计功能.该优化模型可用于复杂系统的优化设计中.参考文献:[1]　姚德源,王其政.统计能量分析及其应用[M ].北京:北京理工大学,1995.[2]　文功启.高速船结构噪声传播及其阻尼被动控制的研究[D ].武汉:武汉理工大学,2002.[3]　吴玉恒.噪声与振动控制设备选用手册[M ].北京:机械工业出版社,1988.・88・海　军　工　程　大　学　学　报 第16卷　。

课程：模态分析学院：机电工程学院专业：先进装备动力学与控制学生姓名：李伟班级/学号：研1301班2013020032 时间：2014.6.12关于数控机床模态分析的综述摘要我国各行业对数控机床的需求不断增大，而且要求不断提高。

研究机床的动态特性主要有三种基本方法，即理论模态分析方法、试验模态分析方法和二者相结合的方法。

针对影响加工效率和加工表面质量的数控机床结构动态特性问题,提出一种新的实验模态分析方法.该方法以数控机床自身运动产生的振动为激励源,通过控制运动部件以特定方式空运行,激励起结构的有效振动响应,并结合基于响应信号的模态参数识别方法获得结构的动态特性参数.针对参数识别中的伪模态问题,综合运用识别结果预处理方法和模态稳定性原理,有效去除了识别结果中的伪模态,最终得到影响机床加工的3阶低频模态频率和阻尼比.所得结果与传统实验模态分析结果有较好的一致性.该方法可用于大型重型难激励数控机床的结构动态特性研究.本文详细介绍了关于数控机床模态分析的历史发展和当前的发展现状，并提出了展望。

前言面对激烈的全球化市场竞争和科学技术的飞速发展，产品开发的技术含量与复杂程度日益增加，传统的产品设计模式已经不能适应当今市场发展的需要，产品设计正向着网络化、全球化、快速化、虚拟化方向发展。

数控机床是最基本的机械加工设备，制造业的地位已经得到各国重视。

高档、精密数控机床的结构设计手段则代表了一个国家制造业的装备水平，但随着经济和技术的发展，机床的生产效率和加工精度越来越限制着现代制造业的发展，尤其在有些技术被发达国家垄断的情况下，自主设计高精度机床就显得非常迫切了；而且加工产品的精度要求越来越严格，这也就是对机床的设计提出了更高的要求；随着全球化的到来，制造业受到越来越多的人的关注。

数控机床加工精度和生产效率已经制约了现代制造业的发展。

[1]目前，我国各行业对数控机床的需求不断增大，而且要求不断提高。

但是我国除重型机床、数控齿轮加工机床和中低档电加工机床能满足国内需求外，其它如大功率高扭矩数控车床、精密卧式加工中心、高精度数控万能磨床、高档数控成形机床等高精度、高性能的机床都落后于国外同类产品，所以机床行业任重而道远。