CN103867636A - 一种调谐式两自由度被动阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种调谐式两自由度被动阻尼器，包括质量块、滑块、弹性-阻尼单元与刚度调节螺栓；质量块两端具有凹槽，槽内有两个滑块，紧贴在一个弹性-阻尼单元中薄板上，薄板上具有与质量块上开槽对应的滑槽。上述各个滑块均由一根穿过凹槽和滑槽的刚度调节螺栓定位，使质量块同侧两滑块间距通过螺栓调节，实现阻尼器刚度调节。且滑块与弹性-阻尼单元的底座侧壁间设置有角度可调的，通过调节摩擦片的角度，改变摩擦片与质量块间的接触面积，进而调节阻尼器的阻尼比。本发明的优点为：结构简单，实施方便成本较低，对坏境无污染，可有效降低切削加工中的振动，实现零件的高效及高质加工。

Description

一种调谐式两自由度被动阻尼器

技术领域

本发明属于机械加工领域，涉及一种金属切削加工过程中的机床结构及工件减振装置，具体来说，是一种刚度、阻尼可调谐的两自由度被动阻尼器，以实现金属零件的高效及高质加工。

背景技术

在金属切削加工中，刀具与工件间会出现切削颤振，导致工件已加工表面质量恶化，并影响刀具乃至机床的使用寿命。同时，加工中的颤振还会伴随着噪音，影响操作人员身体健康。通过设置阻尼器改善机床的动力学特性，补偿弱刚性模态，可以从根本上避免切削颤振所带来的危害。

阻尼器分为被动和主动两种形式。主动形式的阻尼器包含复杂的软硬件系统，实现成本高，不便于加工中的实际应用；而被动形式的阻尼器结构简单、形式多样，具有较强的可操作性；被动形式的阻尼器设计的关键在于如何调谐其刚度、阻尼参数，以使其振动抑制效果达到最佳。此外，理论研究已证明，相同质量下两自由度阻尼器的抑振效果优于单自由度阻尼器。但被动形式的阻尼器缺点在于抑振频带相对较窄。为使其充分发挥振动抑制作用，其刚度、阻尼参数须与被抑制目标模态的动力学参数有较为精确的匹配关系。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种调谐式两自由度被动阻尼器，以避免切削加工中颤振的发生，可根据待抑制目标结构的动力学特性自身进行参数调谐，进一步提升被动阻尼器的抑振性能，扩大其在切削加工领域的应用。

一种调谐式两自由度被动阻尼器，其特征在于：包括质量块、滑块、弹性-阻尼单元、刚度调节螺栓与刚度调节螺母；

所述质量块包括上质量块与下质量块，结构相同；上质量块与下质量块分别位于上下位置且相互对称；上质量块下表面与下质量块上表面左右两端设计有前后贯通的凹槽；且各凹槽底面沿凹槽轴向设计有上下贯通的通槽，在各凹槽内且沿凹槽轴向，均安装有两个滑块；

所述弹性-阻尼单元具有两套，分别为弹性-阻尼单元A与弹性-阻尼单元B；两套弹性-阻尼单元结构相同，均包括底座、薄板与摩擦片；其中，底座具有底面及两侧面，两侧面上固定有薄板；薄板上设计有沿薄板轴线上下贯通的滑槽；底座的侧面内壁上设置有摩擦片；

上质量块位于两套弹性-阻尼单元中薄板上方；下质量块位于两套弹性阻尼单元中薄板与底座底板间，并与两套弹性-阻尼单元中底座侧壁A上安装的摩擦片贴合；且弹性-阻尼单元A中薄板在水平面上的投影位于上质量块与下质量块左端凹槽在水平面上的投影内部；弹性-阻尼单元B中薄板在水平面上的投影位于上质量块与下质量块右端凹槽在水平面上的投影内部；

上述上质量块与下质量块的左端凹槽内位于前部的滑块，以及位于后部的滑块分别空套在：一根由下质量块底面穿过下质量块左端凹槽、弹性-阻尼单元A中薄板、上质量块左端凹槽的刚度调节螺栓上；同样，上质量块与下质量块的右端凹槽内位于前部的滑块，以及位于后部的滑块分别空套在：一根由下质量块底面穿过下质量块右端凹槽、弹性-阻尼单元B中薄板、上质量块右端凹槽的刚度调节螺栓上；上述刚度调节螺栓的穿出端连接有刚度调节螺母。

上述结构调谐式两自由度被动阻尼器，在振动中，当弹性-阻尼单元A或弹性阻尼单元B中薄板同时上下运动时，使质量块发生垂直方向上的振动，为一阶模态；当弹性-阻尼单元A或弹性阻尼单元B中薄板上下反方向运动时，使质量块发生左右方向上的转动振动，旋转轴平行于薄板长度方向，并穿过质量块的截面中心，为二阶模态。因此本发明具备明显的两阶模态特征，可抑制机床结构或工件的一阶或两阶模态。

本发明的优点在于：

1、本发明调谐式两自由度被动阻尼器作为机械加工领域的抑振装置，可抑制机床结构或工件的一阶或两阶模态，有效降低切削加工中的振动，实现零件的高效及高质加工；

2、本发明调谐式两自由度被动阻尼器通过在质量块两端固定两个相同的弹性-阻尼单元，使其具备一个平动自由度和一个转动自由度，可抑制机床结构或工件的一阶或两阶振动模态，在相同质量下与单自由度阻尼器相比具有更好的抑振效果，且制作简单，参数调节简便；

3、本发明调谐式两自由度被动阻尼器具备参数可调谐的特点，抑振频带较宽，可满足切削加工中的机床、工件动态特性发生变化时，阻尼器刚度、阻尼具备一定的可调区间的要求；

4、本发明调谐式两自由度被动阻尼器通过调整与薄板的固定位置，可调整结构的刚度；通过调整摩擦片的安装角度，可调整结构的阻尼比，操作简易，具有较好的实用性；

5、本发明调谐式两自由度被动阻尼器结构整体通过螺钉与待抑振结构固定，安装方便，具有较广的适用范围；

6、本发明调谐式两自由度被动阻尼器结构简单、实现方便、成本低廉、对环境无污染。

附图说明

图1为本发明调谐式两自由度被动阻尼器整体结构示意图；

图2为本发明调谐式两自由度被动阻尼器整体结构侧视示意图；

图3为本发明调谐式两自由度被动阻尼器整体结构俯视示意图；

图4为本发明调谐式两自由度被动阻尼器整体结构正视剖视图；

图5为本发明调谐式两自由度被动阻尼器整体结构侧视剖视图；

图6为本发明调谐式两自由度被动阻尼器参数寻优方法流程图。

图中：

1-质量块                   2-滑块                     3-弹性-阻尼单元

4-刚度调节螺栓             5-刚度调节螺母             101-凹槽

102-通槽                   301-底座                   302-薄板

303-摩擦片                 304-定位螺钉               305-定位螺母

306-滑槽

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明为调谐式两自由度被动阻尼器，如图1、图2、图3所示，包括质量块1、滑块2、弹性-阻尼单元3与刚度调节螺栓4、刚度调节螺母5。

如图4、图5所示，所述质量块1为两块，令分别为上质量块与下质量块，结构相同，均具有矩形横截面。上质量块与下质量块分别位于上下位置且相互对称。如图4所示，上质量块下表面与下质量块上表面左右两端对称位置，设计有前后贯通的凹槽101；且各凹槽101底面沿凹槽101轴向设计有上下贯通的通槽102，在各凹槽101内且沿凹槽101轴向，均安装有两个可沿凹槽101滑动的滑块2。

所述弹性-阻尼单元3具有两套，分别为弹性-阻尼单元A与弹性-阻尼单元B。两套弹性-阻尼单元3结构相同，均包括底座301、薄板302与摩擦片303。其中，底座301为具有两侧面与底面的U型框架结构。薄板302两端通过螺栓分别固定于底座301两侧面顶边上。薄板302上沿薄板302轴线开有上下贯通的滑槽306；滑槽306与质量块1中的通槽102的长度相等。摩擦片303设置在在底座301的一个侧面A内壁上，且与穿过侧面A的定位螺钉304固连，实现摩擦片303在侧面A上的定位；且定位螺钉304上螺纹连接有定位螺母305，通过拧紧定位螺母305，实现摩擦片303在侧面A上的固定。当松开定位螺母305后，通过转动定位螺钉304，可带动摩擦片303转动。

上述两套弹性-阻尼单元3并排设置，使两套弹性-阻尼单元3中的薄板302平行，且使两套弹性-阻尼单元3中的摩擦片303位于异侧，如图1所示。上质量块1位于两套弹性-阻尼单元3中薄板302上方；下质量块位于两套弹性阻尼单元中薄板302与底座301底板间，并与两套弹性-阻尼单元3中底座301侧壁A上安装的摩擦片303贴合；由此，通过转动固定螺钉即可调整摩擦片303至不同的角度，改变摩擦片303与质量块1的接触面积，进而可改变了振动中质量块1与底座301侧壁间摩擦力大小，进而改变阻尼器整体的阻尼比。由于摩擦片303与质量块14的接触面积可以随中螺钉602的旋转产生较大变化，且两块摩擦片303互不影响，因此两个弹性-阻尼单元3的阻尼比也可分别在连续区间内调节。同时，弹性-阻尼单元A中薄板302上的滑槽306与上质量块和下质量块左端的通槽102上下对称，弹性-阻尼单元B中薄板302上的滑槽306与位于上质量块与下质量块右端的通槽102上下对称；且弹性-阻尼单元A中薄板302在水平面上的投影位于上质量块与下质量块左端凹槽101在水平面上的投影内部；弹性-阻尼单元B中薄板302在水平面上的投影位于上质量块与下质量块右端凹槽101在水平面上的投影内部。

上述上质量块、下质量块的左右两端分别通过两个刚度调节螺栓4与两套弹性-阻尼单元3中的薄板302固定；具体为：上质量块与下质量块的左端凹槽101内位于前部的滑块2，以及位于后部的滑块2分别空套在：一根由下质量块底面穿过下质量块左端凹槽101、弹性-阻尼单元A中薄板302、上质量块左端凹槽101的刚度调节螺栓4上。同样，上质量块与下质量块的右端凹槽101内位于前部的滑块2，以及位于后部的滑块2分别空套在：一根由下质量块底面穿过下质量块右端凹槽101、弹性-阻尼单元B中薄板302、上质量块右端凹槽101的刚度调节螺栓4上。由此，实现上质量块、下质量块与两套弹性-阻尼单元3间左右方向定位。上述刚度调节螺栓4的穿出端连接有刚度调节螺母5，通过拧紧刚度调节螺母5，将上质量块、下质量块与各个滑块2间，以及各个滑块2与薄板302间处于紧压状态，实现上质量块、下质量块与两套弹性-阻尼单元3间的固定；且松开刚度调节螺母5后，可使紧压状态解除，使质量块1左端与右端的两根刚度调节螺栓4各携带一对滑块2沿滑槽306运动，实现两根刚度调节螺栓4间距的调节，就等同于改变了质量块1中左右两端两对滑块2的间距，当距离调节完毕后，拧紧刚度调节螺母5固定。两对滑块2距离越大，则质量块1左右两端与弹性-阻尼单元A或弹性阻尼单元B中的薄板302有效接触长度就越大，进而使弹性-阻尼单元A或弹性阻尼单元B刚度越大，反之亦然。由于质量块1左端与右端的两根刚度调节螺栓4间的位置调节互不干涉；因此，弹性-阻尼单元A和弹性-阻尼单元B的刚度可分别在连续区间内调节。

上述结构的调谐式两自由度被动阻尼器，在振动中，当弹性-阻尼单元A或弹性阻尼单元B中薄板302同时上下运动时，使质量块1发生垂直方向上的振动，为一阶模态；当弹性-阻尼单元A或弹性阻尼单元B中薄板302上下反方向运动时，使质量块1发生左右方向上的转动振动，旋转轴平行于薄板302长度方向，并穿过质量块1的截面中心，为二阶模态。因此本发明具备明显的两阶模态特征，可抑制机床结构或工件的一阶或两阶模态。

本发明阻尼器中，通过质量块1两端的刚度调节螺栓4可调节刚度；通过两个旋转两个摩擦片303的角度可调整阻尼比；因此本发明是一个调谐式两自由度被动阻尼器，将其应用于振动抑制中，质量块1在薄板302与摩擦片303的作用下振动，可对主结构的振动产生抑制作用，可通过调整弹性元件与阻尼元件的参数使阻尼器达到最优的抑振效果，在相同质量下比单自由度阻尼器具有更好的抑振效果。

本发明阻尼器，在实际应用时，将两套弹性-阻尼单元3中的底座301底面通过螺钉螺母或固体胶固定在待抑振结构上；为最大限度地发挥阻尼器的抑振性能，须使两套弹性-阻尼单元3中的底座301安装位置尽可能接近待抑振结构的目标模态最大振动幅值处，且使质量块1的振动方向与目标模态的振动方向一致。在实际应用中，应首先对待抑振的主结构进行动态特性测试并辨识其动力学参数，包括模态质量、固有频率、阻尼比、振型；随后通过数值或有限元仿真等获得阻尼器的最优刚度及阻尼比；工作时，对阻尼器进行动态特性测试并辨识出其固有频率，通过调节阻尼器的刚度以及摩擦片303的角度使阻尼器的阻尼比达到最优值，如图6所示。

本发明阻尼器的阻尼范围可通过更换摩擦片303的材料进行调整，如换用金属、尼龙、橡胶、玻璃中的一种。

Claims (5)

1.一种调谐式两自由度被动阻尼器，其特征在于：包括质量块、滑块、弹性-阻尼单元、刚度调节螺栓与刚度调节螺母；

所述质量块包括上质量块与下质量块，结构相同；上质量块与下质量块分别位于上下位置且相互对称；上质量块下表面与下质量块上表面左右两端设计有前后贯通的凹槽；且各凹槽底面沿凹槽轴向设计有上下贯通的通槽，在各凹槽内且沿凹槽轴向，均安装有两个滑块；

所述弹性-阻尼单元具有两套，分别为弹性-阻尼单元A与弹性-阻尼单元B；两套弹性-阻尼单元结构相同，均包括底座、薄板与摩擦片；其中，底座具有底面及两侧面，两侧面上固定有薄板；薄板上设计有沿薄板轴线上下贯通的滑槽；底座的侧面内壁上设置有摩擦片；

上质量块位于两套弹性-阻尼单元中薄板上方；下质量块位于两套弹性阻尼单元中薄板与底座底板间，并与两套弹性-阻尼单元中底座侧壁A上安装的摩擦片贴合；且弹性-阻尼单元A中薄板在水平面上的投影位于上质量块与下质量块左端凹槽在水平面上的投影内部；弹性-阻尼单元B中薄板在水平面上的投影位于上质量块与下质量块右端凹槽在水平面上的投影内部；

上述上质量块与下质量块的左端凹槽内位于前部的滑块，以及位于后部的滑块分别空套在：一根由下质量块底面穿过下质量块左端凹槽、弹性-阻尼单元A中薄板、上质量块左端凹槽的刚度调节螺栓上；同样，上质量块与下质量块的右端凹槽内位于前部的滑块，以及位于后部的滑块分别空套在：一根由下质量块底面穿过下质量块右端凹槽、弹性-阻尼单元B中薄板、上质量块右端凹槽的刚度调节螺栓上；上述刚度调节螺栓的穿出端连接有刚度调节螺母。

2.如权利要求1所述一种调谐式两自由度被动阻尼器，其特征在于：所述摩擦片位于底座的一个侧面上，且两套弹性阻尼单元中的摩擦片位于异侧。

3.如权利要求1所述一种调谐式两自由度被动阻尼器，其特征在于：所述摩擦片与穿过底座侧面的定位螺钉固连，通过转动定位螺钉带动摩擦片转动。

4.如权利要求1所述一种调谐式两自由度被动阻尼器，其特征在于：调谐式两自由度被动阻尼器阻尼比达到最优值通过下述方式得到：

首先辨识待抑振结构动力学参数；随后获得调谐式两自由度被动阻尼器的最优刚度及阻尼比；辨识调谐式两自由度被动阻尼器固有频率，通过调节转动摩擦片使阻尼器的阻尼比达到最优值。

5.如权利要求1所述一种调谐式两自由度被动阻尼器，其特征在于：通过更换摩擦片的材料实现对阻尼比的调整。

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