磚塊打包機摩擦焊接臂的振動特性分析

張景亮，鄧海順，陳然

磚塊打包機摩擦焊接臂的振動特性分析

張景亮，鄧海順*，陳然

（安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001）

減小共振疲勞對摩擦焊接機構的影響，提高磚塊打包機的可靠性、性能及使用壽命。建立摩擦焊接機構模型，分析不同振動頻率下的摩擦振動臂位移振幅與應力振幅。以理想焊接溫度為基礎，焊接時間為參數，確定振動頻率與馬達轉速。在所測試的頻率范圍內，隨著振動頻率不斷增加，方向位移振幅較大于、方向，方向應力振幅較大于、方向，3個方向位移振幅與應力振幅均呈上升趨勢。振動頻率為440 Hz時，焊接時間至少需要2.0 s；振動頻率為450 Hz和460 Hz時，焊接時間至少需要1.9 s。摩擦振動臂底端溫度分布基本一致且均達到理想焊接溫度，最終選取振動頻率為450 Hz，馬達轉速設定為27 000 r/min。最終確定的轉速不僅需要滿足共振疲勞影響最小化，還需結合磚塊打包機實際焊接溫度及效率因素，以此提高磚塊打包機的可靠性與使用壽命。

摩擦焊接；振動；溫度場；頻率；轉速

焊接機構是包裝機械的核心部分[1]，現多采用高頻振動摩擦焊接機構，利用金屬相互摩擦使打包帶達到熱塑性完成焊接，振動特性一直是摩擦焊接的研究重點。張麗等[2]通過正弦振動試驗研究不同環境溫度下雙瓦楞紙板的振動特性；朱大鵬等[3]分析包裝件在非高斯隨機振動環境下的響應情況；孫中振等[4]探究了蜂窩紙板在不同程度疲勞振動下緩沖特性的變化規律；孟德安等[5]研究了不同頻率、振幅和正壓力條件下的摩擦響應，指出在較大正壓力、振幅和振動頻率下，振動減摩效果明顯；滕云楠等[6]采用龍格庫塔法對振動沉樁機進行了數值仿真，表明隨著激振力頻率的減小，振幅變化不大；Aleshin等[7]研究得出了摩擦引起的能量損失受隨機振動的影響；Worte等[8]研究了在有限應變率下振動摩擦流中的臨界性問題，證明了弱振動的顆粒流應變率存在臨界波動；馬國棟等[9]對摩擦焊接接頭疲勞性能進行了探討，指出雙軸肩攪拌摩擦焊接接頭比熔焊疲勞性能優異；宋文杰等[10]模擬了攪拌摩擦對焊的溫度場分布規律，分析了轉速、焊速對溫度場的影響；Wang等[11]利用動態摩擦模型對扭轉振動的摩擦性能進行了分析；陳潔[12]建立了攪拌摩擦焊接過程中的熱流固耦合數值模型，對攪拌頭的溫度、應力和應變分布進行了探討；方遠方等[13]探討了摩擦焊接頭沿厚度方向的組織性能與力學性能；黃家海等[14]建立了提升系統動力學仿真模型，對制動階段的振動特性進行分析?，F對振動引起的疲勞性能等研究較多，但對最小化包裝機械中摩擦焊接機構共振疲勞的影響研究較少。

為減小共振疲勞對磚塊打包機中摩擦焊接機構的影響，找出合適的振動頻率，建立磚塊打包機模型[15]，并對其摩擦振動臂進行振動分析，得出不同振動頻率下摩擦振動臂在3個方向的位移振幅與應力振幅，確保機構能夠經受住不同頻率載荷的作用，減小共振疲勞的影響。再對摩擦振動臂底端摩擦片進行溫度場分析[16]，得出為達到理想焊接溫度，不同振動頻率下所需的焊接時間，選取合適的振動頻率與馬達轉速。

1 磚塊打包機模型的建立

如圖1所示，通過磚廠實地調研搭建磚塊打包機模型，該模型分為送帶、夾帶、分帶、焊接與退帶五大機構?；竟ぷ髁鞒蹋菏紫人欧姍C驅動送帶，當聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）打包帶觸動分帶機構中的限位開關后停止送帶，夾緊打包帶后送帶輪反轉使打包束緊；接著摩擦焊接機構焊接打包帶；最后退帶機構使打包帶與裝備分離。模型搭建完成后進行樣機生產，如圖2所示為磚塊打包機實物，經過多次調試使用，確認可以在磚廠多粉塵的惡劣環境下進行磚塊打包作業。

圖1 磚塊打包機模型

圖2 磚塊打包機實物

2 摩擦振動臂的振動與溫度場分析

首先對所建立的摩擦焊接機構模型中摩擦振動臂進行振動分析，得出不同頻率下位移振幅、應力振幅的變化趨勢，從而找出最小化共振疲勞影響的振動頻率；再對摩擦振動臂底端摩擦片進行溫度場分析，得出焊接溫度與頻率之間的關系，最終選取合適的振動頻率與馬達轉速，確保機構可以達到理想焊接溫度，完成磚塊打包機的焊接工作。

2.1 振動分析

2.1.1 振動分析動力學模型的建立

如圖3所示，摩擦振動臂工作原理：當磚塊打包機送帶到位后，重疊部分的PET打包帶位于摩擦振動臂底端，馬達轉動使振動臂偏心軸端產生小段位移，在支點軸的約束下使摩擦振動臂小幅度高速振動，將塑料打包帶重疊部分摩擦成漿，通過高溫使塑料熔融完成焊接，使之變成牢固的接頭[17]。

圖3 摩擦振動臂工作原理

如圖4所示，摩擦焊接機構模型搭建完成后，經過磚廠實地測試后選用輸出轉速范圍為25 000～30 000 r/min的QM52F氣動馬達作為執行元件。由圖3可知，摩擦振動臂兩端角速度相同，換算出對應的振動頻率為420～500 Hz?？刂茩C構到達指定焊接位置采用的是C55B40薄形氣缸，其理論作用力N為2 500 N，氣缸活塞桿推出使摩擦焊接機構下壓，作用到摩擦振動臂底端的摩擦面，底端摩擦面積為1 024 mm2，摩擦振動臂底端摩擦面所受載荷為2.4 MPa。對振動分析主要參數的設置，如表1所示。

圖4 摩擦焊接機構模型

2.1.2 頻率對摩擦振動臂位移振幅的影響

本節研究了摩擦焊接機構中摩擦振動臂在不同頻率下位移振幅變化。經過分析得出，當振動頻率為420～500 Hz時，3個不同方向的位移振幅變化趨勢如圖5所示。

表1 振動分析主要參數

Tab.1 Main parameters of vibration analysis

圖5 不同頻率下XYZ方向的位移振幅

由圖5可知，在所設定的振動頻率范圍（420～500 Hz）下，摩擦振動臂在方向的位移振幅比與方向的大。隨著振動頻率的增加，摩擦振動臂在3個方向的位移振幅都呈上升趨勢。

整合3個不同方向的位移振幅，得出摩擦振動臂在不同頻率下的位移振幅如圖6所示。

圖6 不同頻率下位移振幅

Fig.6 Displacement amplitude at different frequencies

由圖6可知，隨著振動頻率的增加，摩擦焊接機構中的振動臂位移振幅呈上升趨勢。當振動頻率為420 Hz時，摩擦振動臂的位移振幅最小，共振疲勞對摩擦焊接機構的影響最小，所對應的氣動馬達轉速為25 000 r/min。

2.1.3 頻率對摩擦振動臂應力振幅的影響

本節研究了摩擦焊接機構中摩擦振動臂在不同頻率下應力振幅變化。經過分析得出，當振動頻率為420～500 Hz時，3個不同方向的應力振幅變化趨勢如圖7所示。

由圖7可知，在所設定的振動頻率范圍（420～500 Hz）下，摩擦振動臂在方向的應力振幅比與方向的大。隨著振動頻率的增加，摩擦振動臂3個方向的應力振幅都呈上升趨勢。

整合3個不同方向的應力振幅，得出摩擦振動臂在不同頻率下的應力振幅如圖8所示。

由圖8可知，隨著振動頻率的增加，摩擦焊接機構中振動臂的位移振幅呈上升趨勢。當振動頻率為420 Hz時，摩擦振動臂的應力振幅最小，共振疲勞對摩擦焊接機構的影響最小，所對應的氣動馬達轉速為25 000 r/min。

2.2 溫度場分析

由于摩擦焊接工作原理是一定的，其動力設置與振動分析時的相同。系統默認的初始溫度設置為22 ℃，在此溫度下熱應力為0。摩擦振動臂選用的材料是Q235，通過查閱材料的屬性參數，并在軟件中完成相應設置，如表2所示。

圖7 不同頻率下XYZ方向的應力振幅

圖8 不同頻率下應力振幅

磚塊打包所用材料是PET打包帶，其熔點約為260 ℃，仿真系統初始溫度設置為22 ℃，摩擦焊接平均溫度增值至少為238℃，即摩擦焊接所增加的溫度基本值為238 ℃。分別對420、440、460、480、500 Hz 5個不同振動頻率下摩擦振動臂底端摩擦片進行溫度場分析，經過分析得出不同振動頻率下摩擦焊接平均溫度增值曲線，如圖9所示。

摩擦焊接機構所選氣缸理論作用力N為2 500 N，摩擦振動臂的質量為1 kg，其材料為Q235，摩擦因數約為0.15，比熱容為0.5 J/(g·℃)，得出摩擦力f為375 N。通過摩擦振動臂高速振動產生能量，從而計算出高速振動摩擦過程中溫度的增量。

式中：為一定焊接時間內高頻振動摩擦產生的熱量；f為摩擦振動臂底端摩擦片的摩擦力；Δ為一定焊接時間內摩擦振動臂振動的位移。

表2 溫度場分析主要參數

Tab.2 Main parameters for temperature field analysis

圖9 不同頻率下平均溫度增值

式中：為一定焊接時間內高頻振動摩擦產生的熱量；為摩擦振動臂比熱容；為摩擦振動臂質量；Δ為一定焊接時間內摩擦振動臂底端摩擦片溫度的變化量。

通過計算，得出的結果與仿真分析結果基本一致。

從圖9可以看出，當振動頻率為420 Hz時，焊接時間至少需要2.1 s；當振動頻率為440 Hz時，焊接時間至少需要2.0 s；當振動頻率為460 Hz時，焊接時間至少需要1.9 s；當振動頻率為480 Hz時，焊接時間至少需要1.8 s；當振動頻率為500 Hz時，焊接時間至少需要1.7 s。在相應的振動頻率下，至少需要上述對應時間才可以使焊接溫度達到PET打包帶的熔點，完成焊接。

根據磚廠實際要求，為提升磚塊打包機整體打包效率，需要將焊接時間控制在2.0 s以內。振動頻率為440 Hz時焊接時間需要2.0 s，振動頻率為460 Hz時焊接時間需要1.9 s?，F添加振動頻率為450 Hz時的摩擦振動臂底端摩擦片溫度場分析。對比以上3個不同振動頻率的分析結果，見表3。

表3 不同振動頻率對比

Tab.3 Comparison of different vibration frequencies

從表3中可以看出，當振動頻率為450 Hz和460 Hz時，達到焊接溫度基本值以上所需焊接時間都為1.9 s，均滿足焊接時間控制在2.0 s內的要求。當振動頻率為450 Hz與460 Hz且焊接時間為1.9 s時，摩擦振動臂底端摩擦片的溫度分布見圖10，可以看出兩者基本一致，且滿足焊接溫度要求。

通過對不同振動頻率下摩擦振動臂位移振幅與應力振幅的分析，在所設定的振動頻率范圍內，隨著振動頻率的增加，共振疲勞對摩擦焊接機構的影響逐漸增大，所以應盡量選擇較小的振動頻率。綜合考慮焊接效率的因素，最終選取振動頻率為450 Hz，氣動馬達轉速為27 000 r/min。

圖10 摩擦焊接1.9 s后溫度分布

3 結語

1）通過分析不同振動頻率下摩擦振動臂的位移振幅與應力振幅，得出在所測試的振動頻率范圍（420～500 Hz）下，隨著振動頻率的增加，摩擦振動臂3個方向的位移振幅都呈上升趨勢，其中方向的位移振幅相對于與方向的位移振幅較大；隨著振動頻率的增加，摩擦振動臂3個方向的應力振幅也都呈上升趨勢，其中方向的應力振幅相對于與方向的應力振幅較大。

2）通過整合不同振動頻率下摩擦振動臂在3個方向的位移振幅與應力振幅，得出在所測試的振動頻率范圍（420～500 Hz）下，隨著振動頻率的增加，摩擦振動臂的位移振幅和應力振幅都呈上升趨勢。當振動頻率為420 Hz，氣動馬達轉速設定為25 000 r/min時，共振疲勞對摩擦焊接機構的影響最小。

3）在所測試的振動頻率范圍（420～500 Hz）下，當振動頻率為420 Hz時，共振疲勞對摩擦焊接機構的影響最小，但振動頻率下所需焊接時間超過2.0 s，降低了磚塊打包機整體工作效率。結合共振疲勞的影響最小化以及提升磚塊打包機工作效率的因素，選取合適的振動頻率為450 Hz，氣動馬達轉速選擇為27 000 r/min。

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Analysis of Vibration Characteristics of Friction Welding Arm in Brick Packaging Machine

ZHANG Jingliang, DENG Haishun*, CHEN Ran

(School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Anhui Huainan 232001, China)

The work aims to reduce the impact of resonance fatigue on friction welding mechanisms and improve the reliability, performance, and service life of brick packaging machine. A friction welding mechanism model was established to analyze the displacement amplitude and stress amplitude of the friction vibration arm under different vibration frequencies. Based on the ideal welding temperature and welding time as parameters, the vibration frequency and motor speed were determined. Within the tested frequency range, as the vibration frequency increased, the displacement amplitude in thedirection was greater than that in theanddirections, and the stress amplitude in thedirection was greater than that in theanddirections. The displacement amplitude and stress amplitude in all three directions showed an upward trend. When the vibration frequency was 440 Hz, the welding time was at least 2.0 s, and when the vibration frequencies were 450 Hz and 460 Hz, the welding time was at least 1.9 s. The temperature distribution at the bottom of the friction vibration arm was basically consistent and reached the ideal welding temperature. Finally, the vibration frequency was selected as 450 Hz, and the motor speed was set to 27 000 r/min.The final determined speed not only needs to minimize the impact of resonance fatigue, but also needs to be combined with the actual welding temperature and efficiency factors of the brick packaging machine, in order to improve the reliability and service life of the brick packaging machine.

friction welding;vibration;temperature field;frequency;speed

TB486；TG404

A

1001-3563(2024)05-0205-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.05.025

2023-08-17

安徽省教育廳優秀科研創新團隊-礦山智能技術與裝備科研創新團隊（2022AH010052）；安徽省學術與技術帶頭人資助項目（2021D308）