Page 60 - 《应用声学》2021年第2期

228
0 引言
高频往复式切割刀是柔性材料数控裁剪机的
重要组成部分，其主要用途是对皮革、布料、纸板
等柔性材料进行切割裁剪，具有结构紧凑、切割质
量高、便于安装等特点 [1] 。其切割原理是基于曲
柄滑块运动原理，将电机的高速圆周运动通过偏
心轮以及连杆等部件转化为刀片的高频往复式运
动。由于结构本身就是依靠于高频振动来对柔性
材料进行切割，其所形成的冲击激励以及各个部件
之间的刚性接触激励会产生较大的额外振动和噪
声，这些是影响切割系统可靠性与使用寿命的关键
因素。
对于高频往复式切割刀以及机载设备结构的
动态特性以及振动噪声的预估与分析，国内外学
者也有着一定的研究 [2−8] 。Suzuki 等 [2] 提出一种
以曲柄滑块机构作为主动质量阻尼器(Active mass
damper, AMD) 的控制方法，通过滑块作为有效质
量，可减少系统的干扰振动。Groza
机构进行分析，与文献 [2] 不同的是，其主要针对曲
柄部分，提出建立围绕曲轴轴线的动态等效系统，利
用渐进弹簧平衡与曲柄运动相关的惯性力以及激
励。华尔天等 [4] 对高频往复式切割刀的结构进行改
进，采用机电一体化的可变曲轮机构，实现裁剪运动
的轨迹优化，同时减小额外振动和噪声的产生。赵
懿峰等 [5] 则没有侧重于结构部分，主要是针对切割
刀在实际工作过程中的受力情况进行分析，通过模
糊控制的方法实时调整裁刀转角来补偿侧向力的
不良影响，减少振动噪声。Zhao等
键合图法的皮革裁剪机偏心轮模态分析，建立偏心
轮横向振动数学模型并进行模态实验，得到完整的
模态信息，为刀具的动态性能优化和动平衡分析提
供了基本参数。钱自富等 [7] 对机载复杂设备提出了
一种加速振动实验方法，保证复杂结构在工程应用
环境下加速度破坏机理的一致性。宋兆哲等
了一种基于流固耦合的发动机油底壳振动噪声预
测方法。上述文献都对机载设备的振动噪声进行了
深入研究，但是目前针对切割刀的频响特性以及声
固耦合分析的研究较少。本文以高频往复式切割刀
为研究对象，分析其振动噪声机理以及动力学特性，
基于有限元方法深入研究切割刀壳体相关振动响
2021 年 3 月
应以及噪声辐射，结合实验测试验证有限元模型的
可靠性，并对振动噪声特性进行分析预测。
1 高频往复式切割刀振动噪声特点
1.1 高频往复式切割刀结构简介
高频往复式切割刀二维剖视图如图 1(a) 所示，
实物如图 1(b) 所示。整个切割刀主要由动力源、传
动系统、支撑部件 3 个部分组成，动力源为电机，经
过传动系统的偏心轮、驱动连杆、连杆连接座等部
件将高速圆周运动转化为高频直线往复运动，输出
至刀片，从而对柔性材料进行切割裁剪。支撑部件
包括电机安装座、冲刀主体、导向件以及一些固定
连接件，为切割刀的稳定运行提供保障。
1.2 振动噪声形成机理
高频往复式切割刀是基于高速的往复运动对
柔性材料进行切割，其振动噪声产生的原因主要有
以下几个方面：
[3] 对曲柄滑块 (1) 电机形成的噪声：电机工作过程中，由于转
子与定子之间的偏心量以及转子自身的不平衡量
形成振动，从而产生噪声。同时，切割刀结构自身的
固有频率与电机扫频重合会使机构产生共振。
(2) 结构辐射噪声：机械设备在运作过程中，会
产生一定的振动，而这些振动在经过结构传播到辐
射表面后再传播到流体介质中形成噪声。
(3) 冲击特性形成噪声：在切割刀工作过程中，
利用了曲柄滑块原理，将圆周运动转化为竖直往复
运动，因此偏心轮、偏心轴的运动就会产生冲击，造
[6] 提出一种基于 成系统的受迫振动与噪声。另外，冲击还容易造成
驱动连杆内的轴承产生变形，使轴孔间产生间隙，造
成随机振动。
(4) 其他原因：加工以及装配误差、切割刀机
头安装稳定性，横梁稳定性等外界不稳定因素都会
导致激励的产生，从而使振动系统输出响应，形成
[8] 提出 噪声。
由于高频往复式切割刀的系统较为复杂，而壳
体作为其结构的重要部分，对其辐射噪声进行研究
有助于提升整体机械性能，延长切割刀使用寿命。
本文暂时忽略电机本身产生的振动噪声，基于有限
元仿真以及实验验证来对切割刀壳体的辐射噪声
进行预测分析。