一种新型宽频激振器的设计及动力学仿真.pdf

第3 6 卷第6 期 2 0 0 7 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 6N O ．6 N O V ．2 0 0 7 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 7 0 6 0 8 0 0 0 5 一种新型宽频激振器的设计及动力学仿真 赵玉成，马占国，李兴华 中国矿业大学理学院．江苏徐州2 2 1 1 1 6 摘要为了改变传统的偏心激振装置激振频率单一的缺陷，设计了一种可以产生宽频激振的偏 心轮机构，以达到提高振动夯实机构工作功效和扩大工作对象范围的目的．运用质点动力学基本 方程，建立了在机构运行过程中不同时段下上述宽频激振器的分段动力学模型，同时基于弹性力 的分段非线性，推导出机构支座约束反力与运动位置厦滑块加速度的非线性关系式．通过一仿真 算倒，验证了机构设计初衷的可行性和新型激振器的优越性．结果表明所设计的偏心轮激振装 置在保留了传统激振器主频的基础上，增加了一些能量较大的倍频成分和分布较宽的分数频成 分，且总的激振能量也较大． 关键词宽频I 激振器} 动力学 中图分类号T H1 1 3 ．1文献标识码A ． D e s i g na n dD y n a m i c a lS i m u l a t i o no fa N e wV i b r a t i n gC e n t r i f u g ew i t hW i d e rF r e q u e n c yR a n g e Z H A OY u c h e n g ，M AZ h a n - g u o ，L IX i n g h u n S c h o o lo fS c i e n c e s ．C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，X u z h o u ．J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ．C h i n a A b s t r a c t O n en e wt y p eo fv i b r a t i n gc e n t r i f u g ew i t haw i d e rf r e q u e n c yr a n g ew a sd e s i g n e dt oo - v e r c o m et h ed e f a u l t sw i t has i n g l ef r e q u e n c yo ft r a d i t i o n a lv i b r a t i n gc e n t r i f u g e ．Ad i s c o n t i n u O U Sd y n a m i c a lm o d e la td i f i e r e n tr u n n i n gp o s i t i o nw a se s t a b l i s h e db a s e do np a r t i c l ed y n a m i c a l b a s i cd i f f e r e n t i a l e q u a t i o n ．A tt h es a m et i m e ．b a s e do nt h ed i s c o n t i n u o u sn o n l i n e a ro ft h ee l a s t i cf o r c e ，an o n l i n e a re q u a t i o nb e t w e e nt h er e s t r i c t e dc o n t r a r yf o r o ea n da c c e l e r a t i o no ft h e s l i d e - b l o c ka td i f f e r e n tr u n n i n gp o s i t i o nw a sp r e s e n t e d ．T h ef e a s i b i l i t yo fi n i t i a ld e s i g na n dt h e s u p e r i o ro fn e wv i b r a t i n gc e n t r i f u g eh a v eb e e nv a l i d a t e dv i aas i m u l a t i o ne x a m p l e ．T h er e s u l t s s h o wt h a tt h ei m p r o v e dv i b r a t i n gc e n t r i f u g en o to n l yh o l d sp r i n c i p a lf r e q u e n e ye x i s t e di nt h e t r a d i t i o n a lv i b r a t i n gc e n t r i f u g eb u ta l s oi n c r e a s e ss o m eh i g h e re n e r g ym u l t 卜f r e q u e n c ya n dw i d e r f r a c t i o n a lf r e q u e n c yc o m p o n e n t s ，a n dt h ev i b r a t i n ge n e r g yb e c o m e sl a r g e r ． K e yw o r d s w i d e rf r e q u e n c y v i b r a t i n gc e n t r i f u g e ；d y n a m i c s 对于工程实际中的大多数振动机构，振动主要 依靠惯性激振器来带动[ 。”，因此激振器的结构及 性能，直接对振动机构的工作效率有非常大的影 响．目前用于建筑行业的振动夯实设备如振动棒、 蛙式打夯机及振动冲击夯“3 都存在激振频率单一 或稀少的缺陷，而这一缺陷对其工作效率影响非常 大．为了克服以上缺陷，有很多专家学者在此做了 大量有益的工作，有些激振器采用复频“” 2 种频 率成分 或变频技术”] ．但若使用复频技术，频率成 分固定，使得激振器适应性较差；若使用调频或变 收藕日期2 0 0 7 0 5 0 2 基金项目陕西省自然科学基金项目 2 0 0 5 A 0 6 作者简介赵玉成 1 9 7 2 ，畀．山西省芮城县人，副教授。博士，从事机械结构动力分析与振动控制、旋转机械故障诊所等方面的研究． R - m a l l Z h a o y c l 9 7 2 1 6 3 ．t o mT e l ，1 3 7 7 6 7 7 5 4 6 6 万方数据 第6 期 赵玉成等一种新型宽频激振器的设计及动力学仿真 8 0 1 频技术，一是将会大大增加激振器的成本，二是存 在对于不同的工况如何去调节激振器的工作频率 的问题，另外如使用变频器电源通过旋转电机的偏 心轮的机械作用进行调频，则由于旋转偏心轮的机 械过渡过程时问太长，所以控制速度太慢，容易发 生振幅失控的事故”] ． 基于以上考虑，本文设计了一种能够提供非常 丰富频率成分的宽频偏心激振器，此激振器在保留 了传统激振器主频激励的基础上，又增加了很多的 频率成分，这样既可以使激振器有较好的适应性， 另外也可以提高激振的工作效率．文中通过刚性动 力学理论建立其分段动力学微分方程并进行数值 求解，从其动力学时频响应结果来看，新型的激振 器具有激振频率成分丰富、激振能量太的优点，从 而验证了设计思想的合理性、可行性． 1 机构设计 偏心轮机构的激振力是依靠激振器电机带动 偏心轮旋转产生离心力形成的，一般在电机主轴两 端对称地安装两组结构尺寸完全相同的偏心轮 可 有效抑制动不平衡而产生的对轴承的附加载荷，在 下面新的偏心轮的设计中也为对称设计 ．宽频激 振器以传统的偏心轮机构为设计基础，改造后的激 振器的～端偏心轮结构如图1 所示． 卜 图1 激振器结构 F i g ．1V i b r a t i n gc e n t r i f u g es t r u c t u r e 图1 中一些几何或材料参数为可调．偏心轮半 径为R ，偏心O t 距转轴O 的距离为P ，以∞c 为对 称轴，分别在其两边对称设计一些如图l 所示的滑 块弹簧机构 图1 中只示意了1 个滑块的情况 滑 槽两段固定有弹性系数为 。 k 。，女。。 女。。的弹 簧，滑块可以在滑槽内自由滑动．弹簧可以为线性 弹簧，也可以设计为非线性弹簧 弹簧刚度为变形 的非线性函数，例如k z O ．I2 k ，使用非线 性弹簧可以使激励频率成分更加丰富． 2 动力学模型建立 下面首先建立以∞c 为对称轴，其两边对称 分布一对滑块弹簧机构 或称为配重 的偏心轮运 行过程中的动力学行为．取一个滑块弹簧机构为研 究对象，设其与0 0 c 的夹角为口，机构的初始位置 为静力平衡位置，偏心轮以匀角速度m 绕。轴转 动，∞c 与水平轴夹角P 蝉一，如图2 所示，以 ‘ 转轴中心为坐标原点，建立坐标系O X Y ，以下逐步 建立滑块的动力学分段微分方程． ●r 图2运行过程中一般位置 F i g ．ZC u r r e n t l yp o s i t i o no fm o v i n gp r o c e s s 当z ≤z ”时，滑块的动力分析如图3 所示，沿 滑道和垂直滑道方位建立动坐标系，沿滑道方向为 z 方向，垂直方向为，方向．根据质点动力学基本 方程，有如下动力学微分方程 』m 1 4 吐了卅l ‘町一m ’ 一F m l g 。。5y ， 1 【m l 口q m 1 4 一N m l g s i n7 ， 式中㈣一可d Z i 小tI f2 m 警卜 ∥州一 詈一P Ⅱ一a t ．代人上式有 I “l 2 一∥。 2 一“。’‘。一2 。z ’一“- g 。。8n 2 1 2 m l Ⅲ一N m l g s i ny ， 式中l 。z 为弹簧毛z 原长． 图3 滑块的动力分析 F i g ，3 D y n a m i c a la n a l y s i so fs l i d eb l o c k 研究方程 2 ，降阶后有 r士 y ， k 也一。 。x , z k l 2 _ 1 0 2 - - g c o sL 。’ 当d l 。≥z f 。z 时，配重受力情况与图3 类 似，只是其中的弹性力F 0 ，同样根据质点动力 万方数据 8 0 2 中国矿业大学学报第3 6 卷 学基本方程，有如下动力学微分方程 l m t a 一2 ”1 一。r 一4 c ’。一”】g 。。8 扎 4 【“1 a 日一“I 口e N i t ／I g s i ny ， 式中n ，一磐；I mI Iz m 警l ；以一。z ．代人 上式有 』仇， 芏 ∥工 一m - g 。。8y 【2 m l 砸 N m l g s i ny ． 对方程 5 降阶后有 情况如图5 所不，偏心轮质心动力学方程为 rGG - - g A 4 一一矿。。叩一 J F 。。“妒一郇 Ns 1 “妒一印一M ， 1 0 争，一争。’s i n 妒尹，一尹。“岬。 【F s i n 垆一口 N s i n 驴一疗 N ，， ‘5 ’式中P 一州一詈} N m ．g s i n7 - [ - 2 m r 砒；n 。’一 ∥e ，弹力F 为 {2 一“ ． 6 【，一g c o s7 一甜。z ． 当z d z o z 时，配重受力情况与如图3 所示 区别在于弹性力作用方向相反，且弹簧变形量的具 体的计算公式有点区别，示意与如下图4 ，根据动 力学基本方程有如下动力学微分方程 』“t ”一一“‘一4 r - - 5 。’。一F 一”- g 。。87 ’ 7 【m l n 口一m 1n ．一N m l g s i ny ， 式中珥 窘；f mf f 踟警f ‰o z x ．代入 上式有 f m l - - 盘一∥芏 一一k l l z z 1 0 2 一d 一 Z 。2 d ． 其中0 为配重1 相对运动的方位与∞c 的夹 角，所以有 P ≯唧廿c o s 坤』H №洫‘ ㈣， I M 2 争矗i n P F s i n 坤卅 - N c o s 坤卅 - t Y ’ 图5 系统受力分析 F i g ．5 F o r c ea n a l y s i s 若有多个配重，则有支座的约束反力为 f 札一争t7 c o s ，一军即0 S 州z ∽ J ∑N 。s i n 9 ～ 2 i 一1 口 ， ‘ 1 3 N ， g G a 。，s 吣一翠耶i n 州2 泖一 l ∑N ∞s 妒一 2 i 1 札 3 仿真计箕 激振器机构的质量为M 2 0k g ，偏心距e 5 0m m ，配重质量m - 一lk g ，滑道与∞，之问的夹 角a 一Ⅱ／4 ，1 0 1 2 0I T l m ，f 0 2 2 0I T l m ，滑道长度 d 一1 0 0m m ，非线性弹簧的弹性系数4 2 ．0 1 0 5 ，b 一1 ．4 1 0 4 ，偏心轮的转速Ⅲ一1 0 n 匀速 运转 ． 图6 a 为带1 对滑块弹簧机构的偏心机构支座 反力幅值谱，图6 b 为带2 对滑块弹簧机构的偏心 旧 万方数据 第6 期赵玉成等；一种新型宽频激振器的设计及动力学仿真8 0 3 机构支座反力幅值谱．从图6 可以看出改进偏心轮 机构产生的振动激励的频率成分比较宽且多，除了 耋 馨 l 萎 ≤； 翟√ 蓑 l 。L Jl 。IJ 051 01 52 0 Z 5 3 0 3 54 04 5 5 0 颍事，H z f a I 带I 配蘑 产生多个能量较大的倍频成分，另外还产生了很多 能量不大但分布很宽且广的高低频成分． 誊 馨 l 董 l ； 警～ 髫 o 5 ⋯”臻茹器”””5 0 b 带2 配童 图6 支座反力幅值谱 F i g ．6S p e c t r u mo fc o n t r a r yf o r c e 图7 a 为不带配重与带1 对配重时的支座约束 反力大小的时问历程曲线，图7 b 为不带配重与带 2 对配重时的支座约束反力大小的时间历程曲线． 呈 R 恒 摇 露 屋 授 捌 啪 从图7 中可以明显看出带配重时对基础的激励力 与约束反力为1 对作用反作用力 能量明显比传 统的要大． 堪 一传统机构羹 本文机构 毒 啪 图7约束反力的时间历程 F i g ．7 T i m ec o u r s eo fr e s t r i c t e dc O n t r a r yf o r c e 图8 给出了垂向约束反力峰值随日 滑道的方 位与∞。的夹角 的变化曲线，从中可以看出随着 滑道的方位与O O 。的夹角不断增大，约束反力峰 值不断减小，这与工程经验也比较吻台，故在设计 滑道的方位与O O c 的夹角时尽可能小． 角度，m d 图8垂向约束反力峰值随日变化曲线 F ．g ．8 C u r v eo fr i g h tr e s t r i c t e dc o n t r a r yf o r c e p e a kv a l u ec h a n g i n gb y 口 4结论 本文通过改进传统偏心轮激振器，设计的新型 偏心激振器能够提供非常丰富频率成分，并具有以 下特点 1 在保留了传统激振器主频的基础上，增加 了能量较大的倍频成分； 2 增加了很多能量不大但分布很宽的高低分 频成分； 3 总的激励能量有所提高．仿真结果表明，淡 激振器成本不高，且具有较好的适应性和工作效 率．为改变现有振动夯实设备存在激振频率单一或 稀少提供了一种宽频偏心激振的设计方法． 参考文献 [ 1 ] 张杰，杜宇波，杨明亮．一种内凸轮摇块式激振器 原理与运动分析E J ] ．陕西工学院学报，2 0 0 2 ，1 8 3 ， 1 4 ． Z H A N GJ i e ．D UY u - b o ，Y A N GM i n g l i a n g ．P r i n c i p i e sa n dm o t i o na n a l y s i so fan e wk i n do fo s c i l l a t i o n w i t hi n n e rc a m - c r a n k i n gb l o c k [ J ] ．J o u r n a lo f S h a a n x i ] n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y 。2 0 0 2 ．1 8 3 卜4 ． [ 2 ] 胡毅，崔广平．朱满平．偏心块激振器式复频振网 筛[ J ] ．煤矿机械，2 0 0 7 ，2 8 2 1 3 6 1 3 7 ． H UY i 。C U IG u a n g p i n g ．Z H UM a n - p i n g ．C o m P l e x - ／ r e q u e n c yv i b r a t i n gS C r ∞Ro fe c c e n t r i cb l o c kW 万方数据 8 0 4中国矿业大学学报第3 6 卷 上接第7 7 2 页 [ 2 ] 王建福。杨全兵．矿渣对净浆早期开裂的影响[ J ] 混凝士与水泥制品，2 0 0 6 ，1 4 7 1 1 0 1 2 ． W A N GJ i a n - f u tY A N GQ u a n - b i n ．E f f e c to fs l a go n r e s i s t a n c et 0c r a c k i n go fc o n c r e t ea te a r l ya g e [ j ] ． C h i n aC o n c r e t ea n dC e m e n tP r o d u c t s ，2 0 0 6 ，1 4 7 1 1 0 - 1 2 ． [ 3 3 姬永生，袁迎曙，袁广林，等．粉煤灰复合水泥对改 善混凝土性能的试验研究[ J ] ．中国矿业大学学报， 2 0 0 6 ．3 5 3 3 0 6 3 1 0 ． J IY o n g - s h e n g ，Y U A NY i n g s h u 。Y U A NG u a n w l i ． e ta 1 ．E x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nc o m p o s i t ep o r t l a n d c e m e n tw i t hf l ya s ht oi m p r o v ec o n c r e t ep e r f o r m a n c e [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e e h n o l o g y t2 0 0 6 t3 5 3 3 0 6 3 1 0 ． [ 4 ] 钱觉时，李长太，唐祖全．掺台料对钢渣混凝土电阻 率的作用[ 刀．粉煤灰综合利用，2 0 0 4 ，1 8 4 ；7 - 9 ． Q 1 A NJ u a - s h i L IC h a n g t a i ．T A N GZ u - q u a n ．T h e e f f e c to fm i n e r a lb l e n d e r so nt h ee l e c t r i c a lb u l kr e s t s t i v i t yo fs t e e l - s i n g ec o n c r e t e [ J ] ．H yA s hC o m p r e h e n s i v eU t i l i z a t i o n ，2 0 0 4 ，1 8 4 7 - 9 ． 蒋正武．高性能混凝土水分扩散与白收缩研究[ D ] ． 上海同济大学材料科学与工程学院．2 0 0 2 ． W E I X i a o - s h e n g ．I n t e r p r e t a t i o no fh y d r a t i o np r o c e s s o fe e m e n t - b a s e dm a t e r i a l su s i n ge l e c t r l e a lr e s i s t i v i t y m e a s u r e m e n t [ D ] S c h o o lo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ， H o n gK o n gU n i v e r s i t y t2 0 0 4 ． D I A SWPS ，I n f l u e n c eo fm i xa n de n v i r o n m e n to n p l a s t i cs h r i n k a g ec r a c k i n g [ J ] ．M a g a z i n eo fC o n c r e t e R e s e a r c h ，2 0 0 3 ．5 5 4 3 8 5 3 9 4 ． C E N G I ZDA ．H i g h - v o l u m ef l ya s hc o n c r e t ew i t h h i g hs t r e n g t ha n dl o wd r y i n gs h r i n k a g e [ J ] ．J o u r n a l o fM a t e r i a l si nC i v i lE n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ．1 5 2 1 5 3 一 1 5 6 ． 高小建，巴恒静．加掺合料高性能混凝土早龄期收 缩特性[ J ] ．哈尔滨工业大学学报，2 0 0 4 ，5 6 1 2 1 6 1 5 - 1 6 1 8 ． G A OX i a o - j i a n ，B AH e n l g - j i n g ．C h a r a c t e r i s t i c so f e a r l ya g es h r i n k a g e sd e v e l o p m e n to fH P Cc o n t a i n i n g m i n e r a la d m i x t u r e s [ J ] ．J o u r n a lo fH a r b i nI n s t i t u t eo f T e c h n o l o g y ．2 0 0 4 ．3 6 1 2 1 6 1 5 1 6 1 8 ． 责任编辑王继红 嘲 嘲 忉 嘲 嘲 万方数据