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(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)研發(fā)通常根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)物制造，將測(cè)試數(shù)據(jù)與理論分析進(jìn)行對(duì)比，并根據(jù)對(duì)比結(jié)果對(duì)實(shí)物進(jìn)行優(yōu)化。這就造成了每次分析優(yōu)化后都需要對(duì)實(shí)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)重建，不僅耗費(fèi)了大量人力和財(cái)力，同時(shí)也增加了新產(chǎn)品研發(fā)的成本，得不償失[1]。虛擬樣機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法面臨的難題，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行三維建模，針對(duì)產(chǎn)品在不同工況下的實(shí)際工作情況進(jìn)行仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)產(chǎn)品的整體性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，并改進(jìn)優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，從而提高產(chǎn)品性能[2]。虛擬樣機(jī)技術(shù)在很大程度上使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和合理性得到了保證，同時(shí)大大縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，并且在提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的同時(shí)，降低了設(shè)計(jì)成本。

目前，在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中為試件提供激振力的設(shè)備主要有力錘、激振器和振動(dòng)臺(tái)等，其中激振器是振動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中最關(guān)鍵的設(shè)備，并且現(xiàn)代工業(yè)中所涉及到的大多數(shù)振動(dòng)機(jī)械主要是通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)激振器來(lái)進(jìn)行工作的[3-4]。機(jī)械式激振器作為激振器的代表，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝拆卸方便等特點(diǎn)，在工程技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[5]。結(jié)合傳統(tǒng)機(jī)械式激振器的工作原理以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文提出了一種新型機(jī)械式激振器[6]，并對(duì)其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，利用MATLAB軟件編制了相應(yīng)的程序?qū)π滦蜋C(jī)械式激振器在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的激振力進(jìn)行了算例分析，最后利用Solidworks和ADAMS軟件聯(lián)合建立了新型機(jī)械式激振器的虛擬樣機(jī)，并對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行了仿真，不僅節(jié)省了時(shí)間和精力，同時(shí)也對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證[7-8]。新型機(jī)械式激振器最大的研究意義是在一定程度上保證了當(dāng)激振頻率從低頻到高頻變化時(shí),整個(gè)裝置在豎直方向產(chǎn)生的激振力的最大幅值在較小范圍內(nèi)變化的效果,對(duì)激振器的研究具有重要的理論及實(shí)際意義。

1 新型機(jī)械式激振器介紹

本文設(shè)計(jì)了一種新型機(jī)械式激振器，包括傳動(dòng)裝置、軸承、驅(qū)動(dòng)裝置、聯(lián)軸器、連接罩、偏心裝置、軸承端蓋、花鍵軸一、花鍵軸二及箱體。偏心裝置采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)安裝，偏心塊與質(zhì)量塊反向布置。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 新型機(jī)械式激振器

新型機(jī)械式激振器的工作原理是驅(qū)動(dòng)裝置將輸出的動(dòng)力通過(guò)聯(lián)軸器傳遞給花鍵軸一，花鍵軸一上的齒輪一與花鍵軸二上的齒輪二嚙合，花鍵軸一和花鍵軸二以w的激振頻率反向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)偏心裝置同步轉(zhuǎn)動(dòng)。由于偏心裝置的對(duì)稱性，整個(gè)偏心裝置在水平方向產(chǎn)生的激振力的合力為零，質(zhì)量塊m在豎直方向上產(chǎn)生的激振力對(duì)偏心塊M在垂直方向上產(chǎn)生的激振力部分抵消，使得整個(gè)激振器產(chǎn)生的激振力在豎直方向上的合力相互疊加。隨著激振頻率w在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，使得新型機(jī)械式激振器產(chǎn)生的激振力達(dá)到在較小范圍內(nèi)變化的效果。

2 算例分析

由新型機(jī)械式激振器的結(jié)構(gòu)可知，整個(gè)裝置產(chǎn)生的激振力由偏心裝置產(chǎn)生。因此，激振力的大小由偏心裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。偏心裝置由偏心裝置一、偏心裝置二、偏心裝置三及偏心裝置四4個(gè)部分組成，它們的結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱布置，因此僅對(duì)偏心裝置一進(jìn)行分析。偏心裝置一的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

其中偏心裝置一的連桿AB的長(zhǎng)度為l，連桿BC的長(zhǎng)度為al，連桿BD的長(zhǎng)度為bl，連桿的線密度為m0，彈簧原長(zhǎng)為(1+b)l，彈簧剛度為k，銷軸連接處的質(zhì)量為m′，偏心塊M對(duì)應(yīng)的偏心距為E，質(zhì)量塊m對(duì)應(yīng)的偏心距e，其中偏心距E與偏心距e反向布置，連桿AC和連桿AD之間的夾角為φ。

利用MATLAB優(yōu)化工具箱[9]對(duì)偏心裝置一的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后得到的優(yōu)化結(jié)果如下：a=1，b=0.7，m=0.1 kg，l=0.1 m，M=0.6 kg，E=0.02 m，k=30 N/mm，m0=2 g·cm-3，m′=0.1 kg。當(dāng)φ在5°～36.5°變化時(shí)，新型機(jī)械式激振器產(chǎn)生的激振力與傳統(tǒng)機(jī)械式激振器產(chǎn)生的激振力進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

圖2 偏心裝置一的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 新型機(jī)械式激振器與 傳統(tǒng)機(jī)械式激振器產(chǎn)生的激振力比較

由圖3可以得到，當(dāng)激振頻率w在18～174 rad·s-1之間變化時(shí)，傳統(tǒng)激振器產(chǎn)生的激振力在16～1 200 N之間變化，而新型機(jī)械式激振器產(chǎn)生的激振力變化范圍為16～140 N。由此可以看出，傳統(tǒng)機(jī)械式激振器由于偏心塊的質(zhì)量和偏心距的大小固定不變，使得激振力以w2的倍數(shù)增加，當(dāng)激振器在高頻狀態(tài)下工作時(shí)，產(chǎn)生的激振力很大；而當(dāng)新型機(jī)械式激振器的激振頻率從低頻到高頻變化時(shí)，激振力先增大后減小，且在較小范圍內(nèi)變化，達(dá)到了預(yù)期的效果。

3 新型機(jī)械式激振器的三維建模與仿真分析

3.1 新型機(jī)械式激振器三維模型的建立

在進(jìn)行虛擬樣機(jī)的仿真分析之前，首先需要建立一個(gè)合格的三維模型，這將直接影響到后期的仿真效果。本文利用Solidworks軟件建立新型機(jī)械式激振器的三維模型，如圖4所示。

由于新型機(jī)械式激振器的偏心裝置、齒輪等各軸向均已定位，因此最可能發(fā)生干涉對(duì)的地方是用于傳動(dòng)的齒輪之間以及偏心裝置的連桿與花鍵套之間，所以需要對(duì)這些零部件進(jìn)行干涉檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果顯示各個(gè)齒輪之間均為正常嚙合，偏心裝置的連桿與花鍵套之間不存在干涉。

3.2 新型機(jī)械式激振器虛擬樣機(jī)的建立

采用Parasolid格式輸出數(shù)據(jù)的方式，將新型機(jī)械式激振器的三維模型導(dǎo)入到ADAMS/View軟件中，如圖5所示。經(jīng)檢查，導(dǎo)入的新型機(jī)械式激振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)均無(wú)誤。

圖4 新型機(jī)械式激振器的實(shí)體模型

圖5 導(dǎo)入到ADAMS后的新型機(jī)械式激振器模型

由于新型機(jī)械式激振器的的結(jié)構(gòu)涉及到的零部件較多，整體仿真誤差較大，又因?yàn)榉抡娼Y(jié)果主要與偏心裝置有關(guān)，偏心裝置包括的偏心裝置一、偏心裝置二、偏心裝置三以及偏心裝置四的結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱安裝，因此僅對(duì)花鍵軸一與偏心裝置一等零部件組成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真即可，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 簡(jiǎn)化后的激振器模型

通過(guò)分析新型機(jī)械式激振器的結(jié)構(gòu)組成、運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及各零件間的裝配關(guān)系，對(duì)簡(jiǎn)化后的激振器模型添加的約束如下：花鍵軸一和大地之間添加旋轉(zhuǎn)副約束；偏心裝置一中的連桿一和連桿固定之間添加旋轉(zhuǎn)副約束，連桿二和花鍵套之間添加旋轉(zhuǎn)副約束，連桿一和連桿二之間添加旋轉(zhuǎn)副約束，花鍵套和花鍵軸一之間添加移動(dòng)副約束，偏心塊和花鍵套之間添加固定副約束，質(zhì)量塊和連桿一之間添加固定副約束。簡(jiǎn)化后的激振器虛擬樣機(jī)共使用10個(gè)約束副，包括1個(gè)移動(dòng)副，2個(gè)固定副以及7個(gè)旋轉(zhuǎn)副。不考慮各個(gè)運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦。

為了更好地模擬新型機(jī)械式激振器運(yùn)動(dòng)特性，需要對(duì)激振器添加驅(qū)動(dòng)。由于新型機(jī)械式激振器是由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的，主動(dòng)軸與電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接。在主動(dòng)軸即花鍵軸一上添加的旋轉(zhuǎn)副處施加一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)即可達(dá)到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的效果。為了更加真實(shí)地模擬激振器的運(yùn)動(dòng)情況，需要在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中添加STEP函數(shù)：

Function(time)=STEP(time,0,1 032d,10,7 788d)(time為時(shí)間變量)

此函數(shù)的含義為：激振器的轉(zhuǎn)速在10 s內(nèi)從172 r/min增加到1 662 r/min(轉(zhuǎn)換為激振頻率即為18 ～174 rad·s-1)。由于ADAMS/View中轉(zhuǎn)速的單位為°/s，進(jìn)行單位轉(zhuǎn)化后即為激振器的轉(zhuǎn)速,在10 s內(nèi)從1 032 °/s增加到9 972 °/s。

由于導(dǎo)入到ADAMS/View軟件中新型機(jī)械式激振器的模型中的彈簧是剛性的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)彈簧的壓縮，因此需要將模型中原有的彈簧去除，在ADAMS/View中重新創(chuàng)建彈簧。在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，新型機(jī)械式激振器所受到的載荷包括：偏心塊產(chǎn)生的激振力、質(zhì)量塊產(chǎn)生的激振力，連桿產(chǎn)生的激振力，彈簧的彈力，花鍵套與花鍵軸之間的作用力等。其中偏心塊所產(chǎn)生的激振力的施加過(guò)程如下：?jiǎn)螕魡蜗蛄Π粹o，選擇Two Bodies選項(xiàng)，在圖形中選擇偏心塊與花鍵軸的中心確定慣性力的方向，通過(guò)選擇Modify選項(xiàng)中的Function添加激振力的計(jì)算公式，如圖7所示。質(zhì)量塊所產(chǎn)生的激振力的施加過(guò)程同上。

在之前的屬性修改中，新型機(jī)械式激振器的零件特性已經(jīng)定義，因此激振器在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的其它作用力由ADAMS/Solver求解器在后臺(tái)自動(dòng)計(jì)算。至此，新型機(jī)械式激振器的虛擬樣機(jī)建立完成。

3.3 基于虛擬樣機(jī)的仿真分析

在ADAMS/View中，點(diǎn)擊仿真按鈕，在系統(tǒng)彈出的仿真對(duì)話框中設(shè)置仿真時(shí)間和步長(zhǎng)，單擊開(kāi)始仿真按鈕，對(duì)模型進(jìn)行仿真，如圖8所示。由圖8可知，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，隨著時(shí)間的增加，激振器的轉(zhuǎn)速不斷增加，使得偏心塊和質(zhì)量塊產(chǎn)生的激振力均不斷增大，在慣性的作用下，質(zhì)量塊不斷向外運(yùn)動(dòng)，質(zhì)量塊的偏心距不斷變大。

圖7 激振力的修改

圖8 激振器虛擬樣機(jī)仿真

仿真結(jié)束后，進(jìn)入ADAMS/PostProcessor后處理模塊，觀察仿真結(jié)果。整個(gè)新型機(jī)械式激振器產(chǎn)生的激振力曲線如圖9所示。

圖9 整個(gè)新型機(jī)械式激振器的激振力曲線圖

由圖9可知，隨著時(shí)間的增加，激振器的振頻率由18 rad·s-1增大到174 rad·s-1，整個(gè)新型機(jī)械式激振器產(chǎn)生的激振力在10～135 N之間變化，ADAMS動(dòng)態(tài)仿真分析結(jié)果與靜態(tài)分析下的理論結(jié)果之間存在一定誤差，但在誤差允許的范圍內(nèi)。因此，動(dòng)態(tài)仿真得到的激振力的變化情況與本文第二節(jié)算例分析中得到的激振力變化情況基本相符。由此可以看出新型機(jī)械式激振器的仿真分析結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的合理性，說(shuō)明激振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文基于傳統(tǒng)機(jī)械式激振器的工作原理，設(shè)計(jì)了一種新型機(jī)械式激振器，對(duì)其結(jié)構(gòu)組成以及工作原理進(jìn)行了介紹，根據(jù)優(yōu)化得到的偏心裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)新型機(jī)械式激振器在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的激振力進(jìn)行了算例分析，利用Solidworks軟件建立了新型機(jī)械式激振器的三維實(shí)體模型，將實(shí)體模型導(dǎo)入到ADAMS/View軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，得出了激振力隨時(shí)間變化的曲線，激振力在10～135 N之間，并與理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以確定新型機(jī)械式激振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足設(shè)計(jì)要求，具有較高的研究?jī)r(jià)值。