基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的振動(dòng)輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)研究

趙浩東，程林峰

（山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 濟(jì)南卷煙廠，濟(jì)南 250104）

0 引 言

振動(dòng)輸送機(jī)是煙草工業(yè)重要的物料輸送設(shè)備，主要適用于葉片、葉絲、煙梗、梗絲在制造過(guò)程中的連續(xù)生產(chǎn)線上。工作時(shí)，由電機(jī)通過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)偏心軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)連桿使搖桿擺動(dòng)，從而使槽體往復(fù)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到輸送物料的目的。振動(dòng)輸送機(jī)的振幅和頻率對(duì)物料的輸送效果有著直接的影響。為了得到適合生產(chǎn)工況的振幅和振頻，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，基于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的改造只能對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行定性分析，難以達(dá)到目標(biāo)，而且一旦出現(xiàn)問(wèn)題，就需要重新設(shè)計(jì)改造，這是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程，浪費(fèi)了大量人力物力。

目前，國(guó)內(nèi)制造廠家大多是基于傳統(tǒng)的制造經(jīng)驗(yàn)，很少進(jìn)行精確的數(shù)值分析，只有少量文獻(xiàn)運(yùn)用解析法對(duì)振動(dòng)輸送機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)［1-3］與動(dòng)力學(xué)［4-5］做了探討。本文利用虛擬樣機(jī)技術(shù)在計(jì)算機(jī)平臺(tái)下對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行了虛擬仿真及數(shù)值分析。

1 虛擬樣機(jī)模型的建立

聯(lián)合應(yīng)用三維建模平臺(tái)Pro/E、動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)ADAMS 等建立振動(dòng)輸送機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，該虛擬樣機(jī)與設(shè)備的實(shí)際尺寸、材料、傳動(dòng)系統(tǒng)等參數(shù)具有一致性，可以仿真實(shí)際設(shè)備的運(yùn)行情況，通過(guò)對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真，可以對(duì)振動(dòng)輸送機(jī)的振幅、頻率等參數(shù)進(jìn)行定量分析及實(shí)時(shí)跟蹤，為設(shè)備的維修、改造提供技術(shù)支持與理論依據(jù)。建立虛擬樣機(jī)的的流程如圖1 所示。

圖1 建模流程圖

1.1 三維模型的建立

振動(dòng)輸送機(jī)主要由機(jī)架、槽體、搖桿、傳動(dòng)裝置等組成。利用參數(shù)化建模的思想分別對(duì)各零件進(jìn)行建模，需要注意的是建模時(shí)所有零件的單位必須設(shè)定成“mm·kg·s”，按照零件的位置關(guān)系進(jìn)行裝配，最終得到設(shè)備的總裝模型,并進(jìn)行干涉檢查。振動(dòng)輸送機(jī)主要部件的模型與總裝模型如圖2 所示。

1.2 數(shù)據(jù)模型傳遞

圖2 振動(dòng)輸送機(jī)三維模型

為了由振動(dòng)輸送機(jī)的三維模型得到系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型，首先需要進(jìn)行模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，即將已經(jīng)建立的三維模型的信息傳遞到動(dòng)力學(xué)建模平臺(tái)ADAMS 中。ADAMS軟件具有實(shí)用的Parasolid 輸入、輸出功能，可以輸入由三維建模平臺(tái)生成的Parasolid 文件，即將機(jī)構(gòu)的三維模型保存為.x_t 格式，通過(guò)ADAMS/Exchange 模塊導(dǎo)入ADAMS 中。這種方法簡(jiǎn)便易行，但是這種方法的缺點(diǎn)是容易造成模型失真。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，考慮使用Pro/E 與ADAMS 間的專(zhuān)用接口Mechansm/Pro，該接口實(shí)現(xiàn)了Pro/E 與ADAMS的無(wú)縫集成。通過(guò)該接口，可以將裝配體無(wú)需退出建模環(huán)境直接傳遞到ADAMS 中，且不存在模型失真的現(xiàn)象。

1.3 模型參數(shù)定義

表1 關(guān)鍵零部件間的約束關(guān)系

導(dǎo)入ADAMS 軟件中的模型僅包含了機(jī)構(gòu)零件間的相對(duì)位置關(guān)系信息、幾何特征信息，還不能稱(chēng)之為虛擬樣機(jī)。因此需要對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的參數(shù)定義。振動(dòng)輸送機(jī)虛擬樣機(jī)模型包含的基本信息應(yīng)包括：環(huán)境信息、質(zhì)量（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）信息、約束信息、驅(qū)動(dòng)信息。模型參數(shù)的定義在Adams/View 環(huán)境中完成。其中關(guān)鍵零部件間的約束關(guān)系如表1 所示。

為了保證仿真的順利進(jìn)行，排除建模中存在的錯(cuò)誤，需要對(duì)已經(jīng)建立的模型進(jìn)行校驗(yàn)。模型校驗(yàn)主要是檢查模型中約束的類(lèi)型和數(shù)量、驅(qū)動(dòng)數(shù)量、自由度數(shù)、是否存在冗余約束等。得到振動(dòng)輸送機(jī)的虛擬樣機(jī)如圖3 所示。

2 仿真分析

振動(dòng)輸送機(jī)的傳動(dòng)形式為帶傳動(dòng)，研究對(duì)象的電機(jī)類(lèi)型為Y132S-6 型三相異步電動(dòng)機(jī)，在電機(jī)軸上添加驅(qū)動(dòng)進(jìn)行仿真，得到振槽的沿X、Y、Z 3 個(gè)方向的振動(dòng)曲線，如圖4 所示。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，振槽在X、Y 方向振動(dòng)，在Z 方向沒(méi)有振動(dòng)，與實(shí)際情況相符合，在X方向的振幅為0.048 m，在Y 方向的振幅為0.02 m，振槽的振動(dòng)周期與大帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)周期一致。

振槽的振動(dòng)速度對(duì)物料拋送的遠(yuǎn)近有重要影響。而振槽振動(dòng)頻率決定了振槽振動(dòng)速度的大小，通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，振頻和大帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率一致，圖5 為大帶輪轉(zhuǎn)速分別在300 r/min、600 r/min 時(shí)，振槽在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的速度變化曲線。轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，振槽最大速度達(dá)到1.658 m/s，轉(zhuǎn)速為300 r/min 時(shí)，振槽最大速度為0.829 m/s，恰好為前者的一半。振槽速度的大小可以改變帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比來(lái)實(shí)現(xiàn)，亦可通過(guò)電機(jī)調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3 振動(dòng)輸送機(jī)虛擬樣機(jī)模型

圖4 振動(dòng)輸送機(jī)振動(dòng)情況

圖5 振槽速度變化曲線

圖6 不同負(fù)載下的輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)的速度變化情況

在電機(jī)功率、傳動(dòng)比、結(jié)構(gòu)形式一定的條件下，振動(dòng)輸送機(jī)的輸送能力是有限的。圖6 是負(fù)載分別為50 kg、70 kg 時(shí) 輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)的速度變化情況。在設(shè)備開(kāi)始啟動(dòng)的時(shí)候，負(fù)載越大，設(shè)備由啟動(dòng)到穩(wěn)定工作的時(shí)間越長(zhǎng)，若負(fù)載過(guò)大，超過(guò)輸送機(jī)的承載能力，設(shè)備將不能正常工作。

3 結(jié) 論

1）聯(lián)合應(yīng)用三維建模平臺(tái)和多體動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)建立了振動(dòng)輸送機(jī)的虛擬樣機(jī)模型。

2）通過(guò)仿真分析，得到了振槽振幅與振頻等指標(biāo)的精確數(shù)值，得到了振槽頻率與運(yùn)行速度的關(guān)系以及負(fù)載對(duì)輸送機(jī)輸送能力的影響，為設(shè)備技術(shù)革新提供了理論依據(jù)。

［1］ 胡開(kāi)文，潘曉陽(yáng).COMAS 振動(dòng)輸送機(jī)的研究［J］.華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，25（4）：401-404.

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［3］ 趙衡，郭秋娜.曲柄搖桿式振動(dòng)輸送機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析［J］.制造技術(shù)與工藝，2005（1）：76-77.

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