農(nóng)田灌溉用過(guò)濾井管成型系統(tǒng)建模仿真與優(yōu)化研究

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 張澤明 黃聰會(huì)

1 前言

農(nóng)田灌溉用過(guò)濾井管生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，主要使用擠壓振動(dòng)法成型，工藝的技術(shù)關(guān)鍵是混凝土的配合比以及振動(dòng)時(shí)間。配合比是決定強(qiáng)度的制約因素，而振動(dòng)工藝則是保證孔隙形成、透水性大小的重要因素。配合密實(shí)的強(qiáng)度大，但透水性較?。蝗粽駝?dòng)時(shí)間過(guò)短，則孔隙較多，但強(qiáng)度變低。一般振動(dòng)成型系統(tǒng)均采用中高頻振動(dòng)臺(tái)，頻率為30～50Hz，振幅在5mm左右。根據(jù)農(nóng)田灌溉用過(guò)濾井管工藝技術(shù)規(guī)程要求，一階段管是在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)密實(shí)的。為了獲得良好的密實(shí)效果，使混凝土具有較高的強(qiáng)度和密實(shí)度，以及合適的振動(dòng)時(shí)間，從工藝上必須根據(jù)混凝土混合物特性，合理確定振動(dòng)頻率、振幅、振動(dòng)速度和振動(dòng)時(shí)間，作為設(shè)計(jì)振動(dòng)臺(tái)的依據(jù)。

農(nóng)田灌溉用過(guò)濾井管成型系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是采用變頻調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)帶傳動(dòng)帶動(dòng)振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)，振動(dòng)臺(tái)上附加與實(shí)際工作情況等量的重物，通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速和更換主振彈簧來(lái)觀察振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率和振幅，從而確定系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速n，選擇電機(jī)轉(zhuǎn)速為n0，則傳動(dòng)比i=n/n0，這樣得到振動(dòng)臺(tái)的振幅和頻率并不準(zhǔn)確，誤差很大。本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，以要求的頻率和振幅為優(yōu)化目標(biāo)來(lái)尋求合適的系統(tǒng)參數(shù)，大大降低了研發(fā)周期與成本，為農(nóng)田灌溉用過(guò)濾井管成型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了幫助。

2 運(yùn)動(dòng)分析

2.1 工作原理

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，振動(dòng)臺(tái)簡(jiǎn)化模型如圖2所示，振動(dòng)臺(tái)采用雙軸同步慣性振動(dòng)方式，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)偏心軸高速旋轉(zhuǎn)；兩偏心軸之間通過(guò)傳動(dòng)比為1∶1的齒輪連接實(shí)現(xiàn)兩偏心軸轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反、相位差為零；振動(dòng)臺(tái)與底座之間通過(guò)主振彈簧連接；其水平振動(dòng)分量互相抵消，只剩下沿垂直方向的振動(dòng)；兩臺(tái)電機(jī)的不同步現(xiàn)象通過(guò)帶傳動(dòng)的滑動(dòng)來(lái)補(bǔ)償。系統(tǒng)在工作時(shí)，做受迫振動(dòng)，因?yàn)樵趯?shí)際的振動(dòng)系統(tǒng)中，阻尼總是客觀存在的，如果振動(dòng)持續(xù)不斷地進(jìn)行，就必須對(duì)系統(tǒng)施加一個(gè)周期性的外力，系統(tǒng)在周期性外力作用下進(jìn)行的振動(dòng)，稱(chēng)為受迫振動(dòng)。

圖2 振動(dòng)臺(tái)簡(jiǎn)化模型

3 系統(tǒng)參數(shù)的確定

因系統(tǒng)組件為非規(guī)則零件，所以無(wú)法直接測(cè)量彈簧所連接部分的重量，因此借助軟件Pro/E進(jìn)行測(cè)量。

在Pro/E中的操作為：每個(gè)零件模型附加材料，在機(jī)構(gòu)環(huán)境下，啟用重力，設(shè)定彈簧剛度K=100N/mm和阻尼系數(shù)c，初始條件為彈簧自然狀態(tài)下，動(dòng)態(tài)模擬。得到振動(dòng)平臺(tái)豎直方向的位移如圖3所示。彈簧所聯(lián)結(jié)質(zhì)量M通過(guò)彈簧形變，根據(jù)胡克定理確定Mg=8KX。

圖3 振動(dòng)平臺(tái)豎直方向的位移

（X是圖上最大值和最小值的差值）

由自振周期公式算得彈簧系統(tǒng)的自振周期：T=2π

自振頻率：

在不啟用重力和阻尼條件下模擬系統(tǒng)的自振頻率如圖4所示，與計(jì)算結(jié)果f0相吻合。

臨界阻尼系數(shù)：

因偏心軸也為非規(guī)則零件，在此借助軟件Pro/E測(cè)得偏心軸的偏心距r=11.684mm，質(zhì)量m0=29.1kg。

4 基于ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真

4.1 約束與力的定義

在Pro/E中建立系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型并完成裝配，然后導(dǎo)入ADAMS中添加約束與驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)入ADAMS中的模型如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

底座與ground固定副連接，偏心軸與振動(dòng)臺(tái)旋轉(zhuǎn)副連接，振動(dòng)臺(tái)與底座滑柱移動(dòng)副連接，振動(dòng)臺(tái)與底座之間添加彈簧阻尼器（振動(dòng)臺(tái)上下均有彈簧阻尼器），對(duì)偏心軸與振動(dòng)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)副添加驅(qū)動(dòng)。

4.2 參數(shù)的設(shè)定

阻尼系數(shù)c和振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)頻率的確定結(jié)合振動(dòng)方程、系統(tǒng)固有頻率f0以及臨界阻尼系數(shù)rc確定，修改偏心軸的質(zhì)量為2m0=58.2kg，修改振動(dòng)臺(tái)質(zhì)量為等效系統(tǒng)的重量M=1439.59kg，修改每個(gè)彈簧剛度系數(shù)K=1.0E+005 N/m，阻尼系數(shù)c=3000.0N·s/m，優(yōu)化目標(biāo)為振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率在30～50Hz范圍內(nèi)，振幅為5mm。

4.3 優(yōu)化方法

方法一：已知振動(dòng)臺(tái)的要求頻率（即確定驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速）和彈簧剛度系數(shù)，通過(guò)改變阻尼系數(shù)，得到合適的振幅。

方法二：已知彈簧剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速，達(dá)到要求的振動(dòng)臺(tái)的振幅。

因購(gòu)買(mǎi)彈簧時(shí)彈簧剛度系數(shù)與阻尼系數(shù)已確定，所以采用方法二進(jìn)行優(yōu)化。電機(jī)轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的比值通過(guò)帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn)。

圖5系統(tǒng)振動(dòng)情況

5 結(jié)論

5.1 通過(guò)對(duì)農(nóng)田灌溉用過(guò)濾井管成型系統(tǒng)進(jìn)行受力分析得到系統(tǒng)的振動(dòng)方程，為農(nóng)田灌溉用過(guò)濾井管成型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

5.2 結(jié)合振動(dòng)方程并利用Pro/E建模導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行仿真，優(yōu)化得到當(dāng)主振彈簧剛度系數(shù)K=1.0E+005N/m，阻尼系數(shù)c=3000.0N·s/m，電機(jī)轉(zhuǎn)速 n0=1499r/min，傳動(dòng)比i=1.5時(shí)振動(dòng)臺(tái)振幅近似等于5mm，頻率f=37.5Hz。

5.3 利用軟件建模與仿真，大大縮減了系統(tǒng)研制的周期以及降低了產(chǎn)品在研制過(guò)程中的成本。

[1]芮執(zhí)元,程林章．基于Pro/E與ADAMS結(jié)合的虛擬樣機(jī)動(dòng)態(tài)仿真[J].現(xiàn)代制造工程,2005(1):56-58．

[2]石珍強(qiáng),徐培民．ADAMS剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模[J]．安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007，24(1):43-45．

[3]常玉連,王巖,高勝等.基于ADAMS的柔性機(jī)械系統(tǒng)理論分析與研究[J].科 學(xué) 技 術(shù) 與 工 程，2011，11(3)：588-590．