一種新型機(jī)械式激振器的研究

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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)

一種新型機(jī)械式激振器的研究

劉丹,邢海軍,申永軍

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

提出了一種由傳動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、偏心裝置、花鍵軸及箱體等組成的新型機(jī)械式激振器，論述了其結(jié)構(gòu)組成，推導(dǎo)了激振力的計(jì)算方程，并運(yùn)用Matlab軟件編制了相應(yīng)的計(jì)算程序求解該方程。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)激振器從低頻到高頻變化時(shí)，激振力的最大幅值在較小范圍內(nèi)波動(dòng)。

新型機(jī)械式激振器；偏心裝置；激振力；激振頻率；Matlab

0 引言

振動(dòng)試驗(yàn)作為現(xiàn)代工程技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)基本試驗(yàn)，廣泛應(yīng)用于許多重要的工程領(lǐng)域，如導(dǎo)彈、火箭的環(huán)境試驗(yàn)，汽車、行走機(jī)械的道路模擬試驗(yàn)，工程材料試驗(yàn)，水壩、高層建筑的抗震試驗(yàn)等[1-4]。現(xiàn)代工業(yè)中所涉及到的大多數(shù)振動(dòng)機(jī)械的振動(dòng)來源主要是依靠激振器來提供的[5]。激振器工作時(shí)，由一對(duì)或多對(duì)偏心輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生垂直方向上的離心力，從而使振動(dòng)物體在垂直方向上連續(xù)運(yùn)動(dòng)[6]。早期的激振器主要由單個(gè)偏心輪構(gòu)成，在整個(gè)工作過程中，激振器將會(huì)全頻率輸出振動(dòng)，這種情況下將會(huì)引起設(shè)備的共振[7]。目前常規(guī)的偏心式激振器雖然結(jié)構(gòu)簡單，安裝拆卸方便，但由激振力的計(jì)算公式F(t)=meω2sinωt可知[8]，由于偏心塊的質(zhì)量m和偏心距e的大小固定不變，激振力的最大幅值F的大小隨激振頻率ω的增大以ω2的比例增加，以至于當(dāng)ω較小時(shí)，F(xiàn)較小，起不到激振效果，而當(dāng)ω較大時(shí)，較大的F有可能導(dǎo)致被測試件的損壞。為了能夠有效地解決上述不足，本文介紹了一種新型機(jī)械式激振器，論述了其結(jié)構(gòu)組成，推導(dǎo)了激振力的計(jì)算方程，最后運(yùn)用MATLAB軟件編制相應(yīng)的計(jì)算程序?qū)υ摲匠踢M(jìn)行了求解，實(shí)現(xiàn)當(dāng)激振器從低頻到高頻變化時(shí)，激振力的最大幅值在較小范圍內(nèi)波動(dòng)的效果。

1 新型機(jī)械式激振器

新型機(jī)械式激振器的結(jié)構(gòu)(俯視圖)如圖1所示，包括箱體、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、花鍵軸一、花鍵軸二、安裝在花鍵軸一上的第一激振機(jī)構(gòu)和安裝在花鍵軸二上的第二激振機(jī)構(gòu)。其中驅(qū)動(dòng)裝置固定安裝在箱體外側(cè)，花鍵軸一和花鍵軸二平行安裝于箱體內(nèi)，第一激振機(jī)構(gòu)和第二激振機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同且前后對(duì)稱安裝，第一激振機(jī)構(gòu)包括安裝在花鍵軸一上的偏心裝置一和偏心裝置二，第二激振機(jī)構(gòu)包括安裝在花鍵軸二上的偏心裝置三和偏心裝置四。

偏心裝置是新型機(jī)械式激振器的重要結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括安裝在花鍵軸一上的偏心裝置三和偏心裝置四和安裝在花鍵軸二上的偏心裝置一和偏心裝置二，偏心裝置一與偏心裝置二左右對(duì)稱，偏心裝置一、偏心裝置二與偏心裝置四、偏心裝置三前后對(duì)稱。偏心裝置一的結(jié)構(gòu)如圖2所示，該結(jié)構(gòu)包括連桿固定套、彈簧、導(dǎo)向套筒、花鍵套、偏心塊、平鍵、彈性擋圈、滾珠花鍵、連桿一、質(zhì)量塊及連桿二。

當(dāng)新型機(jī)械式激振器的兩根花鍵軸以ω的激振頻率反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，水平方向產(chǎn)生的激振力相互抵消，質(zhì)量塊在豎直方向上產(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，整個(gè)激振器產(chǎn)生的激振力在豎直方向上相互疊加。

此方案中整個(gè)偏心裝置采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，不僅方便更換以及維修，還能通過改變偏心塊的質(zhì)量、彈簧剛度以及偏心塊的起始位置等參數(shù)，產(chǎn)生不同的激振力以滿足不同工況的需要。整個(gè)裝置所采用的滾珠花鍵及滾珠花鍵軸之間的摩擦為滾動(dòng)摩擦，因此阻力很小，而且整個(gè)裝置操作簡單，體積小，容易維修，制作成本低。

圖1 新型機(jī)械式激振器

圖2 偏心裝置一

2 新型機(jī)械式激振器的激振力計(jì)算

整個(gè)裝置的激振力由偏心裝置產(chǎn)生，由于整個(gè)偏心裝置采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此只對(duì)偏心裝置一進(jìn)行分析即可。偏心裝置一的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示，其中AB的長度為l，BC的長度為al，BD的長度為l，彈簧原長為2l，彈簧剛度為k，偏心塊M和質(zhì)量塊m所對(duì)應(yīng)的偏心距分別為E和e，其中偏心距E與偏心距e反向布置，連桿AC和彈簧之間的夾角為φ。根據(jù)激振力的計(jì)算公式F(t)=meω2sinωt，可以得到偏心裝置一在垂直方向上產(chǎn)生的激振力的最大幅值為

(1)

根據(jù)偏心裝置一的結(jié)構(gòu)簡圖，對(duì)偏心塊M進(jìn)行受力分析，如圖4所示。

圖3 偏心裝置一的結(jié)構(gòu)簡圖

圖4 偏心塊M的受力分析圖

初始位置時(shí)，偏心塊M在水平方向上受力平衡，有

(2)

整理式(2)后，得

(3)

連桿AC上的力在A點(diǎn)的力矩平衡，有

(4)

將式(3)代入式(4)整理后，得

(5)

(6)

將式(6)代入式(1)整理后，得

(7)

因此，整個(gè)裝置產(chǎn)生的激振力的最大幅值為

(8)

3 算例分析

圖5 激振力的最大幅值隨激振頻率ω的變化情況

根據(jù)推導(dǎo)得到的新型機(jī)械式激振器激振力的計(jì)算方程，用Matlab語言編制了求解激振力計(jì)算方程的程序，仿真分析了新型機(jī)械式激振器從低頻到高頻變化時(shí)，激振力的最大幅值的變化情況。仿真計(jì)算時(shí)新型機(jī)械式激振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)取為a=1.2，l=0.1 m，E=0.03 m，M=1 kg，m=0.5 kg，k=500 N/mm,ω=22.5～125 rad·s-1。計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5為新型機(jī)械式激振器激振力的最大幅值F隨激振頻率ω的變化情況，當(dāng)激振頻率ω從22.5rad·s-1不斷增大至125rad·s-1時(shí)，激振力的最大幅值先增大后減小，但在較小范圍內(nèi)變化。傳統(tǒng)機(jī)械式激振器，由于質(zhì)量m和偏心距e固定不變，當(dāng)激振頻率ω從低頻到高頻變化時(shí)，激振力的大小以ω2的倍數(shù)增加，以至于激振力過大而損壞試件。與傳統(tǒng)機(jī)械式激振器相比，新型機(jī)械式激振器的研究避免了以上情況的發(fā)生，達(dá)到了預(yù)期的效果。

4 結(jié)論

論述了新型機(jī)械式激振器的結(jié)構(gòu)組成，對(duì)激振器的偏心裝置進(jìn)行了受力分析，推導(dǎo)出了新型機(jī)械式激振器激振力的計(jì)算方程，并運(yùn)用MATLAB軟件編制了相應(yīng)的程序?qū)υ摲匠踢M(jìn)行了求解，主要目的是實(shí)現(xiàn)當(dāng)激振器從低頻到高頻變化時(shí)，偏心塊m產(chǎn)生的反向激振力對(duì)偏心塊E在垂直方向上產(chǎn)生的激振力部分抵消，整個(gè)裝置產(chǎn)生的激振力的最大幅值在較小范圍內(nèi)變化的效果。計(jì)算結(jié)果表明采用新型機(jī)械式激振器結(jié)構(gòu)達(dá)到了預(yù)期的目的。

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ResearchonaNew-typeofMachineVibrator

LiuDan,XingHaijun,ShenYongjun

(School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

A new-type of machine vibrator which includes gearing，driving device, eccentrics, spline shaft, box and so on is presented. The structure composition is introduced and the equation of the exciting force is derived. Then the corresponding calculation program is compiled to solve the equation with Matlab. Calculation result shows that the maximum amplitude of the exciting force fluctuates within a narrow range when the vibrator is changed from low frequency to high frequency.

new-type machine vibrator;eccentric device;exciting force;excited frequency;Matlab

TH122；O241

： A

： 2095-0373(2017)03-0062-04

2016-06-18責(zé)任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.03.12

河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目(14212202D)

劉丹(1990-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。E-mail:983305096@qq.com

邢海軍，(1967-)，男，博士，教授，研究方向?yàn)檎駝?dòng)控制、結(jié)構(gòu)分析。E-mail:xinghj@stdu.edu.cn 劉丹,邢海軍,申永軍.一種新型機(jī)械式激振器的研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,30(3):62-64.