混沌振動(dòng)臺(tái)在混凝土預(yù)制件成型中的研究

劉曉星 沈建達(dá)

[摘 要]分析了混凝土預(yù)制件在振動(dòng)臺(tái)上成型的工作原理，采用端面式混沌激振器，建立了混沌振動(dòng)臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，得出混沌振動(dòng)臺(tái)具有較寬的振動(dòng)頻率、較高的振動(dòng)加速度、振幅和振動(dòng)烈度，能增加被振混凝土預(yù)制件中各種物料與物料之間碰撞和拌合的機(jī)會(huì)并降低模具與物料之間的摩擦，具有更好的密實(shí)性和均勻性且效率高，對(duì)所加工的預(yù)制件原材料適應(yīng)面寬等優(yōu)勢(shì)，最后通過實(shí)例分析證實(shí)了其有效性。

[關(guān)鍵詞]振動(dòng)臺(tái)、混沌振動(dòng)、激振器、混凝土預(yù)制件

中圖分類號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2018）10-0112-01

本文提出了將端面式混沌激振器應(yīng)用到振動(dòng)臺(tái)預(yù)制件成型機(jī)中，進(jìn)行了建模與運(yùn)動(dòng)分析。由于混沌振動(dòng)能隨機(jī)產(chǎn)生能量較大的寬頻振動(dòng)，振動(dòng)成型時(shí)能同時(shí)施加多種振動(dòng)頻率來適應(yīng)骨料顆粒粒徑大小不一的要求，實(shí)例分析也表明了對(duì)成型效果有本質(zhì)影響的振動(dòng)加速度、振幅和振動(dòng)烈度等技術(shù)參數(shù)皆能有所提高，同時(shí)增加了被振混凝土混合物中各種物料與物料之間碰撞和拌合的機(jī)會(huì)并能降低模具與物料、物料與物料之間的摩擦，從而提高了預(yù)制件振動(dòng)成型的密實(shí)效果和工作效率。與傳統(tǒng)振動(dòng)成型方法比較能有效地提高密實(shí)度和均勻性，這種裝置已申請(qǐng)國(guó)家實(shí)用新型專利（一種混沌振動(dòng)預(yù)制板件成型機(jī)，申請(qǐng)?zhí)枮椋?01720348340.2）。

1 混沌振動(dòng)臺(tái)預(yù)制件成型機(jī)動(dòng)力學(xué)模型

為研究方便，將單軸式的混沌振動(dòng)臺(tái)預(yù)制件成型機(jī)簡(jiǎn)化為動(dòng)力學(xué)模型圖，其中M為參加振動(dòng)的總質(zhì)量，包括振動(dòng)臺(tái)面、混凝土、振動(dòng)器、模箱、托板等質(zhì)量；K為系統(tǒng)總彈簧剛度（含隔振彈簧）；X、Y為振動(dòng)臺(tái)架含混凝土的水平和垂直位移；激振器為端面式混沌激振器。

端面式混沌激振器為在偏心軸上裝配了兩個(gè)可調(diào)整的偏心塊。偏心塊與偏心軸之間呈現(xiàn)周向滑動(dòng)摩擦關(guān)系，且兩偏心塊之間又呈現(xiàn)端面滑動(dòng)摩擦的關(guān)系。兩偏心塊套在同一偏心軸上，配合關(guān)系相同，因此在結(jié)構(gòu)上得以簡(jiǎn)化，在加工、制造、裝配上較易實(shí)現(xiàn)。該混沌激振器有較強(qiáng)的非幾何性，自由度為3，能夠產(chǎn)生混沌振動(dòng)，已獲實(shí)用新型專利（授權(quán)公告號(hào)為：CN202778923U）。

簡(jiǎn)化后的混沌振動(dòng)激振器的力學(xué)模型見圖1。激振器由偏心軸（OO1），偏心塊1（O1C2）和偏心塊2（O1C3）所組成。它們的轉(zhuǎn)動(dòng)中心分別為：O，O1；質(zhì)心分別為C1、C2、C3；轉(zhuǎn)角分別為φ0、φ1、φ2，其中φ0=ωt為剛性轉(zhuǎn)角。

以φ1、φ2為廣義坐標(biāo)，設(shè)m1=m2=m3=m分別為偏心軸、偏心塊1、2的質(zhì)量，loc1=lo1c2=lo1c3=l，引入?yún)⒘喀?、θ2則φ1=ωt+θ1、φ2=ωt+θ2并應(yīng)用Lagrange方程結(jié)合混沌振動(dòng)砌塊成型機(jī)力學(xué)模型得系統(tǒng)的微分方程：

2 混沌振動(dòng)砌塊成型機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真

由（1）解得振動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)方程為：

通過Matlab仿真，特定條件下模擬振動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)軌跡可以看出振動(dòng)體軌跡為近圓運(yùn)動(dòng)且這種運(yùn)動(dòng)不規(guī)則、不確定，振動(dòng)體的振動(dòng)具有混沌性。

3 實(shí)例分析

實(shí)際應(yīng)用中振動(dòng)臺(tái)預(yù)制件成型機(jī)采用雙軸式，即采用兩組轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反，相位差為零的混沌激振器，且2臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸中心連線的中垂面通過機(jī)體重心。故在高速旋轉(zhuǎn)過程中，由偏心質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力在水平方向互相抵消，在垂直方向互相疊加，使成型機(jī)振動(dòng)臺(tái)作垂直定向的高頻振動(dòng)。采用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的普通激振器，此時(shí)X方向的位移極小，可忽略不計(jì)，Y方向的位移與原料重力方向一致，有利于成型。

其中振動(dòng)質(zhì)量M=800kg，隔振彈簧剛度為K=31100kg/cm，兩個(gè)激振器的名義轉(zhuǎn)速分別為n1=n2=6592rpm；激振頻率為109.5Hz；兩個(gè)激振器的名義激振力分別為：F1=F2=21517.55N，總激振力F為43035N。計(jì)算分析結(jié)果為：振動(dòng)臺(tái)振幅A=0.225mm；振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)加速度a=10.9g；振動(dòng)烈度為673cm2/s3系統(tǒng)所耗功率為：6.5KW。

將兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的普通激振器改為兩個(gè)條件相同的混沌激振器（取中間值），其余條件完全相同，計(jì)算結(jié)果為：振動(dòng)臺(tái)振幅A=0.228～0.428mm；振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)加速度a=11.1～18.3g；振動(dòng)烈度為622～1428cm2/s3系統(tǒng)所耗功率為：7.2KW。計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化，是由于混沌激振器在寬頻率、隨機(jī)狀態(tài)下工作，從成型的密實(shí)度和均勻性考慮皆優(yōu)越于傳統(tǒng)的振動(dòng)臺(tái)。

4 結(jié)論

1、混沌振動(dòng)激振器用于振動(dòng)臺(tái)預(yù)制件成型中能隨機(jī)產(chǎn)生倍頻能量較大的寬頻振動(dòng)從而施加多種振動(dòng)頻率來適應(yīng)骨料顆粒粒徑大小不一的要求。

2、成型過程中增加了被振混凝土混合物中各種物料與物料之間碰撞和拌合的機(jī)會(huì)并能降低模具與物料之間的摩擦，提高了預(yù)制件的密實(shí)成型效果和工作效率。

3、對(duì)成型效果有本質(zhì)影響的技術(shù)參數(shù)例如振動(dòng)加速度、振幅和振動(dòng)烈度等皆有所提高。

4、將混沌振動(dòng)技術(shù)引入到振動(dòng)臺(tái)預(yù)制件成型中是可行而且有效的，采用混沌振動(dòng)成型的混凝土預(yù)制件的密實(shí)度、均勻性等較傳統(tǒng)工藝能有較大改善。

參考文獻(xiàn)

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[2] 陳宜通.混凝土機(jī)械[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2002.

作者簡(jiǎn)介

劉曉星（1962一03），男，副教授。工作單位：昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院。