激振連桿機構(gòu)的應(yīng)力硬化振動分析

程虎豐 蔣冉

摘 要：利用三維設(shè)計軟件及其有限元分析插件對激振連桿機構(gòu)建模與動態(tài)特性分析，獲得激振連桿機構(gòu)的基本頻率即最低共振頻率。通過對激振連桿機構(gòu)加載不同數(shù)值的驅(qū)動角速度，讓激振連桿機構(gòu)獲得不同數(shù)值的離心力載荷。由于應(yīng)力硬化現(xiàn)象，不同的離心力載荷會改變激振連桿機構(gòu)的最低共振頻率，繪制出最低共振頻率和驅(qū)動角速度的曲線，避免共振產(chǎn)生的同時，為系統(tǒng)控制策略提供可靠的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：基本頻率 應(yīng)力硬化 離心力 共振

中圖分類號：TH11 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（c）-0002-02

現(xiàn)代化的設(shè)備對傳統(tǒng)的機構(gòu)要求速度越來越高，以提高生產(chǎn)效率；重量要求越來越輕巧，以降低成本。激振連桿機構(gòu)是食品生產(chǎn)自動化專門配備的機構(gòu)，它可以在保證產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動條件、降低生產(chǎn)成本、增強企業(yè)的競爭力等方面起到及其重要的作用。在實際工作過程中，激振連桿機構(gòu)在基本頻率即最低的共振頻率下會產(chǎn)生劇烈的振動。獲得激振連桿機構(gòu)共振頻率和驅(qū)動角速度的曲線，避免共振產(chǎn)生的同時，為系統(tǒng)控制策略提供可靠的數(shù)據(jù)，對提高生產(chǎn)效率和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量有著極其重要的作用。

1 激振連桿機構(gòu)的構(gòu)型

如圖1所示，中間位置為驅(qū)動連桿，可以加載整個結(jié)構(gòu)的運動角速度，運動的軸線為驅(qū)動連桿的長度方向上的中心軸線。驅(qū)動連桿的上端用圓柱運動副連接激振連桿的中部，而激振連桿的彎曲頭部為激振輸出部位，受恒力載荷，此恒力載荷也對整個連桿機構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力硬化作用。激振連桿在遠離彎曲頭的一端與二力連桿采取鉸鏈運動副連接。二力連桿的另外一端與調(diào)整滑塊采取鉸鏈運動副連接。調(diào)整滑塊與驅(qū)動連桿圓柱運動副連接。

2 激振連桿機構(gòu)的振動原理

本文以機械振動學(xué)為理論基礎(chǔ)，基于SolidWorks Simulation軟件，建立了激振連桿機構(gòu)三維模型，分析了激振連桿機構(gòu)振動模態(tài)與結(jié)構(gòu)的規(guī)律，為激振連桿機構(gòu)振動控制建立了理論依據(jù)。每種結(jié)構(gòu)都有它固有的振動頻率，稱之為共振頻率。這樣的頻率都和特定形式的振動聯(lián)系在一起。當共振頻率被激活時，將表現(xiàn)出一種振動的形態(tài)，稱之為振動模態(tài)。激振連桿機構(gòu)工作所受外力和由于旋轉(zhuǎn)角速度產(chǎn)生的離心力載荷將會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉應(yīng)力作用，這些拉應(yīng)力將會增加結(jié)構(gòu)剛性，增加的剛度稱為應(yīng)力剛度，將它添加到彈性剛度里面，也稱為形狀剛度。實際上高速旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)比其靜止的時刻更加堅硬。而增加的剛度會影響到結(jié)構(gòu)的共振頻率。拉力和壓力載荷會改變結(jié)構(gòu)體的抗彎能力。壓力會降低抗彎能力，這種現(xiàn)行被稱為應(yīng)力軟化。拉力能夠增加彎曲剛度，這種現(xiàn)象被稱為應(yīng)力硬化。應(yīng)力硬化和應(yīng)力軟化對于靜態(tài)分析和頻率分析都至關(guān)重要，因為它們會影響結(jié)構(gòu)體的最終剛度，進而改變結(jié)構(gòu)體對載荷的響應(yīng)及振動屬性。SolidWorks Simulation與SolidWorks完全集成的設(shè)計分析系統(tǒng)。SolidWorks Simulation提供了應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析等解決方案。所涉及的內(nèi)容有線性靜態(tài)、頻率、動態(tài)等分析。該軟件采用了有限元方法。有限元方法是一種用于分析工程設(shè)計的數(shù)字方法。有限元方法由于其通用性適合使用計算機來實現(xiàn)，因此已被公認為標準的分析方法。當SolidWorks Simulation進行頻率分析時探測到載荷時，將會考慮可能發(fā)生的應(yīng)力硬化和應(yīng)力軟化。

3 激振連桿機構(gòu)的振動模擬

激振連桿機構(gòu)是一個比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，建模時應(yīng)盡量簡化模型的規(guī)模，如管線、螺釘、倒角等對分析影響不大的部件或特征都可被忽略掉。激振連桿機構(gòu)主要由驅(qū)動連桿、激振連桿、二力連桿和調(diào)整滑塊組成。在SolidWorks軟件中建立模型，簡化模型如圖1所示。材質(zhì)選用304食品級不銹鋼，其彈性模量E=190GPa，泊松比μ=0.29，密度ρ=8000kg/m3。實體轉(zhuǎn)化為有限元模型后，采用網(wǎng)格自由劃分。

對產(chǎn)品進行模態(tài)分析，是產(chǎn)品新研制中不可缺少的重要步驟。通過對激振連桿機構(gòu)進行前1階的模態(tài)分析，獲得前1階固有頻率及振型。由模態(tài)分析可知，激振連桿機構(gòu)的運行轉(zhuǎn)速為1000RMP的角速度，其基本頻率為241.5Hz；運行轉(zhuǎn)速為2000RMP的角速度，其基本頻率為242.5Hz；運行轉(zhuǎn)速為3000RMP的角速度，其基本頻率為244.1轉(zhuǎn)速為4000RMP的角速度，其基本頻率為246.3Hz；運行轉(zhuǎn)速為5000RMP的角速度，其基本頻率為249.0Hz；運行轉(zhuǎn)速為6000RMP的角速度，其基本頻率為252.2。通過以上數(shù)據(jù)，擬合出如圖2所示的曲線，橫坐標為6個設(shè)計情形；縱坐標分別為240、245、250、255分割點，曲線的趨勢為浴盆形狀，說明角速度與基本頻率之間的關(guān)系，并非線性關(guān)系。

4 結(jié)語

應(yīng)用SolidWorks的Simulation功能，對激振連桿機構(gòu)建模進行結(jié)構(gòu)分析，通過建立三維模型，定義結(jié)構(gòu)接觸類型，賦予材質(zhì)屬性，指定機構(gòu)約束特征。獲得在一定轉(zhuǎn)速下的基本頻率。采用軟件的設(shè)計情形功能，加載系統(tǒng)外部載荷，改變其基本頻率，獲得激振連桿機構(gòu)的浴盆形狀的角速度與基本頻率之間曲線，即基本頻率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線圖。所獲得的曲線圖可以指導(dǎo)驅(qū)動機構(gòu)和傳動機構(gòu)的選型設(shè)計，也可以為控制系統(tǒng)加載的策略進行規(guī)劃提供數(shù)值依據(jù)。所以本文的設(shè)計方法為激振連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和系統(tǒng)控制提供了一種高效、可行的方法。

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