基于虛擬樣機技術(shù)的新型機械式激振器的仿真分析

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(石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043)

0 引言

傳統(tǒng)的機械設計研發(fā)通常根據(jù)結(jié)構(gòu)設計參數(shù)進行實物制造，將測試數(shù)據(jù)與理論分析進行對比，并根據(jù)對比結(jié)果對實物進行優(yōu)化。這就造成了每次分析優(yōu)化后都需要對實物進行結(jié)構(gòu)重建，不僅耗費了大量人力和財力，同時也增加了新產(chǎn)品研發(fā)的成本，得不償失[1]。虛擬樣機技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上解決了傳統(tǒng)設計方法面臨的難題，通過計算機軟件對虛擬樣機進行三維建模，針對產(chǎn)品在不同工況下的實際工作情況進行仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果對產(chǎn)品的整體性能進行預測，并改進優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，從而提高產(chǎn)品性能[2]。虛擬樣機技術(shù)在很大程度上使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計的正確性和合理性得到了保證，同時大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，并且在提高設計質(zhì)量的同時，降低了設計成本。

目前，在振動實驗中為試件提供激振力的設備主要有力錘、激振器和振動臺等，其中激振器是振動力學實驗中最關(guān)鍵的設備，并且現(xiàn)代工業(yè)中所涉及到的大多數(shù)振動機械主要是通過電動機驅(qū)動激振器來進行工作的[3-4]。機械式激振器作為激振器的代表，具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝拆卸方便等特點，在工程技術(shù)領域得到了廣泛的應用[5]。結(jié)合傳統(tǒng)機械式激振器的工作原理以及結(jié)構(gòu)特點，本文提出了一種新型機械式激振器[6]，并對其整體結(jié)構(gòu)進行了介紹，利用MATLAB軟件編制了相應的程序?qū)π滦蜋C械式激振器在運動過程中產(chǎn)生的激振力進行了算例分析，最后利用Solidworks和ADAMS軟件聯(lián)合建立了新型機械式激振器的虛擬樣機，并對其工作過程進行了仿真，不僅節(jié)省了時間和精力，同時也對理論分析結(jié)果進行了驗證[7-8]。新型機械式激振器最大的研究意義是在一定程度上保證了當激振頻率從低頻到高頻變化時,整個裝置在豎直方向產(chǎn)生的激振力的最大幅值在較小范圍內(nèi)變化的效果,對激振器的研究具有重要的理論及實際意義。

1 新型機械式激振器介紹

本文設計了一種新型機械式激振器，包括傳動裝置、軸承、驅(qū)動裝置、聯(lián)軸器、連接罩、偏心裝置、軸承端蓋、花鍵軸一、花鍵軸二及箱體。偏心裝置采用對稱結(jié)構(gòu)安裝，偏心塊與質(zhì)量塊反向布置。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 新型機械式激振器

新型機械式激振器的工作原理是驅(qū)動裝置將輸出的動力通過聯(lián)軸器傳遞給花鍵軸一，花鍵軸一上的齒輪一與花鍵軸二上的齒輪二嚙合，花鍵軸一和花鍵軸二以w的激振頻率反向旋轉(zhuǎn)，同時帶動偏心裝置同步轉(zhuǎn)動。由于偏心裝置的對稱性，整個偏心裝置在水平方向產(chǎn)生的激振力的合力為零，質(zhì)量塊m在豎直方向上產(chǎn)生的激振力對偏心塊M在垂直方向上產(chǎn)生的激振力部分抵消，使得整個激振器產(chǎn)生的激振力在豎直方向上的合力相互疊加。隨著激振頻率w在一定范圍內(nèi)變化時，使得新型機械式激振器產(chǎn)生的激振力達到在較小范圍內(nèi)變化的效果。

2 算例分析

由新型機械式激振器的結(jié)構(gòu)可知，整個裝置產(chǎn)生的激振力由偏心裝置產(chǎn)生。因此，激振力的大小由偏心裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。偏心裝置由偏心裝置一、偏心裝置二、偏心裝置三及偏心裝置四4個部分組成，它們的結(jié)構(gòu)相同且對稱布置，因此僅對偏心裝置一進行分析。偏心裝置一的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

其中偏心裝置一的連桿AB的長度為l，連桿BC的長度為al，連桿BD的長度為bl，連桿的線密度為m0，彈簧原長為(1+b)l，彈簧剛度為k，銷軸連接處的質(zhì)量為m′，偏心塊M對應的偏心距為E，質(zhì)量塊m對應的偏心距e，其中偏心距E與偏心距e反向布置，連桿AC和連桿AD之間的夾角為φ。

利用MATLAB優(yōu)化工具箱[9]對偏心裝置一的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化后得到的優(yōu)化結(jié)果如下：a=1，b=0.7，m=0.1 kg，l=0.1 m，M=0.6 kg，E=0.02 m，k=30 N/mm，m0=2 g·cm-3，m′=0.1 kg。當φ在5°～36.5°變化時，新型機械式激振器產(chǎn)生的激振力與傳統(tǒng)機械式激振器產(chǎn)生的激振力進行對比，如圖3所示。

圖2 偏心裝置一的結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 新型機械式激振器與 傳統(tǒng)機械式激振器產(chǎn)生的激振力比較

由圖3可以得到，當激振頻率w在18～174 rad·s-1之間變化時，傳統(tǒng)激振器產(chǎn)生的激振力在16～1 200 N之間變化，而新型機械式激振器產(chǎn)生的激振力變化范圍為16～140 N。由此可以看出，傳統(tǒng)機械式激振器由于偏心塊的質(zhì)量和偏心距的大小固定不變，使得激振力以w2的倍數(shù)增加，當激振器在高頻狀態(tài)下工作時，產(chǎn)生的激振力很大；而當新型機械式激振器的激振頻率從低頻到高頻變化時，激振力先增大后減小，且在較小范圍內(nèi)變化，達到了預期的效果。

3 新型機械式激振器的三維建模與仿真分析

3.1 新型機械式激振器三維模型的建立

在進行虛擬樣機的仿真分析之前，首先需要建立一個合格的三維模型，這將直接影響到后期的仿真效果。本文利用Solidworks軟件建立新型機械式激振器的三維模型，如圖4所示。

由于新型機械式激振器的偏心裝置、齒輪等各軸向均已定位，因此最可能發(fā)生干涉對的地方是用于傳動的齒輪之間以及偏心裝置的連桿與花鍵套之間，所以需要對這些零部件進行干涉檢驗。檢驗結(jié)果顯示各個齒輪之間均為正常嚙合，偏心裝置的連桿與花鍵套之間不存在干涉。

3.2 新型機械式激振器虛擬樣機的建立

采用Parasolid格式輸出數(shù)據(jù)的方式，將新型機械式激振器的三維模型導入到ADAMS/View軟件中，如圖5所示。經(jīng)檢查，導入的新型機械式激振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)均無誤。

圖4 新型機械式激振器的實體模型

圖5 導入到ADAMS后的新型機械式激振器模型

由于新型機械式激振器的的結(jié)構(gòu)涉及到的零部件較多，整體仿真誤差較大，又因為仿真結(jié)果主要與偏心裝置有關(guān)，偏心裝置包括的偏心裝置一、偏心裝置二、偏心裝置三以及偏心裝置四的結(jié)構(gòu)相同且對稱安裝，因此僅對花鍵軸一與偏心裝置一等零部件組成的結(jié)構(gòu)進行仿真即可，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 簡化后的激振器模型

通過分析新型機械式激振器的結(jié)構(gòu)組成、運動規(guī)律以及各零件間的裝配關(guān)系，對簡化后的激振器模型添加的約束如下：花鍵軸一和大地之間添加旋轉(zhuǎn)副約束；偏心裝置一中的連桿一和連桿固定之間添加旋轉(zhuǎn)副約束，連桿二和花鍵套之間添加旋轉(zhuǎn)副約束，連桿一和連桿二之間添加旋轉(zhuǎn)副約束，花鍵套和花鍵軸一之間添加移動副約束，偏心塊和花鍵套之間添加固定副約束，質(zhì)量塊和連桿一之間添加固定副約束。簡化后的激振器虛擬樣機共使用10個約束副，包括1個移動副，2個固定副以及7個旋轉(zhuǎn)副。不考慮各個運動副之間的摩擦。

為了更好地模擬新型機械式激振器運動特性，需要對激振器添加驅(qū)動。由于新型機械式激振器是由電動機直接驅(qū)動的，主動軸與電機通過聯(lián)軸器連接。在主動軸即花鍵軸一上添加的旋轉(zhuǎn)副處施加一個旋轉(zhuǎn)運動即可達到電動機驅(qū)動的效果。為了更加真實地模擬激振器的運動情況，需要在旋轉(zhuǎn)運動中添加STEP函數(shù)：

Function(time)=STEP(time,0,1 032d,10,7 788d)(time為時間變量)

此函數(shù)的含義為：激振器的轉(zhuǎn)速在10 s內(nèi)從172 r/min增加到1 662 r/min(轉(zhuǎn)換為激振頻率即為18 ～174 rad·s-1)。由于ADAMS/View中轉(zhuǎn)速的單位為°/s，進行單位轉(zhuǎn)化后即為激振器的轉(zhuǎn)速,在10 s內(nèi)從1 032 °/s增加到9 972 °/s。

由于導入到ADAMS/View軟件中新型機械式激振器的模型中的彈簧是剛性的，無法實現(xiàn)彈簧的壓縮，因此需要將模型中原有的彈簧去除，在ADAMS/View中重新創(chuàng)建彈簧。在運轉(zhuǎn)過程中，新型機械式激振器所受到的載荷包括：偏心塊產(chǎn)生的激振力、質(zhì)量塊產(chǎn)生的激振力，連桿產(chǎn)生的激振力，彈簧的彈力，花鍵套與花鍵軸之間的作用力等。其中偏心塊所產(chǎn)生的激振力的施加過程如下：單擊單向力按鈕，選擇Two Bodies選項，在圖形中選擇偏心塊與花鍵軸的中心確定慣性力的方向，通過選擇Modify選項中的Function添加激振力的計算公式，如圖7所示。質(zhì)量塊所產(chǎn)生的激振力的施加過程同上。

在之前的屬性修改中，新型機械式激振器的零件特性已經(jīng)定義，因此激振器在運行過程中產(chǎn)生的其它作用力由ADAMS/Solver求解器在后臺自動計算。至此，新型機械式激振器的虛擬樣機建立完成。

3.3 基于虛擬樣機的仿真分析

在ADAMS/View中，點擊仿真按鈕，在系統(tǒng)彈出的仿真對話框中設置仿真時間和步長，單擊開始仿真按鈕，對模型進行仿真，如圖8所示。由圖8可知，在運動過程中，隨著時間的增加，激振器的轉(zhuǎn)速不斷增加，使得偏心塊和質(zhì)量塊產(chǎn)生的激振力均不斷增大，在慣性的作用下，質(zhì)量塊不斷向外運動，質(zhì)量塊的偏心距不斷變大。

圖7 激振力的修改

圖8 激振器虛擬樣機仿真

仿真結(jié)束后，進入ADAMS/PostProcessor后處理模塊，觀察仿真結(jié)果。整個新型機械式激振器產(chǎn)生的激振力曲線如圖9所示。

圖9 整個新型機械式激振器的激振力曲線圖

由圖9可知，隨著時間的增加，激振器的振頻率由18 rad·s-1增大到174 rad·s-1，整個新型機械式激振器產(chǎn)生的激振力在10～135 N之間變化，ADAMS動態(tài)仿真分析結(jié)果與靜態(tài)分析下的理論結(jié)果之間存在一定誤差，但在誤差允許的范圍內(nèi)。因此，動態(tài)仿真得到的激振力的變化情況與本文第二節(jié)算例分析中得到的激振力變化情況基本相符。由此可以看出新型機械式激振器的仿真分析結(jié)果驗證了理論分析的合理性，說明激振器的結(jié)構(gòu)設計合理，滿足設計要求。

4 結(jié)論

本文基于傳統(tǒng)機械式激振器的工作原理，設計了一種新型機械式激振器，對其結(jié)構(gòu)組成以及工作原理進行了介紹，根據(jù)優(yōu)化得到的偏心裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)對新型機械式激振器在運動過程中產(chǎn)生的激振力進行了算例分析，利用Solidworks軟件建立了新型機械式激振器的三維實體模型，將實體模型導入到ADAMS/View軟件進行動力學仿真分析，得出了激振力隨時間變化的曲線，激振力在10～135 N之間，并與理論分析結(jié)果進行對比，可以確定新型機械式激振器的結(jié)構(gòu)設計合理，滿足設計要求，具有較高的研究價值。