基于ADAMS的混凝土振動(dòng)攪拌機(jī)振動(dòng)特性分析

孫博士,杜輝輝,周昱豪,黃益之

長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710064

0 引言

混凝土是膠凝材料將骨料膠結(jié)而成的固體復(fù)合材料,是建筑工程和道路施工的主要材料,其均勻度和強(qiáng)度是最重要的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]。在攪拌振動(dòng)的過(guò)程中,對(duì)混合料施加振動(dòng),有效降低了混合料的內(nèi)摩擦力和黏聚力,破壞水泥顆粒的聚集狀態(tài),加快水泥等膠凝材料的水化反應(yīng),使混凝土在宏觀和微觀都能快速達(dá)到均勻[2]。Lobanov et al.[3]分析了振動(dòng)參數(shù)與混合料塑性黏度和剪切應(yīng)力的關(guān)系,推導(dǎo)出振動(dòng)對(duì)混合料狀態(tài)的影響方程。劉慧明[4]對(duì)雙臥軸振動(dòng)攪拌機(jī)的振動(dòng)分布情況進(jìn)行研究,通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試和模態(tài)分析研究振動(dòng)攪拌裝置的振動(dòng)傳播規(guī)律。王玄豐[5]發(fā)現(xiàn)振動(dòng)攪拌過(guò)程中,不同振動(dòng)參數(shù)產(chǎn)生的附加載荷會(huì)影響攪拌機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。以上研究主要側(cè)重于振動(dòng)參數(shù)對(duì)混合料均勻度和設(shè)備可靠性的探討,對(duì)振動(dòng)攪拌裝置振動(dòng)特性的影響考慮不充分。

混凝土振動(dòng)攪拌機(jī)是一種新型攪拌設(shè)備。與傳統(tǒng)強(qiáng)制攪拌技術(shù)相比,采用振動(dòng)與強(qiáng)制攪拌相結(jié)合的方式,提高了混凝土攪拌質(zhì)量和效率[6]?；炷琳駝?dòng)攪拌機(jī)的振動(dòng)特性對(duì)機(jī)器可靠性和混凝土攪拌質(zhì)量有顯著影響。本文結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際情況,建立了單端偏心激振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)攪拌裝置模型,使用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析(ADAMS)軟件對(duì)不同工況下的振動(dòng)攪拌模型進(jìn)行仿真,研究了不同振動(dòng)參數(shù)對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響。最后,對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,為混凝土振動(dòng)攪拌機(jī)振動(dòng)參數(shù)的選取提供了一定參考。

1 混凝土振動(dòng)攪拌機(jī)工作原理及振動(dòng)參數(shù)

1.1 攪拌機(jī)工作原理

振動(dòng)攪拌機(jī)攪拌裝置分為攪拌端和振動(dòng)端。在攪拌端,2個(gè)攪拌軸在攪拌驅(qū)動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下同步反向運(yùn)轉(zhuǎn),對(duì)拌缸內(nèi)的混合料進(jìn)行強(qiáng)制攪拌。在振動(dòng)端,2個(gè)獨(dú)立的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)激振器與攪拌裝置相連,將振動(dòng)直接傳遞給攪拌裝置。目前,混凝土振動(dòng)攪拌機(jī)攪拌裝置主要采用單端偏心激振結(jié)構(gòu),振動(dòng)攪拌裝置簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1—振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī);2—振動(dòng)傳動(dòng)軸;3—支承軸承;4—偏心軸承座;5—激振器;6—振動(dòng)端軸承;7—攪拌端軸承;8—攪拌驅(qū)動(dòng)電機(jī);9—攪拌軸;10—攪拌缸;11—拌臂及葉片。圖1 振動(dòng)攪拌裝置簡(jiǎn)圖

振動(dòng)傳動(dòng)軸與攪拌軸連接處存在偏心軸段,攪拌軸回轉(zhuǎn)軸線與振動(dòng)軸回轉(zhuǎn)軸線存在夾角,攪拌驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)攪拌軸圍繞自身軸線做定軸轉(zhuǎn)動(dòng),振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)振動(dòng)軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí),偏心軸段使攪拌軸繞著振動(dòng)軸軸線做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。攪拌軸的整體運(yùn)動(dòng)可以看作一個(gè)復(fù)合運(yùn)動(dòng),其振動(dòng)端是類錐擺的圓周運(yùn)動(dòng)。在攪拌過(guò)程中,攪拌裝置中的攪拌軸和拌臂及葉片時(shí)刻受到振動(dòng)激勵(lì),產(chǎn)生振動(dòng)。攪拌裝置在拌缸內(nèi)對(duì)混合料進(jìn)行強(qiáng)制攪拌時(shí),使混合料也處于顫振狀態(tài),提高了混合料攪拌效率和質(zhì)量。試驗(yàn)證明,混凝土振動(dòng)攪拌機(jī)在攪拌過(guò)程中只需達(dá)到3～5g(1g=9.8 m/s2)的振動(dòng)強(qiáng)度,就能達(dá)到良好的攪拌效果,在確保軸承壽命和機(jī)器穩(wěn)定性的同時(shí),還能保證混凝土的攪拌質(zhì)量[7]。

1.2 攪拌機(jī)振動(dòng)參數(shù)

振動(dòng)攪拌的主要振動(dòng)參數(shù)是振動(dòng)強(qiáng)度D、激振頻率f和激振器振幅A。攪拌機(jī)的振動(dòng)強(qiáng)度公式如下。

(1)

式中:振動(dòng)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)角頻率ω=2πf是振動(dòng)參數(shù)之一,激振器振幅A等于振動(dòng)軸上偏心軸徑的偏心距e,g為重力加速度。

理論上,混凝土進(jìn)行振動(dòng)攪拌時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度越高,越容易破壞混合料內(nèi)部的黏聚結(jié)構(gòu),縮短攪拌時(shí)間,使混合料更快達(dá)到均勻。然而振動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致機(jī)器本身在附加慣性力和慣性力矩的作用下,產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng),從而降低設(shè)備的可靠性。因此,需要選擇合理的振動(dòng)參數(shù),在滿足機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的同時(shí),為混合料提供良好的振動(dòng)攪拌效果。

2 模型建立與仿真

2.1 模型建立

采用SolidWorks建模軟件對(duì)單軸振動(dòng)攪拌裝置進(jìn)行建模。本次仿真針對(duì)振動(dòng)攪拌機(jī)的工作原理建立1個(gè)簡(jiǎn)化模型,在基本不減小攪拌裝置剛度和質(zhì)量的前提下,去掉攪拌裝置不必要特征。為確保在ADAMS中,滿足攪拌軸運(yùn)動(dòng)自由度需求,攪拌軸兩端的調(diào)心滾子軸承均使用關(guān)節(jié)軸承代替。振動(dòng)攪拌裝置測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示。為研究振動(dòng)攪拌系統(tǒng)的振動(dòng)特性,在攪拌軸和振動(dòng)軸上均標(biāo)記5個(gè)測(cè)點(diǎn),其中側(cè)點(diǎn)3和側(cè)點(diǎn)C分別位于振動(dòng)軸與傳動(dòng)軸的質(zhì)心處,側(cè)點(diǎn)5、側(cè)點(diǎn)B和側(cè)點(diǎn)D位于支撐軸承質(zhì)心處,側(cè)點(diǎn)1位于攪拌軸振動(dòng)端最大偏心距處,所有測(cè)點(diǎn)均布置在各軸軸線上。

圖2 振動(dòng)攪拌裝置測(cè)點(diǎn)分布圖

2.2 添加約束和驅(qū)動(dòng)

模型導(dǎo)入ADAMS后,各個(gè)零件是獨(dú)立狀態(tài),需要對(duì)每個(gè)部件進(jìn)行連接,組成一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)。將單軸振動(dòng)攪拌裝置三維模型以Parasolid格式導(dǎo)入ADAMS中,添加各零件材料為steel,給模型添加運(yùn)動(dòng)副,兩端關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)外圈添加球鉸副。在振動(dòng)軸與振動(dòng)軸承座之間添加軸承模塊,軸承與軸和軸承座之間的碰撞接觸使用ADAMS中的沖擊函數(shù)法進(jìn)行模擬計(jì)算。其他部件之間均為固定副。同時(shí)為滿足多自由度驅(qū)動(dòng)需求,使用點(diǎn)驅(qū)動(dòng)代替轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)攪拌裝置的振動(dòng)與攪拌相結(jié)合,對(duì)振動(dòng)攪拌裝置同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析。

2.3 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究振動(dòng)參數(shù)對(duì)振動(dòng)攪拌模型的振動(dòng)特性影響,以偏心距e和振動(dòng)頻率f作為變量,進(jìn)行仿真試驗(yàn),仿真試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 仿真試驗(yàn)方案

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真驗(yàn)證分析

導(dǎo)入ADAMS添加運(yùn)動(dòng)關(guān)系,標(biāo)記測(cè)點(diǎn)如圖2所示,振動(dòng)頻率f為35 Hz,偏心距e為1.0 mm,設(shè)置仿真時(shí)間5 s,仿真步數(shù)5 000步。測(cè)點(diǎn)1的振動(dòng)加速度如圖3所示,因?yàn)閭鲃?dòng)軸與振動(dòng)軸承座使用了ADAMS軸承模塊,在啟動(dòng)階段,測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度存在劇烈波動(dòng),運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后,曲線為正弦波形,以攪拌軸軸向方向?yàn)閦方向,則測(cè)點(diǎn)1在x、y方向正弦波相位差約為90°。圖4是攪拌軸上各測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)位置隨時(shí)間變化情況,在x、y方向,從攪拌軸的振動(dòng)端向攪拌端,各測(cè)點(diǎn)振幅與各測(cè)點(diǎn)軸向位置為線性遞減關(guān)系。由此可知攪拌軸的振動(dòng)特性符合規(guī)則的圓錐振動(dòng)分布。

圖3 測(cè)點(diǎn)1振動(dòng)加速度在x、y方向隨時(shí)間變化曲線

圖4 攪拌軸上各測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)位置隨時(shí)間變化情況

3.2 振動(dòng)特性分析

振動(dòng)參數(shù)對(duì)振動(dòng)分布的影響如圖5所示。

圖5 振動(dòng)參數(shù)對(duì)振動(dòng)分布的影響

由圖5(a)可以看出,在相同偏心距e下,攪拌軸上的振動(dòng)強(qiáng)度由近振端到攪拌端呈線性衰減,即各點(diǎn)振動(dòng)強(qiáng)度與振動(dòng)頻率成正比。由圖5(b)可以看出,在相同振動(dòng)頻率f下,振動(dòng)分布規(guī)律相似,各點(diǎn)振動(dòng)強(qiáng)度的大小與偏心距e成正比。將兩圖進(jìn)行對(duì)比分析可以看出,與最大偏心距相比,振動(dòng)頻率對(duì)振動(dòng)強(qiáng)度的影響更顯著。由式(1)可知,這是因?yàn)檎駝?dòng)強(qiáng)度與振幅A成正比,與振動(dòng)角頻率ω2成正比,角頻率增加1倍,振動(dòng)強(qiáng)度則增加4倍,符合位移振動(dòng)模型的振動(dòng)規(guī)律。圖5(c)、(d)表明在攪拌過(guò)程中,振動(dòng)軸將部分振動(dòng)能量通過(guò)激振器傳遞到振動(dòng)軸上。振動(dòng)軸上的振動(dòng)強(qiáng)度由兩端向中間遞減,呈現(xiàn)“中間小,兩邊大”的振動(dòng)分布規(guī)律。由圖2可知,E點(diǎn)與A點(diǎn)相比更靠近軸承,軸承支撐力更大。而且A點(diǎn)遠(yuǎn)離攪拌軸振動(dòng)端,受到的附加載荷更大。這使得振動(dòng)軸上測(cè)點(diǎn)A振動(dòng)強(qiáng)度總是略大于E,符合振動(dòng)分布規(guī)律。以上仿真表明,振動(dòng)參數(shù)對(duì)兩軸上振動(dòng)強(qiáng)度大小的影響較大,對(duì)兩軸的振動(dòng)分布規(guī)律無(wú)明顯影響。

由于振動(dòng)端與機(jī)架固定,考慮到傳動(dòng)軸的振動(dòng)幅度過(guò)大時(shí),使軸承的附加反動(dòng)力過(guò)大,導(dǎo)致機(jī)器的穩(wěn)定和可靠性差。因此,需要在增加攪拌軸振動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí),盡可能降低振動(dòng)軸的振動(dòng)強(qiáng)度。從圖5(c)、(d)可以看出,振動(dòng)軸上振動(dòng)強(qiáng)度受到振動(dòng)頻率影響更顯著。因?yàn)榛炷潦嵌嘞嗷旌喜牧?當(dāng)振動(dòng)角頻率ω接近或達(dá)到其共振頻率時(shí),振動(dòng)攪拌效果比較理想。且需要避免激振裝置的固有頻率,防止振動(dòng)攪拌機(jī)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。當(dāng)振動(dòng)參數(shù)振動(dòng)頻率f為35 Hz,偏心距e為1.0 mm時(shí),能夠滿足攪拌軸振動(dòng)強(qiáng)度需求,同時(shí)振動(dòng)軸振動(dòng)強(qiáng)度較低,振動(dòng)參數(shù)選擇比較合理。

4 結(jié)論

1)基于振動(dòng)攪拌機(jī)原理,建立了振動(dòng)攪拌裝置模型,滿足了ADAMS中攪拌軸與傳動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)需求,驗(yàn)證了仿真模型攪拌軸的振動(dòng)特性符合圓錐振動(dòng)模型。

2)攪拌軸的振動(dòng)強(qiáng)度會(huì)影響振動(dòng)軸的振型,使振動(dòng)軸呈現(xiàn)“兩邊大,中間小”的振動(dòng)規(guī)律。攪拌軸上的每個(gè)測(cè)點(diǎn)符合正弦波運(yùn)動(dòng)規(guī)律,各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度從近振端向攪拌端呈現(xiàn)線性遞減規(guī)律。

3)通過(guò)仿真試驗(yàn)可知,振動(dòng)參數(shù)對(duì)兩軸上振動(dòng)強(qiáng)度大小的影響較大,對(duì)軸上振動(dòng)分布規(guī)律無(wú)明顯影響。選擇合理的振動(dòng)參數(shù),能夠保證振動(dòng)攪拌效果的同時(shí),加強(qiáng)機(jī)器的穩(wěn)定性和可靠性。本研究對(duì)振動(dòng)攪拌裝置振動(dòng)參數(shù)的選取提供了參考。