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激振连杆机构的变幅摆动力分析

更新时间:2009-03-28

现代化的设备对传统的机构要求速度越来越高,以提高生产效率;重量要求越来越轻巧,以降低成本。激振连杆机构是食品生产自动化专门配备的机构,它可以在保证产品质量、改善劳动条件、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到极其重要的作用。在实际工作过程中,激振连杆机构在基本频率即最低的共振频率下会产生剧烈的振动。通过三维设计软件及其动力学分析插件,获得激振连杆机构对整个产品产生的摆动力和时间的曲线,避免共振产生的同时,为系统控制策略提供可靠的数据,对提高生产效率和稳定产品质量有着极其重要的作用。

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1 激振连杆机构的构型

如图1所示,中间位置为驱动连杆,可以加载整个结构的运动角速度,运动的轴线为驱动连杆的长度方向上的中心轴线。驱动连杆的一端用圆柱运动副连接激振连杆的中部,而激振连杆的弯曲头部为激振输出部位,受恒力载荷,此恒力载荷也是对整个连杆机构产生摆动力的主要诱因。激振连杆在远离弯曲头的一端与二力连杆采取铰链运动副连接。二力连杆的另外一端与调整滑块采取铰链运动副连接,调整滑块与驱动连杆圆柱运动副连接,驱动连杆的一端与产品基础进行转动副连接。激振连杆机构含有两个自由度:一个是输入驱动连杆的角速度;另一个是调整滑块与驱动连杆圆柱一端的距离定义为位姿间距。激振连杆机构的位姿间距数值改变,导致机构构型的改变,机构的质量分布,惯量比等动力学特性也随之改变,在相同的运行角速度机构的离心惯性力也随之改变。

  

图1 激振连杆机构载荷图

  

图2 基本频率与角速度曲线

2 激振连杆机构的平衡原理

本文以机械动力学为理论基础,基于S ol idWork s Motion软件,建立了激振连杆机构三维模型,分析了激振连杆机构位姿间距与摆动力的规律,为激振连杆机构动力学控制建立了理论依据。每种结构都有它固有的振动频率,称之为共振频率。这样的频率都和特定形式的振动联系在一起。当共振频率被激活时,将表现出一种振动的形态,称之为振动模态。激振连杆机构加载位姿间距与时间的变量、所受外力和由于旋转角速度产生的离心力载荷为机构动力学软件模拟的输入量,经过动力学软件的分析获得激振连杆机构对整个产品的摆动力与时间的曲线,摆动力是产品结构共振产生的载荷激励,载荷激励将会引起共振。所以摆动力分析至关重要。

3 激振连杆机构的摆动力模拟

激振连杆机构是一个比较复杂的结构,建模时应尽量简化模型的规模,如管线、螺钉、倒角等对分析影响不大的部件或特征都可被忽略掉。激振连杆机构主要由驱动连杆、激振连杆、二力连杆、调整滑块和产品基础共计5个部分组成。在SolidWorks软件中建立模型,简化模型如图1所示,产品基础与驱动连杆、二力连杆与调整滑块和激振连杆此三处为机械配合的铰链。驱动连杆与调整滑块和激振连杆此两处为同心配合,两个同心配合互为正交。一个马达带动驱动连杆按照一定角速度旋转,运动参照物为产品基础。另外一个马达带动调整滑块以一定速度直线运动,运动方向为远离产品基础,运动参照物为产品基础。摆动力输出为产品基础与驱动连杆机械配合的铰链,运动参照物为产品基础。材质选用304食品级不锈钢,其弹性模量E=190GPa,泊松比μ=0.29,密度ρ=8000kg/m3

对产品进行摆动力分析,是产品新研制中不可缺少的重要步骤。通过对激振连杆机构进行动力学分析,激振连杆机构运行的角速度为127RMP, 激振连杆的弯曲头部为激振输出部位,受恒力载荷583N,运行时间为3s。位姿间距定义为调整滑块与驱动连杆圆柱一端的距离,且调整范围为5~35mm。本仿真在机构运行时间3s内,位姿间距由5mm向35mm变化,方向为调整滑块相对于产品基础远离运动。经过三维建模软件及其动力学模块的分析,获得激振连杆机构的关键位置即驱动连杆与产品基础装配安装铰链处的摆动力和时间的机械动力学分析数值曲线。如图2所示,摆动力随时间的变化线,横坐标为响应时间3s,纵坐标为摆动力变化,其波峰峰值为963N,其波谷值为-786N;当位姿间距由5mm向35mm变化,摆动力的幅度变小,拟合出曲线的趋势为变幅度的正弦波形状,说明,位姿间距与摆动力之间的关系,并非线性关系。

4 结语

应用三维设计软件及其动力学分析插件,对激振连杆机构建模并进行动力学的平衡分析,通过建立三维模型,定义结构类型,赋予材质属性,指定机构约束特征。获得在一定转速下的,位姿间距与摆动力关系。采用软件的动力学模块功能,加载系统外部载荷,改变其位姿间距,获得激振连杆机构的变幅度正弦形状的摆动力与时间之间曲线,即是摆动力与位姿间距变化的曲线图。所获得的曲线图可以指激振连杆导驱动机构和激振连杆传动机构的选型设计,也可以为控制系统加载的策略进行规划提供数值依据。所以,本文的设计方法为激振连杆机构的结构优化设计和系统控制提供了一种高效、可行的方法。

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参考文献

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程虎丰,蒋冉
《科技创新导报》 2018年第07期
《科技创新导报》2018年第07期文献

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