基于虛擬樣機技術的振動輸送機動力學研究

趙浩東，程林峰

（山東中煙工業有限責任公司 濟南卷煙廠，濟南 250104）

0 引 言

振動輸送機是煙草工業重要的物料輸送設備，主要適用于葉片、葉絲、煙梗、梗絲在制造過程中的連續生產線上。工作時，由電機通過皮帶驅動偏心軸旋轉，經連桿使搖桿擺動，從而使槽體往復運動，達到輸送物料的目的。振動輸送機的振幅和頻率對物料的輸送效果有著直接的影響。為了得到適合生產工況的振幅和振頻，需要對設備進行改造，基于實際經驗的改造只能對設備參數進行定性分析，難以達到目標，而且一旦出現問題，就需要重新設計改造，這是一個反復的過程，浪費了大量人力物力。

目前，國內制造廠家大多是基于傳統的制造經驗，很少進行精確的數值分析，只有少量文獻運用解析法對振動輸送機的運動學［1-3］與動力學［4-5］做了探討。本文利用虛擬樣機技術在計算機平臺下對設備運行情況進行了虛擬仿真及數值分析。

1 虛擬樣機模型的建立

聯合應用三維建模平臺Pro/E、動力學仿真平臺ADAMS 等建立振動輸送機的虛擬樣機模型，該虛擬樣機與設備的實際尺寸、材料、傳動系統等參數具有一致性，可以仿真實際設備的運行情況，通過對虛擬樣機進行仿真，可以對振動輸送機的振幅、頻率等參數進行定量分析及實時跟蹤，為設備的維修、改造提供技術支持與理論依據。建立虛擬樣機的的流程如圖1 所示。

圖1 建模流程圖

1.1 三維模型的建立

振動輸送機主要由機架、槽體、搖桿、傳動裝置等組成。利用參數化建模的思想分別對各零件進行建模，需要注意的是建模時所有零件的單位必須設定成“mm·kg·s”，按照零件的位置關系進行裝配，最終得到設備的總裝模型,并進行干涉檢查。振動輸送機主要部件的模型與總裝模型如圖2 所示。

1.2 數據模型傳遞

圖2 振動輸送機三維模型

為了由振動輸送機的三維模型得到系統的虛擬樣機模型，首先需要進行模型數據轉換，即將已經建立的三維模型的信息傳遞到動力學建模平臺ADAMS 中。ADAMS軟件具有實用的Parasolid 輸入、輸出功能，可以輸入由三維建模平臺生成的Parasolid 文件，即將機構的三維模型保存為.x_t 格式，通過ADAMS/Exchange 模塊導入ADAMS 中。這種方法簡便易行，但是這種方法的缺點是容易造成模型失真。

為了解決這個問題，考慮使用Pro/E 與ADAMS 間的專用接口Mechansm/Pro，該接口實現了Pro/E 與ADAMS的無縫集成。通過該接口，可以將裝配體無需退出建模環境直接傳遞到ADAMS 中，且不存在模型失真的現象。

1.3 模型參數定義

表1 關鍵零部件間的約束關系

導入ADAMS 軟件中的模型僅包含了機構零件間的相對位置關系信息、幾何特征信息，還不能稱之為虛擬樣機。因此需要對模型進行進一步的參數定義。振動輸送機虛擬樣機模型包含的基本信息應包括：環境信息、質量（轉動慣量）信息、約束信息、驅動信息。模型參數的定義在Adams/View 環境中完成。其中關鍵零部件間的約束關系如表1 所示。

為了保證仿真的順利進行，排除建模中存在的錯誤，需要對已經建立的模型進行校驗。模型校驗主要是檢查模型中約束的類型和數量、驅動數量、自由度數、是否存在冗余約束等。得到振動輸送機的虛擬樣機如圖3 所示。

2 仿真分析

振動輸送機的傳動形式為帶傳動，研究對象的電機類型為Y132S-6 型三相異步電動機，在電機軸上添加驅動進行仿真，得到振槽的沿X、Y、Z 3 個方向的振動曲線，如圖4 所示。通過分析發現，振槽在X、Y 方向振動，在Z 方向沒有振動，與實際情況相符合，在X方向的振幅為0.048 m，在Y 方向的振幅為0.02 m，振槽的振動周期與大帶輪的轉動周期一致。

振槽的振動速度對物料拋送的遠近有重要影響。而振槽振動頻率決定了振槽振動速度的大小，通過仿真分析發現，振頻和大帶輪轉動頻率一致，圖5 為大帶輪轉速分別在300 r/min、600 r/min 時，振槽在一個振動周期內的速度變化曲線。轉速為600 r/min時，振槽最大速度達到1.658 m/s，轉速為300 r/min 時，振槽最大速度為0.829 m/s，恰好為前者的一半。振槽速度的大小可以改變帶傳動的傳動比來實現，亦可通過電機調速來實現。

圖3 振動輸送機虛擬樣機模型

圖4 振動輸送機振動情況

圖5 振槽速度變化曲線

圖6 不同負載下的輸送機啟動時的速度變化情況

在電機功率、傳動比、結構形式一定的條件下，振動輸送機的輸送能力是有限的。圖6 是負載分別為50 kg、70 kg 時 輸送機啟動時的速度變化情況。在設備開始啟動的時候，負載越大，設備由啟動到穩定工作的時間越長，若負載過大，超過輸送機的承載能力，設備將不能正常工作。

3 結 論

1）聯合應用三維建模平臺和多體動力學仿真平臺建立了振動輸送機的虛擬樣機模型。

2）通過仿真分析，得到了振槽振幅與振頻等指標的精確數值，得到了振槽頻率與運行速度的關系以及負載對輸送機輸送能力的影響，為設備技術革新提供了理論依據。

［1］ 胡開文，潘曉陽.COMAS 振動輸送機的研究［J］.華東理工大學學報，1999，25（4）：401-404.

［2］ 任蘭柱，郭斌，鄭麗影，等.振動輸送機運動學參數的半解析半數值方法［J］.煤礦機械，2007，28（7）：7-8.

［3］ 趙衡，郭秋娜.曲柄搖桿式振動輸送機的運動分析［J］.制造技術與工藝，2005（1）：76-77.

［4］ 段志善，史麗晨.水平振動輸送機的動力學分析與應用［J］.煤礦機械，2009，30（1）：97-99.

［5］ 張艷冬，何勛，尚銳.振動輸送機最佳振動形式的研究［J］.機械設計，1998（10）：24-25.