農(nóng)田灌溉用過濾井管成型系統(tǒng)建模仿真與優(yōu)化研究

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院 張澤明 黃聰會

1 前言

農(nóng)田灌溉用過濾井管生產(chǎn)工藝簡單，主要使用擠壓振動法成型，工藝的技術(shù)關(guān)鍵是混凝土的配合比以及振動時間。配合比是決定強度的制約因素，而振動工藝則是保證孔隙形成、透水性大小的重要因素。配合密實的強度大，但透水性較小；若振動時間過短，則孔隙較多，但強度變低。一般振動成型系統(tǒng)均采用中高頻振動臺，頻率為30～50Hz，振幅在5mm左右。根據(jù)農(nóng)田灌溉用過濾井管工藝技術(shù)規(guī)程要求，一階段管是在振動臺上進(jìn)行振動密實的。為了獲得良好的密實效果，使混凝土具有較高的強度和密實度，以及合適的振動時間，從工藝上必須根據(jù)混凝土混合物特性，合理確定振動頻率、振幅、振動速度和振動時間，作為設(shè)計振動臺的依據(jù)。

農(nóng)田灌溉用過濾井管成型系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計方法是采用變頻調(diào)速系統(tǒng)通過帶傳動帶動振動臺振動，振動臺上附加與實際工作情況等量的重物，通過改變電機轉(zhuǎn)速和更換主振彈簧來觀察振動臺的振動頻率和振幅，從而確定系統(tǒng)的驅(qū)動轉(zhuǎn)速n，選擇電機轉(zhuǎn)速為n0，則傳動比i=n/n0，這樣得到振動臺的振幅和頻率并不準(zhǔn)確，誤差很大。本文基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，利用軟件對系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，以要求的頻率和振幅為優(yōu)化目標(biāo)來尋求合適的系統(tǒng)參數(shù)，大大降低了研發(fā)周期與成本，為農(nóng)田灌溉用過濾井管成型系統(tǒng)的設(shè)計提供了幫助。

2 運動分析

2.1 工作原理

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，振動臺簡化模型如圖2所示，振動臺采用雙軸同步慣性振動方式，兩臺電動機通過帶傳動分別驅(qū)動兩個偏心軸高速旋轉(zhuǎn)；兩偏心軸之間通過傳動比為1∶1的齒輪連接實現(xiàn)兩偏心軸轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反、相位差為零；振動臺與底座之間通過主振彈簧連接；其水平振動分量互相抵消，只剩下沿垂直方向的振動；兩臺電機的不同步現(xiàn)象通過帶傳動的滑動來補償。系統(tǒng)在工作時，做受迫振動，因為在實際的振動系統(tǒng)中，阻尼總是客觀存在的，如果振動持續(xù)不斷地進(jìn)行，就必須對系統(tǒng)施加一個周期性的外力，系統(tǒng)在周期性外力作用下進(jìn)行的振動，稱為受迫振動。

圖2 振動臺簡化模型

3 系統(tǒng)參數(shù)的確定

因系統(tǒng)組件為非規(guī)則零件，所以無法直接測量彈簧所連接部分的重量，因此借助軟件Pro/E進(jìn)行測量。

在Pro/E中的操作為：每個零件模型附加材料，在機構(gòu)環(huán)境下，啟用重力，設(shè)定彈簧剛度K=100N/mm和阻尼系數(shù)c，初始條件為彈簧自然狀態(tài)下，動態(tài)模擬。得到振動平臺豎直方向的位移如圖3所示。彈簧所聯(lián)結(jié)質(zhì)量M通過彈簧形變，根據(jù)胡克定理確定Mg=8KX。

圖3 振動平臺豎直方向的位移

（X是圖上最大值和最小值的差值）

由自振周期公式算得彈簧系統(tǒng)的自振周期：T=2π

自振頻率：

在不啟用重力和阻尼條件下模擬系統(tǒng)的自振頻率如圖4所示，與計算結(jié)果f0相吻合。

臨界阻尼系數(shù)：

因偏心軸也為非規(guī)則零件，在此借助軟件Pro/E測得偏心軸的偏心距r=11.684mm，質(zhì)量m0=29.1kg。

4 基于ADAMS進(jìn)行運動仿真

4.1 約束與力的定義

在Pro/E中建立系統(tǒng)的簡化模型并完成裝配，然后導(dǎo)入ADAMS中添加約束與驅(qū)動，導(dǎo)入ADAMS中的模型如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)簡化模型

底座與ground固定副連接，偏心軸與振動臺旋轉(zhuǎn)副連接，振動臺與底座滑柱移動副連接，振動臺與底座之間添加彈簧阻尼器（振動臺上下均有彈簧阻尼器），對偏心軸與振動臺的旋轉(zhuǎn)副添加驅(qū)動。

4.2 參數(shù)的設(shè)定

阻尼系數(shù)c和振動臺振動頻率的確定結(jié)合振動方程、系統(tǒng)固有頻率f0以及臨界阻尼系數(shù)rc確定，修改偏心軸的質(zhì)量為2m0=58.2kg，修改振動臺質(zhì)量為等效系統(tǒng)的重量M=1439.59kg，修改每個彈簧剛度系數(shù)K=1.0E+005 N/m，阻尼系數(shù)c=3000.0N·s/m，優(yōu)化目標(biāo)為振動臺的振動頻率在30～50Hz范圍內(nèi)，振幅為5mm。

4.3 優(yōu)化方法

方法一：已知振動臺的要求頻率（即確定驅(qū)動轉(zhuǎn)速）和彈簧剛度系數(shù)，通過改變阻尼系數(shù)，得到合適的振幅。

方法二：已知彈簧剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，通過改變驅(qū)動轉(zhuǎn)速，達(dá)到要求的振動臺的振幅。

因購買彈簧時彈簧剛度系數(shù)與阻尼系數(shù)已確定，所以采用方法二進(jìn)行優(yōu)化。電機轉(zhuǎn)速與驅(qū)動轉(zhuǎn)速的比值通過帶傳動的傳動比實現(xiàn)。

圖5系統(tǒng)振動情況

5 結(jié)論

5.1 通過對農(nóng)田灌溉用過濾井管成型系統(tǒng)進(jìn)行受力分析得到系統(tǒng)的振動方程，為農(nóng)田灌溉用過濾井管成型系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

5.2 結(jié)合振動方程并利用Pro/E建模導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行仿真，優(yōu)化得到當(dāng)主振彈簧剛度系數(shù)K=1.0E+005N/m，阻尼系數(shù)c=3000.0N·s/m，電機轉(zhuǎn)速 n0=1499r/min，傳動比i=1.5時振動臺振幅近似等于5mm，頻率f=37.5Hz。

5.3 利用軟件建模與仿真，大大縮減了系統(tǒng)研制的周期以及降低了產(chǎn)品在研制過程中的成本。

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