基于Solidworks對聲共振攪拌設備進行的結構設計

汪領 吳兆鉞 曾卉帆 張憲國 秦緒芳

摘 要：聲共振攪拌設備是一種新型的攪拌設備，能夠利用機械共振的能量實現攪拌裝置內物料的迅速混合。并且沒有侵入式設備，能夠很好的保證攪拌過程中的安全和平穩，低噪聲。對于醫藥混合，火藥混合。甚至于納米級的粉末涂抹都具有很大的意義。本文主要是對于聲共振混合設備基于三質量體的振動原理進行了結構設計和猜想。設計了一種特殊的傳動結構，實現電機的水平旋轉到振動平臺的垂直運動，并實現電機轉速的倍增效果。其次對振動模型的物理方程進行數學建模分析，了解其部分影響參數。

關鍵詞：聲共振;轉換機構;振動方程;Slidworks ;matlab

0.前言

聲共振攪拌一種新型的攪拌方式。改進傳統攪拌方式，提高攪拌質量，縮短攪拌時間，使攪拌物能夠混合的更加均勻;兼容多種狀態物質的混合攪拌;能夠應用于相同類型容器中混合低粘度，高粘度以及非牛頓系統;在攪拌類似于火藥粉這樣危險的物料時，新式的聲共振混合攪拌機則能避免使用葉輪或其他的入侵式設備進行混合，避免了諸多風險和麻煩;利用機械共振的力量，將機械能傳遞到混合過程中，實現機械能的更優化使用，減少能耗。[1-3]

無論是工業生產，醫藥生產，還是社會生活中，都有著攪拌機的影子，其作用就是將不同的材料來進行混合以達到生產應用。在工業上，攪拌機可以將水、砂、石子，化學外加劑和礦物摻合料，按適當比例配合，經過均勻攪拌、密實成型達到人造石材的目的;在化學工業中，攪拌機更是可以用來混合不同化學試劑，加速化學反應效率，配置均勻的樣品;在生活中攪拌機可以滿足日常清洗，混合粉料，果蔬加工處理;隨著時代的發展，攪拌設備的應越來越廣泛，對于攪拌設備的要求也是越來越高。傾向于更小型化，節能化，效率高，操作簡易化，智能化的方向發展。[4]

聲共振攪拌一種新型的攪拌方式。改進傳統攪拌方式，提高攪拌質量，縮短攪拌時間，使攪拌物能夠混合的更加均勻;兼容多種狀態物質的混合攪拌;能夠應用于相同類型容器中混合低粘度，高粘度以及非牛頓系統;在攪拌類似于火藥粉這樣危險的物料時，新式的聲共振混合攪拌機則能避免使用葉輪或其他的入侵式設備進行混合，避免了諸多風險和麻煩;利用機械共振的力量，將機械能傳遞到混合過程中，實現機械能的更優化使用，減少能耗。[4]

1.聲共振攪拌設備的結構

聲共振攪拌機整體采用的三質量體的架構，在激振裝置，中間平臺，物料攪拌容器都都設置的彈簧裝置。如圖1所示：底部采用的橡膠吸盤，能夠很好的緩和沖擊，減低噪聲。而且采用是的仿生吸盤結構，能夠保證裝置在運行的過程中，始終保持穩定，不至于由于振動而發生偏移。在每個質體之間都安裝的有彈性裝置。其中在底座橡膠支腿出安裝的彈簧能夠很好的吸收沖擊，以及提供物料在上下振動過程中所需要的能量，使得由電機作為激振裝置提供的能量能夠在物料和底座之間進行一部分的轉換。在達到共振的情況下，理論上能夠實現彈簧與物料振動能量的完美傳遞。電機能夠通過調速器進行調速，也可以通過改變振動臺的物料參數來改變振動頻率的倍增關系。在電機旋轉的過程中，其動力通過聯軸器，起伏轉柄振動臺傳遞到振動容器。振動容器進行相應頻率的振動來實現容器內物料的混合。為防止振動容器跳竄，在其上方布置了一系列的張緊和緩沖裝置。

2.振動臺

該振動平臺進過特殊設計，能夠借助于起伏轉柄，實現由電機的水平旋轉到振動臺的上下振動。而且還能夠個根據特定參數的改變來實現電機轉速的倍增。其具體結構如圖2所示：

在該結構中，可以看到其內部凹槽的表面輪廓是一個封閉曲線，形狀類似于常見的正弦曲線。本次設計的凹槽輪廓為數個半圓連接而成，相鄰的兩個半圓的凸弧方向相反。設整個振動盤的凹槽的直徑為D，小圓弧的直徑為d.則在整個環形凹槽中，小圓弧的個數? ? ? ? ? ? ? ? ? ?。小圓弧的個數

必須要與起伏轉柄的柄數相匹配。小圓弧的個數應該是柄數二倍的整數倍。該裝置的柄數為三，所以小圓弧的個數應該為六的整數倍。而且該整數倍的數值也就是該傳動機構能夠將電機的最大轉速所能夠提高的倍數。在不考慮材料潤滑應力磨損的情況下，是可以達到提升數倍的關系。具體能夠提升的倍數還要看凹槽的直徑和小圓弧直徑的比值。當進行設計的時候，若是小圓弧的直徑過小則會引起設備抖動加劇，加速起伏轉柄的磨損，減低設備壽命，若選擇的直徑過大則會起不到增速的效果。一般來說，可以選擇柄數為三的起伏轉柄，將電機轉速提升三到五倍為好。除此之外，該結構能夠實現電機的水平旋轉到振動臺垂直振動的運動方式的改變。相比較之前的偏心轉子，偏心輪等偏心結構來說，使其只承受水平方向上的扭矩，而避免了承受垂直于軸的彎矩作用，大大改善了電機及其聯軸器的受力狀況，方便了結構布置。

3.聲共振攪拌機原理

機械裝置的共振裝置結構原理如圖3

在聲共振攪拌設備中，聲共振的勢能儲存在彈簧中，動能由板或質量塊提供，這些板或質量塊與彈簧連接并以垂直運動平移。諧振頻率被定義為系統中的機械能可以在存儲在彈簧中的勢能和運動質量中的動能之間完美轉換的頻率[1-3]

圖3左上方的圖表顯示了以某種速度移動的質量。為了減慢質量（減速），需要施加外力。當質量減速時，較低的速度導致其具有較低的動能。圖3右上圖顯示，當施加的外力壓縮或拉伸彈簧時，彈簧可以儲存勢能。儲存在彈簧中的能量在偏轉較大時較大，而在彈簧未變形時減小到零。圖1中的左下圖顯示了彈簧質量系統的表示。在這種情況下，“混合”功能被模擬為一個阻尼器，當系統運動時吸收能量。描述振蕩過程中存在力的二階微分方程如圖3右下圖所示。該公式顯示了由于運動質量，偏轉彈簧和混合過程而產生的力之間的關系。表達式表明這些力總和等于驅動系統的機械力。

而在三質量體中，其具體原理圖如圖4。而且其中的力，彈簧系數均是以矩陣的形式出現，來帶入計算的

4.MATLAB數學分析

通過matlab 對上述公式進行計算，令μ1=m1/m1，μ2=m2/m1，μ3=m3/m1 ，v1=k1/k1 ，v2=k2/k1 ，v3=k3/k1 ，v4=k4/k1。取μ1=1.0，μ2=0.86，μ3 =0.52， v1=1.0，v2 =0.22，v3=0.85，v4=0.28。可以得到三質體振動系統的幅頻響應曲線：其圖形如圖5所示：

該圖形說明：通過合理選擇系統物清理參數，三質體聲共振混合機工作在三階共振頻率附近，振幅變化較平緩，負載質體和激振質體的運行相位相反，兼具了共振時的振幅放大和振動穩定的優點。[6]

5.結論

利用solidworks 進行三維建模，對聲共振攪拌設備的機械裝置進行干涉檢查，和仿真分析。進一步確定了三質量系統下的聲共振攪拌機的原理上的正確性。滿足了擁有更大的固有頻率的物料對于攪拌機振動頻率的要求。及時電機最高轉速一定也能實現裝置的振動頻率的倍增。通過matlab 進一步分析三質體的物理參數對共振狀態的影響。通過合理調節裝置物理參數，就能夠實現同時具有共振放大和共振平穩的雙要求。

參考文獻：

[1]YOSHII T， SHIMADA M， NARUSE T， et al. Investigation on Fatigue Process using Electro-Magnetic Acoutic Resonance （EMAR） system [J]. 海上技術安全研究所報告， 2004， 4（4）： 403-17.

[2]NAMI， HARUTA， TEIZO， et al. Time-Resolved UV Resonance Raman Investigation of Protein Folding Using a Rapid Mixer： Characterization of Kinetic Folding Intermediates of Apomyoglobin [J]. Biochemistry， 2002，

[3]KIM S H， KIM Y S， LEE J H. Vibration Analysis of 2DOF Resonance Type Mixer [J].? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?， 2017，

[4]譚玉龍. 全自動多功能食品攪拌機的研究與設計 [D]; 西華大學， 2014.

[5]張毅銘， 馬寧， 王小鵬， et al. 固液兩相聲共振混合數值模擬 [J]. 化工進展， 2018，

[6]詹小斌， 湯瀅， 蘭昌義， et al. 三質體聲共振混合機的動力學特性及其性能分析 [J]. 振動與沖擊， 2020， 39（2）： 204-8.