农田灌溉用过滤井管成型系统建模仿真与优化研究

河北农业大学机电工程学院 张泽明 黄聪会

1 前言

农田灌溉用过滤井管生产工艺简单，主要使用挤压振动法成型，工艺的技术关键是混凝土的配合比以及振动时间。配合比是决定强度的制约因素，而振动工艺则是保证孔隙形成、透水性大小的重要因素。配合密实的强度大，但透水性较小；若振动时间过短，则孔隙较多，但强度变低。一般振动成型系统均采用中高频振动台，频率为30～50Hz，振幅在5mm左右。根据农田灌溉用过滤井管工艺技术规程要求，一阶段管是在振动台上进行振动密实的。为了获得良好的密实效果，使混凝土具有较高的强度和密实度，以及合适的振动时间，从工艺上必须根据混凝土混合物特性，合理确定振动频率、振幅、振动速度和振动时间，作为设计振动台的依据。

农田灌溉用过滤井管成型系统的传统设计方法是采用变频调速系统通过带传动带动振动台振动，振动台上附加与实际工作情况等量的重物，通过改变电机转速和更换主振弹簧来观察振动台的振动频率和振幅，从而确定系统的驱动转速n，选择电机转速为n0，则传动比i=n/n0，这样得到振动台的振幅和频率并不准确，误差很大。本文基于虚拟现实技术，利用软件对系统进行建模与仿真，以要求的频率和振幅为优化目标来寻求合适的系统参数，大大降低了研发周期与成本，为农田灌溉用过滤井管成型系统的设计提供了帮助。

2 运动分析

2.1 工作原理

图1 系统整体结构

系统整体结构如图1所示，振动台简化模型如图2所示，振动台采用双轴同步惯性振动方式，两台电动机通过带传动分别驱动两个偏心轴高速旋转；两偏心轴之间通过传动比为1∶1的齿轮连接实现两偏心轴转速相同、转向相反、相位差为零；振动台与底座之间通过主振弹簧连接；其水平振动分量互相抵消，只剩下沿垂直方向的振动；两台电机的不同步现象通过带传动的滑动来补偿。系统在工作时，做受迫振动，因为在实际的振动系统中，阻尼总是客观存在的，如果振动持续不断地进行，就必须对系统施加一个周期性的外力，系统在周期性外力作用下进行的振动，称为受迫振动。

图2 振动台简化模型

3 系统参数的确定

因系统组件为非规则零件，所以无法直接测量弹簧所连接部分的重量，因此借助软件Pro/E进行测量。

在Pro/E中的操作为：每个零件模型附加材料，在机构环境下，启用重力，设定弹簧刚度K=100N/mm和阻尼系数c，初始条件为弹簧自然状态下，动态模拟。得到振动平台竖直方向的位移如图3所示。弹簧所联结质量M通过弹簧形变，根据胡克定理确定Mg=8KX。

图3 振动平台竖直方向的位移

（X是图上最大值和最小值的差值）

由自振周期公式算得弹簧系统的自振周期：T=2π

自振频率：

在不启用重力和阻尼条件下模拟系统的自振频率如图4所示，与计算结果f0相吻合。

临界阻尼系数：

因偏心轴也为非规则零件，在此借助软件Pro/E测得偏心轴的偏心距r=11.684mm，质量m0=29.1kg。

4 基于ADAMS进行运动仿真

4.1 约束与力的定义

在Pro/E中建立系统的简化模型并完成装配，然后导入ADAMS中添加约束与驱动，导入ADAMS中的模型如图4所示。

图4 系统简化模型

底座与ground固定副连接，偏心轴与振动台旋转副连接，振动台与底座滑柱移动副连接，振动台与底座之间添加弹簧阻尼器（振动台上下均有弹簧阻尼器），对偏心轴与振动台的旋转副添加驱动。

4.2 参数的设定

阻尼系数c和振动台振动频率的确定结合振动方程、系统固有频率f0以及临界阻尼系数rc确定，修改偏心轴的质量为2m0=58.2kg，修改振动台质量为等效系统的重量M=1439.59kg，修改每个弹簧刚度系数K=1.0E+005 N/m，阻尼系数c=3000.0N·s/m，优化目标为振动台的振动频率在30～50Hz范围内，振幅为5mm。

4.3 优化方法

方法一：已知振动台的要求频率（即确定驱动转速）和弹簧刚度系数，通过改变阻尼系数，得到合适的振幅。

方法二：已知弹簧刚度系数和阻尼系数，通过改变驱动转速，达到要求的振动台的振幅。

因购买弹簧时弹簧刚度系数与阻尼系数已确定，所以采用方法二进行优化。电机转速与驱动转速的比值通过带传动的传动比实现。

图5系统振动情况

5 结论

5.1 通过对农田灌溉用过滤井管成型系统进行受力分析得到系统的振动方程，为农田灌溉用过滤井管成型系统的设计提供了理论基础。

5.2 结合振动方程并利用Pro/E建模导入ADAMS进行仿真，优化得到当主振弹簧刚度系数K=1.0E+005N/m，阻尼系数c=3000.0N·s/m，电机转速 n0=1499r/min，传动比i=1.5时振动台振幅近似等于5mm，频率f=37.5Hz。

5.3 利用软件建模与仿真，大大缩减了系统研制的周期以及降低了产品在研制过程中的成本。

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