基于虚拟样机技术的新型机械式激振器的仿真分析

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(石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄 050043)

0 引言

传统的机械设计研发通常根据结构设计参数进行实物制造，将测试数据与理论分析进行对比，并根据对比结果对实物进行优化。这就造成了每次分析优化后都需要对实物进行结构重建，不仅耗费了大量人力和财力，同时也增加了新产品研发的成本，得不偿失[1]。虚拟样机技术的出现在一定程度上解决了传统设计方法面临的难题，通过计算机软件对虚拟样机进行三维建模，针对产品在不同工况下的实际工作情况进行仿真分析，根据仿真结果对产品的整体性能进行预测，并改进优化产品结构，从而提高产品性能[2]。虚拟样机技术在很大程度上使得产品结构设计的正确性和合理性得到了保证，同时大大缩短了产品的开发周期，并且在提高设计质量的同时，降低了设计成本。

目前，在振动实验中为试件提供激振力的设备主要有力锤、激振器和振动台等，其中激振器是振动力学实验中最关键的设备，并且现代工业中所涉及到的大多数振动机械主要是通过电动机驱动激振器来进行工作的[3-4]。机械式激振器作为激振器的代表，具有结构简单，安装拆卸方便等特点，在工程技术领域得到了广泛的应用[5]。结合传统机械式激振器的工作原理以及结构特点，本文提出了一种新型机械式激振器[6]，并对其整体结构进行了介绍，利用MATLAB软件编制了相应的程序对新型机械式激振器在运动过程中产生的激振力进行了算例分析，最后利用Solidworks和ADAMS软件联合建立了新型机械式激振器的虚拟样机，并对其工作过程进行了仿真，不仅节省了时间和精力，同时也对理论分析结果进行了验证[7-8]。新型机械式激振器最大的研究意义是在一定程度上保证了当激振频率从低频到高频变化时,整个装置在竖直方向产生的激振力的最大幅值在较小范围内变化的效果,对激振器的研究具有重要的理论及实际意义。

1 新型机械式激振器介绍

本文设计了一种新型机械式激振器，包括传动装置、轴承、驱动装置、联轴器、连接罩、偏心装置、轴承端盖、花键轴一、花键轴二及箱体。偏心装置采用对称结构安装，偏心块与质量块反向布置。其结构示意图如图1所示。

图1 新型机械式激振器

新型机械式激振器的工作原理是驱动装置将输出的动力通过联轴器传递给花键轴一，花键轴一上的齿轮一与花键轴二上的齿轮二啮合，花键轴一和花键轴二以w的激振频率反向旋转，同时带动偏心装置同步转动。由于偏心装置的对称性，整个偏心装置在水平方向产生的激振力的合力为零，质量块m在竖直方向上产生的激振力对偏心块M在垂直方向上产生的激振力部分抵消，使得整个激振器产生的激振力在竖直方向上的合力相互叠加。随着激振频率w在一定范围内变化时，使得新型机械式激振器产生的激振力达到在较小范围内变化的效果。

2 算例分析

由新型机械式激振器的结构可知，整个装置产生的激振力由偏心装置产生。因此，激振力的大小由偏心装置的结构参数决定。偏心装置由偏心装置一、偏心装置二、偏心装置三及偏心装置四4个部分组成，它们的结构相同且对称布置，因此仅对偏心装置一进行分析。偏心装置一的结构简图如图2所示。

其中偏心装置一的连杆AB的长度为l，连杆BC的长度为al，连杆BD的长度为bl，连杆的线密度为m0，弹簧原长为(1+b)l，弹簧刚度为k，销轴连接处的质量为m′，偏心块M对应的偏心距为E，质量块m对应的偏心距e，其中偏心距E与偏心距e反向布置，连杆AC和连杆AD之间的夹角为φ。

利用MATLAB优化工具箱[9]对偏心装置一的结构参数进行优化后得到的优化结果如下：a=1，b=0.7，m=0.1 kg，l=0.1 m，M=0.6 kg，E=0.02 m，k=30 N/mm，m0=2 g·cm-3，m′=0.1 kg。当φ在5°～36.5°变化时，新型机械式激振器产生的激振力与传统机械式激振器产生的激振力进行对比，如图3所示。

图2 偏心装置一的结构简图

图3 新型机械式激振器与 传统机械式激振器产生的激振力比较

由图3可以得到，当激振频率w在18～174 rad·s-1之间变化时，传统激振器产生的激振力在16～1 200 N之间变化，而新型机械式激振器产生的激振力变化范围为16～140 N。由此可以看出，传统机械式激振器由于偏心块的质量和偏心距的大小固定不变，使得激振力以w2的倍数增加，当激振器在高频状态下工作时，产生的激振力很大；而当新型机械式激振器的激振频率从低频到高频变化时，激振力先增大后减小，且在较小范围内变化，达到了预期的效果。

3 新型机械式激振器的三维建模与仿真分析

3.1 新型机械式激振器三维模型的建立

在进行虚拟样机的仿真分析之前，首先需要建立一个合格的三维模型，这将直接影响到后期的仿真效果。本文利用Solidworks软件建立新型机械式激振器的三维模型，如图4所示。

由于新型机械式激振器的偏心装置、齿轮等各轴向均已定位，因此最可能发生干涉对的地方是用于传动的齿轮之间以及偏心装置的连杆与花键套之间，所以需要对这些零部件进行干涉检验。检验结果显示各个齿轮之间均为正常啮合，偏心装置的连杆与花键套之间不存在干涉。

3.2 新型机械式激振器虚拟样机的建立

采用Parasolid格式输出数据的方式，将新型机械式激振器的三维模型导入到ADAMS/View软件中，如图5所示。经检查，导入的新型机械式激振器的结构参数均无误。

图4 新型机械式激振器的实体模型

图5 导入到ADAMS后的新型机械式激振器模型

由于新型机械式激振器的的结构涉及到的零部件较多，整体仿真误差较大，又因为仿真结果主要与偏心装置有关，偏心装置包括的偏心装置一、偏心装置二、偏心装置三以及偏心装置四的结构相同且对称安装，因此仅对花键轴一与偏心装置一等零部件组成的结构进行仿真即可，其结构如图6所示。

图6 简化后的激振器模型

通过分析新型机械式激振器的结构组成、运动规律以及各零件间的装配关系，对简化后的激振器模型添加的约束如下：花键轴一和大地之间添加旋转副约束；偏心装置一中的连杆一和连杆固定之间添加旋转副约束，连杆二和花键套之间添加旋转副约束，连杆一和连杆二之间添加旋转副约束，花键套和花键轴一之间添加移动副约束，偏心块和花键套之间添加固定副约束，质量块和连杆一之间添加固定副约束。简化后的激振器虚拟样机共使用10个约束副，包括1个移动副，2个固定副以及7个旋转副。不考虑各个运动副之间的摩擦。

为了更好地模拟新型机械式激振器运动特性，需要对激振器添加驱动。由于新型机械式激振器是由电动机直接驱动的，主动轴与电机通过联轴器连接。在主动轴即花键轴一上添加的旋转副处施加一个旋转运动即可达到电动机驱动的效果。为了更加真实地模拟激振器的运动情况，需要在旋转运动中添加STEP函数：

Function(time)=STEP(time,0,1 032d,10,7 788d)(time为时间变量)

此函数的含义为：激振器的转速在10 s内从172 r/min增加到1 662 r/min(转换为激振频率即为18 ～174 rad·s-1)。由于ADAMS/View中转速的单位为°/s，进行单位转化后即为激振器的转速,在10 s内从1 032 °/s增加到9 972 °/s。

由于导入到ADAMS/View软件中新型机械式激振器的模型中的弹簧是刚性的，无法实现弹簧的压缩，因此需要将模型中原有的弹簧去除，在ADAMS/View中重新创建弹簧。在运转过程中，新型机械式激振器所受到的载荷包括：偏心块产生的激振力、质量块产生的激振力，连杆产生的激振力，弹簧的弹力，花键套与花键轴之间的作用力等。其中偏心块所产生的激振力的施加过程如下：单击单向力按钮，选择Two Bodies选项，在图形中选择偏心块与花键轴的中心确定惯性力的方向，通过选择Modify选项中的Function添加激振力的计算公式，如图7所示。质量块所产生的激振力的施加过程同上。

在之前的属性修改中，新型机械式激振器的零件特性已经定义，因此激振器在运行过程中产生的其它作用力由ADAMS/Solver求解器在后台自动计算。至此，新型机械式激振器的虚拟样机建立完成。

3.3 基于虚拟样机的仿真分析

在ADAMS/View中，点击仿真按钮，在系统弹出的仿真对话框中设置仿真时间和步长，单击开始仿真按钮，对模型进行仿真，如图8所示。由图8可知，在运动过程中，随着时间的增加，激振器的转速不断增加，使得偏心块和质量块产生的激振力均不断增大，在惯性的作用下，质量块不断向外运动，质量块的偏心距不断变大。

图7 激振力的修改

图8 激振器虚拟样机仿真

仿真结束后，进入ADAMS/PostProcessor后处理模块，观察仿真结果。整个新型机械式激振器产生的激振力曲线如图9所示。

图9 整个新型机械式激振器的激振力曲线图

由图9可知，随着时间的增加，激振器的振频率由18 rad·s-1增大到174 rad·s-1，整个新型机械式激振器产生的激振力在10～135 N之间变化，ADAMS动态仿真分析结果与静态分析下的理论结果之间存在一定误差，但在误差允许的范围内。因此，动态仿真得到的激振力的变化情况与本文第二节算例分析中得到的激振力变化情况基本相符。由此可以看出新型机械式激振器的仿真分析结果验证了理论分析的合理性，说明激振器的结构设计合理，满足设计要求。

4 结论

本文基于传统机械式激振器的工作原理，设计了一种新型机械式激振器，对其结构组成以及工作原理进行了介绍，根据优化得到的偏心装置的结构参数对新型机械式激振器在运动过程中产生的激振力进行了算例分析，利用Solidworks软件建立了新型机械式激振器的三维实体模型，将实体模型导入到ADAMS/View软件进行动力学仿真分析，得出了激振力随时间变化的曲线，激振力在10～135 N之间，并与理论分析结果进行对比，可以确定新型机械式激振器的结构设计合理，满足设计要求，具有较高的研究价值。