基于虚拟样机技术的振动输送机动力学研究

赵浩东，程林峰

（山东中烟工业有限责任公司 济南卷烟厂，济南 250104）

0 引 言

振动输送机是烟草工业重要的物料输送设备，主要适用于叶片、叶丝、烟梗、梗丝在制造过程中的连续生产线上。工作时，由电机通过皮带驱动偏心轴旋转，经连杆使摇杆摆动，从而使槽体往复运动，达到输送物料的目的。振动输送机的振幅和频率对物料的输送效果有着直接的影响。为了得到适合生产工况的振幅和振频，需要对设备进行改造，基于实际经验的改造只能对设备参数进行定性分析，难以达到目标，而且一旦出现问题，就需要重新设计改造，这是一个反复的过程，浪费了大量人力物力。

目前，国内制造厂家大多是基于传统的制造经验，很少进行精确的数值分析，只有少量文献运用解析法对振动输送机的运动学［1-3］与动力学［4-5］做了探讨。本文利用虚拟样机技术在计算机平台下对设备运行情况进行了虚拟仿真及数值分析。

1 虚拟样机模型的建立

联合应用三维建模平台Pro/E、动力学仿真平台ADAMS 等建立振动输送机的虚拟样机模型，该虚拟样机与设备的实际尺寸、材料、传动系统等参数具有一致性，可以仿真实际设备的运行情况，通过对虚拟样机进行仿真，可以对振动输送机的振幅、频率等参数进行定量分析及实时跟踪，为设备的维修、改造提供技术支持与理论依据。建立虚拟样机的的流程如图1 所示。

图1 建模流程图

1.1 三维模型的建立

振动输送机主要由机架、槽体、摇杆、传动装置等组成。利用参数化建模的思想分别对各零件进行建模，需要注意的是建模时所有零件的单位必须设定成“mm·kg·s”，按照零件的位置关系进行装配，最终得到设备的总装模型,并进行干涉检查。振动输送机主要部件的模型与总装模型如图2 所示。

1.2 数据模型传递

图2 振动输送机三维模型

为了由振动输送机的三维模型得到系统的虚拟样机模型，首先需要进行模型数据转换，即将已经建立的三维模型的信息传递到动力学建模平台ADAMS 中。ADAMS软件具有实用的Parasolid 输入、输出功能，可以输入由三维建模平台生成的Parasolid 文件，即将机构的三维模型保存为.x_t 格式，通过ADAMS/Exchange 模块导入ADAMS 中。这种方法简便易行，但是这种方法的缺点是容易造成模型失真。

为了解决这个问题，考虑使用Pro/E 与ADAMS 间的专用接口Mechansm/Pro，该接口实现了Pro/E 与ADAMS的无缝集成。通过该接口，可以将装配体无需退出建模环境直接传递到ADAMS 中，且不存在模型失真的现象。

1.3 模型参数定义

表1 关键零部件间的约束关系

导入ADAMS 软件中的模型仅包含了机构零件间的相对位置关系信息、几何特征信息，还不能称之为虚拟样机。因此需要对模型进行进一步的参数定义。振动输送机虚拟样机模型包含的基本信息应包括：环境信息、质量（转动惯量）信息、约束信息、驱动信息。模型参数的定义在Adams/View 环境中完成。其中关键零部件间的约束关系如表1 所示。

为了保证仿真的顺利进行，排除建模中存在的错误，需要对已经建立的模型进行校验。模型校验主要是检查模型中约束的类型和数量、驱动数量、自由度数、是否存在冗余约束等。得到振动输送机的虚拟样机如图3 所示。

2 仿真分析

振动输送机的传动形式为带传动，研究对象的电机类型为Y132S-6 型三相异步电动机，在电机轴上添加驱动进行仿真，得到振槽的沿X、Y、Z 3 个方向的振动曲线，如图4 所示。通过分析发现，振槽在X、Y 方向振动，在Z 方向没有振动，与实际情况相符合，在X方向的振幅为0.048 m，在Y 方向的振幅为0.02 m，振槽的振动周期与大带轮的转动周期一致。

振槽的振动速度对物料抛送的远近有重要影响。而振槽振动频率决定了振槽振动速度的大小，通过仿真分析发现，振频和大带轮转动频率一致，图5 为大带轮转速分别在300 r/min、600 r/min 时，振槽在一个振动周期内的速度变化曲线。转速为600 r/min时，振槽最大速度达到1.658 m/s，转速为300 r/min 时，振槽最大速度为0.829 m/s，恰好为前者的一半。振槽速度的大小可以改变带传动的传动比来实现，亦可通过电机调速来实现。

图3 振动输送机虚拟样机模型

图4 振动输送机振动情况

图5 振槽速度变化曲线

图6 不同负载下的输送机启动时的速度变化情况

在电机功率、传动比、结构形式一定的条件下，振动输送机的输送能力是有限的。图6 是负载分别为50 kg、70 kg 时 输送机启动时的速度变化情况。在设备开始启动的时候，负载越大，设备由启动到稳定工作的时间越长，若负载过大，超过输送机的承载能力，设备将不能正常工作。

3 结 论

1）联合应用三维建模平台和多体动力学仿真平台建立了振动输送机的虚拟样机模型。

2）通过仿真分析，得到了振槽振幅与振频等指标的精确数值，得到了振槽频率与运行速度的关系以及负载对输送机输送能力的影响，为设备技术革新提供了理论依据。

［1］ 胡开文，潘晓阳.COMAS 振动输送机的研究［J］.华东理工大学学报，1999，25（4）：401-404.

［2］ 任兰柱，郭斌，郑丽影，等.振动输送机运动学参数的半解析半数值方法［J］.煤矿机械，2007，28（7）：7-8.

［3］ 赵衡，郭秋娜.曲柄摇杆式振动输送机的运动分析［J］.制造技术与工艺，2005（1）：76-77.

［4］ 段志善，史丽晨.水平振动输送机的动力学分析与应用［J］.煤矿机械，2009，30（1）：97-99.

［5］ 张艳冬，何勋，尚锐.振动输送机最佳振动形式的研究［J］.机械设计，1998（10）：24-25.