CN110108426B - 一种双振动体振动系统及同步特性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及振动机械工程技术领域，公开了一种双振动体振动系统及同步特性分析方法，其中振动系统包括：第一振动体和第二振动体；第一振动体的底面与第二振动体的顶面相连，第一振动体上设有第一电机和第二电机，第一电机和第二电机沿水平方向设置且关于第一振动体对称，第一电机与第一摆臂的一端相连，第一摆臂的另一端与第一质量球相连，第二电机与第二摆臂的一端相连，第二摆臂的另一端与第二质量球相连，第一质量球和第二质量球反向回转。本发明提供的一种双振动体振动系统及同步特性分析方法，利用振动同步理论设计一种新型的反复运动的机械结构，减少传动机械部件和产生较大离心驱动力，系统能量损失小，为振动系统提供了新的设计思路。

Description

一种双振动体振动系统及同步特性分析方法

技术领域

本发明涉及振动机械工程技术领域，特别是涉及一种双振动体振动系统及同步特性分析方法。

背景技术

反复运动式或能实现弹跳运动的装置，需要多次转换的驱动装置，或电机通过气泵压缩空气，然后通过气阀推动气缸等。如电机通过各种传动系统压缩弹簧，这给使用带来许多缺点。例如，传统反复运动式装置动力传动路线长，机械单元多、能量损失大，在传动中的部件容易被磨损和破坏，甚至造成运行稳定性降低和机械寿命降低，增加了成本或耽误工期。

多激振电机驱动的振动压实系统在压实土壤过程中，土体对振动体的恢复力与其位移之间形成的滞回环是不对称的，这种在应力应变关系曲线上的不对称滞回特性对系统的振动响应有很大影响，需保证多激振电机的同步运转才能实现系统同步运动稳定性，进而保证振动机械的工作性能。

现有的振动压实类工程机械，为保证多激振电机能实现同步运转稳定和系统振幅稳定性，传统的振动机械大部分都工作在远超共振状态，现有振动系统的同步设计理论多是针对远超共振单质体振动系统一个位移方向的振动同步理论，而多激振电机驱动的单质体振动系统多个位移方向的同步运转特性分析缺少准确实用的分析理论。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种双振动体振动系统及同步特性分析方法，用于解决或部分解决振动系统中多个位移方向的同步运转特性分析缺少准确实用分析理论的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，根据本发明第一方面，提供一种双振动体振动系统，包括：第一振动体和第二振动体；所述第一振动体的底面与所述第二振动体的顶面相连，所述第一振动体上设有第一电机和第二电机，所述第一电机和所述第二电机沿水平方向设置且关于所述第一振动体对称，所述第一电机与第一摆臂的一端相连，所述第一摆臂的另一端与第一质量球相连，所述第二电机与第二摆臂的一端相连，所述第二摆臂的另一端与第二质量球相连，所述第一质量球和所述第二质量球反向回转。

根据本发明的第二方面，提供一种基于上述双振动体振动系统的同步特性分析方法，包括：根据第二振动体底面设备基础的应力与应变关系以及第二振动体与底面设备基础之间的相互作用关系建立底面设备基础的滞回力模型；建立振动系统中第一振动体水平、竖直和旋转三个位移方向以及第二振动体竖直位移方向的力学模型，并根据滞回力模型以及力学模型建立振动系统的动力学模型；根据所述动力学模型对所述振动系统的同步特性进行分析。

(三)有益效果

本发明实施例提供的一种双振动体振动系统及同步特性分析方法，可在电机和质量球的驱动下形成两个振动源，便于在实际应用中与不同部件连接或者用于不同用途，可提高振动系统的适用性；该振动系统突破了传统反复运动装置动力传动路线多的，能量损失大的设计思路，利用振动同步理论设计一种新型的反复运动的机械结构，由于减少传动机械部件和产生较大离心驱动力，使此系统能量损失小，为振动系统提供了新的设计思路。

附图说明

图1为本发明实施例中振动系统的力学模型示意图；

图2为本发明实施例中滞回力模型的示意图；

图3为本发明实施例中第一质量球和第二质量球的相位差图；

图4为本发明实施例中第一电机和第二电机的转速图；

图5为本发明实施例中第二振动体在竖直方向的振动位移图。

附图标记说明：

1—第一振动体； 2—第二振动体； 3—第一电机；

4—第二电机； 5—第一摆臂； 6—第二摆臂；

7—第一质量球； 8—第二质量球。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种单振动体振动系统，参考图1，该振动系统包括：第一振动体1和第二振动体2；第一振动体1的底面与第二振动体2的顶面相连，第一振动体1上设有第一电机3和第二电机4，第一电机3和第二电机4沿水平方向设置且关于第一振动体1对称，第一电机3与第一摆臂5的一端相连，第一摆臂5的另一端与第一质量球7相连，第二电机4与第二摆臂6的一端相连，第二摆臂6的另一端与第二质量球8相连，第一质量球7和第二质量球8反向回转。

本实施例涉及一种带质量球的双摆臂同步回转的振动系统，更具体地说，涉及利用振动离心力实现反复运动，突出双质量球相位保持一致的特性，进而得出传动系统简单和具有反复运动能力的振动系统。

该振动系统的驱动部分是采用电机直接驱动双质量球，使双质量球反向回转，产生三个方向的振动离心驱动力，利用两电机带动双质量球的回转角相位保持恒定，力图使离心力带动第一振动体1和第二振动体2实现反复运动。并且，当两电机初始条件存在差异时，电机转速仍能实现同步运转和两个振动体实现稳定的反复运动。

该振动系统中设置两个振动体，可在电机和质量球的驱动下形成两个振动源，便于在实际应用中与不同部件连接或者用于不同用途，可提高振动系统的适用性。

本实施例提供的一种双振动体振动系统突破了传统反复运动装置动力传动路线多的，能量损失大的设计思路，利用振动同步理论设计一种新型的反复运动的机械结构，由于减少传动机械部件和产生较大离心驱动力，使此系统能量损失小，为振动系统提供了新的设计思路。

在上述实施例的基础上，进一步地，第一振动体1的两个侧面分别通过弹性件与设备基础相连、底面通过弹性件与第二振动体2的顶面相连，第二振动体2的底面通过弹性件与设备基础相连、两个侧面分别与设备基础沿竖直方向滑动连接。以使得第一振动体1可进行竖直、水平以及旋转三个方向的位移，而第二振动体2仅进行竖直方向的位移。

既可使第一振动体1在两个质量球反向转动离心力作用下自由发生位移，可提供多种振动方向以及有利于更好的对振动系统能够产生的所有方向的振动情况进行研究分析。且通过第二振动体2又可同时实现单一竖直方向的振动。限定第二振动体2在水平方向无法产生位移可保证整个振动系统的稳定性。设备基础即固定不动的部件。

在上述实施例的基础上，进一步地，一种基于上述任一实施例所述双振动体振动系统的同步特性分析方法，包括：根据第二振动体2底面设备基础的应力与应变关系以及第二振动体2与底面设备基础之间的相互作用关系建立底面设备基础的滞回力模型；建立振动系统中第一振动体1水平、竖直和旋转三个位移方向以及第二振动体2竖直位移方向的力学模型，并根据滞回力模型以及力学模型建立振动系统的动力学模型；根据动力学模型对振动系统的同步特性进行分析。

本实施例提供的基于上述双振动体振动系统的同步特性分析方法，针对第一振动体1三个方向的位移以及第二振动体2一个方向的位移建立动力学模型，既可对第一振动体1在两个质量球反向转动离心力作用下所有方向的振动情况进行更加全面真实的分析，更有利于研究振动体真实无束缚情况下的振动情况，为振动系统的实际应用提供理论基础；同时可提供单一竖直方向的振动，有利于提高系统的适用性以及稳定性。由于提供的滞回力模型和动力学模型与实际振动工况更加吻合，因而可提高对振动系统同步特性分析的准确性，可为后续进一步研究以及振动系统的应用提供基础。

在上述实施例的基础上，进一步地，根据第二振动体2底面设备基础的应力与应变关系以及第二振动体2与底面设备基础之间的相互作用关系建立底面设备基础的滞回力模型，包括：根据第二振动体2底面设备基础线性弹性刚度、振动系统竖直方向的位移、线性恢复力以及非线性恢复力建立滞回力模型。

在上述实施例的基础上，进一步地，具体的，图2(a)示出了本发明一个实施例的第二振动体2底面设备基础的不对称滞回恢复力模型。滞回力即为底面设备基础对第二振动体2的位移产生的恢复力。分析滞回力可用于研究第二振动体2对底面设备基础产生的作用力。滞回力模型为：

其中，k′为滞回系数；ε为非线性系数，0＜ε＜1；y₂为第二振动体2在竖直方向的位移；

为第二振动体2竖直方向的速度；其中A点坐标为(0，0)，B点坐标为(y_B，f(B))，C点坐标为(y_C，f(C))，D点坐标为(y_D，0)，且0≤y_B≤y_C≤y_D。

在上述实施例的基础上，进一步地，设定系统是反复运动，即设定第二振动体2在竖直方向上为周期运动，参考图2(b)，则滞回力模型为：

其中，设定y₂＝αcosγ；α为振幅；γ为第二振动体2的反复运动相位角；

在第一象限；γ₁＝-γ₂。

在上述实施例的基础上，进一步地，基于滞回力模型、第一振动体1分别在三个位移方向的运动参数、第二振动体2在竖直位移方向的运动参数、第一质量球7和第二质量球8的运动参数、振动系统中各部件的属性参数、各部件初始状态位置距离关系以及移动状态位置距离关系；根据拉格朗日方程，建立动力学模型。

振动系统中各部件的属性参数包括振动系统中各部件的质量，具体为第一振动体1、第二振动体2、第一电机3、第二电机4、第一摆臂5、第二摆臂6、第一质量球7和第二质量球8的质量；第一摆臂5和第二摆臂6的长度；第一振动体1水平方向、竖直方向和旋转方向的刚度；第二振动体2在竖直方向的刚度；第一振动体1水平方向、竖直方向和旋转方向的阻尼；第二振动体2在竖直方向上的阻尼；第一电机3和第二电机4转轴的阻尼。

第一振动体1分别在三个位移方向的运动参数包括第一振动体1水平方向、竖直方向和扭摆方向的位移、速度、加速度。第二振动体2在竖直位移方向的运动参数包括第二振动体2在竖直方向的位移、速度、加速度。第一质量球7和第二质量球8的运动参数包括第一质量球7和第二质量球8的角位移、角速度和角加速度。动力学模型的建立还基于其他一些运行参数，例如第一振动体1的转动惯量；第一质量球7和第二质量球8的转动惯量；第一电机3和第二电机4轴上的电磁输出转矩等。

具体的图1示出了本发明一个实施例的振动系统的力学模型，如图1所示，振动系统中的第一振动体1在两个质量球反向回转离心力的作用下，会产生了水平、竖直以及旋转三个方向的激振力；第二振动体2在两侧设备基础的限定下产生竖直方向的激振力。该振动系统的动力学模型为：

其中，y₁，y₂，

分别表示第一振动体1和第二振动体2竖直方向的位移、速度、加速度；x₁，

分别表示第一振动体1水平方向的位移、速度、加速度；ψ₁，

分别表示第一振动体1扭摆方向的位移、速度、加速度；M₁为第一振动体1、第一电机3、第二电机4、第一摆臂5、第二摆臂6、第一质量球7和第二质量球8的质量和；M₂为第二振动体2的质量；m_i(i＝1，2)分别为第一质量球7和第二质量球8的质量；l_i(i＝1，2)分别为第一摆臂5和第二摆臂6的长度；

分别为第一质量球7和第二质量球8的角位移；

分别表示第一质量球7和第二质量球8的角速度；

分别表示第一质量球7和第二质量球8的角加速度；β₁为旋转坐标轴x′与O₁O'线的夹角，β₂为旋转坐标轴x′与O₂O'线的夹角，其中，β₁+β₂＝π；k_x,k_ψ分别表示第一振动体1在x方向、ψ方向的刚度；c_x,c_ψ分别表示第一振动体1在x方向、ψ方向的阻尼；k₁为第一振动体1和第二振动体2之间在竖直方向的刚度；k₂为第二振动体2在竖直方向的刚度；c₁为第一振动体1和第二振动体2之间在竖直方向的阻尼；c₂为第二振动体2在竖直方向上的阻尼；d_i(i＝1,2)为O_i与O'之间的距离；J为第一振动体1绕O点的转动惯量；J₁和J₂分别为带第一质量球7的第一摆臂5以及带第二质量球8的第二摆臂6的转动惯量；c₁₀，c₂₀分别为带第一质量球7的第一摆臂5以及带第二质量球8的第二摆臂6的回转阻尼；T_mi(i＝1，2)分别为第i电机轴上的电磁输出转矩；f(y₂)为滞回力；Oxy为第一振动体1初始位置坐标；O′x′y′为第一振动体1移动时的旋转坐标；O₁、O₂分别为两质量球的回转中心。

在上述实施例的基础上，进一步地，根据动力学模型对振动系统的同步特性进行分析，包括：设定振动系统的滞回力模型和动力学模型中的各个参数以及初始状态信号，根据参数对振动系统的同步特性进行分析。可以根据各个参数，并在考虑初始状态信号对转速差和相位差影响的情况下，对振动系统的同步特性进行分析。

在上述实施例的基础上，进一步地，设定振动系统的滞回力模型和动力学模型中的各个参数，根据参数对所述振动系统的同步特性进行分析，包括：根据动力学模型建立仿真模型；将设定的各个参数以及初始状态信号输入仿真模型，根据仿真结果对振动系统的同步特性进行分析。

还可根据振动系统的动力学模型建立计算机仿真模型。可采用Matlab里的simlink等计算机软件，将振动系统的动力学模型各公式转换为计算机能处理的仿真模型。基于计算机仿真模型，设置系统参数和初始状态信号，对振动系统进行模型仿真。仿真模型可模拟第一振动体1和第二振动体2的振动情况，以对整个振动系统进行分析。

其中，系统参数包括质体质量、振动位移信号、转动惯量、各电机的转速及转速差等。初始状态信号包括第一电机3和第二电机4的初始转速以及第一质量球7和第二质量球8的初始相位。

在上述实施例的基础上，进一步地，一种双振动体振动系统包括第一振动体1、第二振动体2、弹簧和阻尼、两电机、两个摆臂、两个质量球。在第一振动体1上对称安装两个电机，两个电机分别直接驱动摆臂，而两摆臂的另一侧带动质量球。该振动系统双臂反向回转，使双质量球回转角相位保持恒定，实现两个振动体的反复稳定运行。该振动系统结构简单，利用双臂的回转角相位同步使两个振动体能实现反复稳定运动。可应用于需要反复运动的系统中。

该振动系统采用双电机分别直接驱动双质量球，使双质量球回转，产生三个方向的振动离心驱动力，利用双质量球的回转角相位保持恒定值的特点，力图使两电机转速同步运转和两个振动体实现反复稳定运动。

当两电机初始条件存在差异时，双质量球相位保持恒定值如图3，电机转速仍能实现同步运转如图4和两个振动体实现稳定的反复运动如图5。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双振动体振动系统，包括：第一振动体和第二振动体；其特征在于，所述第一振动体的底面与所述第二振动体的顶面相连，所述第一振动体上设有第一电机和第二电机，所述第一电机和所述第二电机沿水平方向设置且关于所述第一振动体对称，所述第一电机与第一摆臂的一端相连，所述第一摆臂的另一端与第一质量球相连，所述第二电机与第二摆臂的一端相连，所述第二摆臂的另一端与第二质量球相连，所述第一质量球和所述第二质量球反向回转；

所述第一振动体的两个侧面分别通过弹性件与设备基础相连、底面通过弹性件与所述第二振动体的顶面相连，所述第二振动体的底面通过弹性件与设备基础相连、两个侧面分别与设备基础沿竖直方向滑动连接。

2.一种基于上述权利要求1所述双振动体振动系统的同步特性分析方法，其特征在于，包括：

根据第二振动体底面设备基础的应力与应变关系以及第二振动体与底面设备基础之间的相互作用关系建立底面设备基础的滞回力模型；

建立振动系统中第一振动体水平、竖直和旋转三个位移方向以及第二振动体竖直位移方向的力学模型，并根据滞回力模型以及力学模型建立振动系统的动力学模型；

根据所述动力学模型对所述振动系统的同步特性进行分析。

3.根据权利要求2所述的同步特性分析方法，其特征在于，根据第二振动体底面设备基础的应力与应变关系以及第二振动体与底面设备基础之间的相互作用关系建立底面设备基础的滞回力模型，包括：

根据第二振动体底面设备基础线性弹性刚度、振动系统竖直方向的位移、线性恢复力以及非线性恢复力建立所述滞回力模型。

4.根据权利要求2所述的同步特性分析方法，其特征在于，所述滞回力模型为：

即CD部分

其中，k′为滞回系数；ε为非线性系数，0＜ε＜1；y₂为第二振动体在竖直方向的位移；

为第二振动体竖直方向的速度；其中A点坐标为(0，0)，B点坐标为(y_B，f(B))，C点坐标为(y_C，f(C))，D点坐标为(y_D，0)，且0≤y_B≤y_C≤y_D。

5.根据权利要求4所述的同步特性分析方法，其特征在于，设定所述第二振动体在竖直方向上为周期运动，则所述滞回力模型为：

其中，y₂＝αcosγ；α为振幅；γ为第二振动体的反复运动相位角；

γ₁＝-γ₂。

6.根据权利要求4或5所述的同步特性分析方法，其特征在于，基于滞回力模型、第一振动体分别在三个位移方向的运动参数、第二振动体在竖直位移方向的运动参数、第一质量球和第二质量球的运动参数、振动系统中各部件的属性参数、各部件初始状态位置距离关系以及移动状态位置距离关系；根据拉格朗日方程，建立所述动力学模型。

7.根据权利要求2所述的同步特性分析方法，其特征在于，根据所述动力学模型对所述振动系统的同步特性进行分析，包括：

设定所述振动系统的滞回力模型和动力学模型中的各个参数以及初始状态信号，根据所述参数对所述振动系统的同步特性进行分析。

8.根据权利要求7所述的同步特性分析方法，其特征在于，设定所述振动系统的滞回力模型和动力学模型中的各个参数以及初始状态信号，根据所述参数对所述振动系统的同步特性进行分析，包括：

根据所述动力学模型建立仿真模型；

将设定的各个参数以及初始状态信号输入所述仿真模型，根据仿真结果对所述振动系统的同步特性进行分析。

9.根据权利要求7所述的同步特性分析方法，其特征在于，所述初始状态信号包括第一电机和第二电机的初始转速以及第一质量球和第二质量球的初始相位。

Images