激振连杆机构的应力硬化振动分析

程虎丰 蒋冉

摘 要：利用三维设计软件及其有限元分析插件对激振连杆机构建模与动态特性分析，获得激振连杆机构的基本频率即最低共振频率。通过对激振连杆机构加载不同数值的驱动角速度，让激振连杆机构获得不同数值的离心力载荷。由于应力硬化現象，不同的离心力载荷会改变激振连杆机构的最低共振频率，绘制出最低共振频率和驱动角速度的曲线，避免共振产生的同时，为系统控制策略提供可靠的数据。

关键词：基本频率 应力硬化 离心力 共振

中图分类号：TH11 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（c）-0002-02

现代化的设备对传统的机构要求速度越来越高，以提高生产效率；重量要求越来越轻巧，以降低成本。激振连杆机构是食品生产自动化专门配备的机构，它可以在保证产品质量、改善劳动条件、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。在实际工作过程中，激振连杆机构在基本频率即最低的共振频率下会产生剧烈的振动。获得激振连杆机构共振频率和驱动角速度的曲线，避免共振产生的同时，为系统控制策略提供可靠的数据，对提高生产效率和稳定产品质量有着极其重要的作用。

1 激振连杆机构的构型

如图1所示，中间位置为驱动连杆，可以加载整个结构的运动角速度，运动的轴线为驱动连杆的长度方向上的中心轴线。驱动连杆的上端用圆柱运动副连接激振连杆的中部，而激振连杆的弯曲头部为激振输出部位，受恒力载荷，此恒力载荷也对整个连杆机构产生应力硬化作用。激振连杆在远离弯曲头的一端与二力连杆采取铰链运动副连接。二力连杆的另外一端与调整滑块采取铰链运动副连接。调整滑块与驱动连杆圆柱运动副连接。

2 激振连杆机构的振动原理

本文以机械振动学为理论基础，基于SolidWorks Simulation软件，建立了激振连杆机构三维模型，分析了激振连杆机构振动模态与结构的规律，为激振连杆机构振动控制建立了理论依据。每种结构都有它固有的振动频率，称之为共振频率。这样的频率都和特定形式的振动联系在一起。当共振频率被激活时，将表现出一种振动的形态，称之为振动模态。激振连杆机构工作所受外力和由于旋转角速度产生的离心力载荷将会对结构产生拉应力作用，这些拉应力将会增加结构刚性，增加的刚度称为应力刚度，将它添加到弹性刚度里面，也称为形状刚度。实际上高速旋转的结构比其静止的时刻更加坚硬。而增加的刚度会影响到结构的共振频率。拉力和压力载荷会改变结构体的抗弯能力。压力会降低抗弯能力，这种现行被称为应力软化。拉力能够增加弯曲刚度，这种现象被称为应力硬化。应力硬化和应力软化对于静态分析和频率分析都至关重要，因为它们会影响结构体的最终刚度，进而改变结构体对载荷的响应及振动属性。SolidWorks Simulation与SolidWorks完全集成的设计分析系统。SolidWorks Simulation提供了应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析等解决方案。所涉及的内容有线性静态、频率、动态等分析。该软件采用了有限元方法。有限元方法是一种用于分析工程设计的数字方法。有限元方法由于其通用性适合使用计算机来实现，因此已被公认为标准的分析方法。当SolidWorks Simulation进行频率分析时探测到载荷时，将会考虑可能发生的应力硬化和应力软化。

3 激振连杆机构的振动模拟

激振连杆机构是一个比较复杂的结构，建模时应尽量简化模型的规模，如管线、螺钉、倒角等对分析影响不大的部件或特征都可被忽略掉。激振连杆机构主要由驱动连杆、激振连杆、二力连杆和调整滑块组成。在SolidWorks软件中建立模型，简化模型如图1所示。材质选用304食品级不锈钢，其弹性模量E=190GPa，泊松比μ=0.29，密度ρ=8000kg/m3。实体转化为有限元模型后，采用网格自由划分。

对产品进行模态分析，是产品新研制中不可缺少的重要步骤。通过对激振连杆机构进行前1阶的模态分析，获得前1阶固有频率及振型。由模态分析可知，激振连杆机构的运行转速为1000RMP的角速度，其基本频率为241.5Hz；运行转速为2000RMP的角速度，其基本频率为242.5Hz；运行转速为3000RMP的角速度，其基本频率为244.1转速为4000RMP的角速度，其基本频率为246.3Hz；运行转速为5000RMP的角速度，其基本频率为249.0Hz；运行转速为6000RMP的角速度，其基本频率为252.2。通过以上数据，拟合出如图2所示的曲线，横坐标为6个设计情形；纵坐标分别为240、245、250、255分割点，曲线的趋势为浴盆形状，说明角速度与基本频率之间的关系，并非线性关系。

4 结语

应用SolidWorks的Simulation功能，对激振连杆机构建模进行结构分析，通过建立三维模型，定义结构接触类型，赋予材质属性，指定机构约束特征。获得在一定转速下的基本频率。采用软件的设计情形功能，加载系统外部载荷，改变其基本频率，获得激振连杆机构的浴盆形状的角速度与基本频率之间曲线，即基本频率随转速变化的曲线图。所获得的曲线图可以指导驱动机构和传动机构的选型设计，也可以为控制系统加载的策略进行规划提供数值依据。所以本文的设计方法为激振连杆机构的结构优化设计和系统控制提供了一种高效、可行的方法。

参考文献

[1] 侯文英，顾世堂，高子叶.轴承支撑刚度对离心风机转子系统动态特性的影响分析[J].内蒙古科技与经济，2017（10）：97-98.

[2] 李志刚.注塑机械手振动控制研究[J].制造业自动化，2011（10）：27-30.

[3] 陈超祥.SolidWorks Simulation高级教程[M].北京：机械工业出版社，2011.

[4] 李兵，陆建辉.注塑机械手结构拓扑优化设计[J].机械，2009（2）：12-14.