基于Solidworks對(duì)聲共振攪拌設(shè)備進(jìn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汪領(lǐng) 吳兆鉞 曾卉帆 張憲國(guó) 秦緒芳

摘 要：聲共振攪拌設(shè)備是一種新型的攪拌設(shè)備，能夠利用機(jī)械共振的能量實(shí)現(xiàn)攪拌裝置內(nèi)物料的迅速混合。并且沒(méi)有侵入式設(shè)備，能夠很好的保證攪拌過(guò)程中的安全和平穩(wěn)，低噪聲。對(duì)于醫(yī)藥混合，火藥混合。甚至于納米級(jí)的粉末涂抹都具有很大的意義。本文主要是對(duì)于聲共振混合設(shè)備基于三質(zhì)量體的振動(dòng)原理進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和猜想。設(shè)計(jì)了一種特殊的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的水平旋轉(zhuǎn)到振動(dòng)平臺(tái)的垂直運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的倍增效果。其次對(duì)振動(dòng)模型的物理方程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析，了解其部分影響參數(shù)。

關(guān)鍵詞：聲共振;轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu);振動(dòng)方程;Slidworks ;matlab

0.前言

聲共振攪拌一種新型的攪拌方式。改進(jìn)傳統(tǒng)攪拌方式，提高攪拌質(zhì)量，縮短攪拌時(shí)間，使攪拌物能夠混合的更加均勻;兼容多種狀態(tài)物質(zhì)的混合攪拌;能夠應(yīng)用于相同類型容器中混合低粘度，高粘度以及非牛頓系統(tǒng);在攪拌類似于火藥粉這樣危險(xiǎn)的物料時(shí)，新式的聲共振混合攪拌機(jī)則能避免使用葉輪或其他的入侵式設(shè)備進(jìn)行混合，避免了諸多風(fēng)險(xiǎn)和麻煩;利用機(jī)械共振的力量，將機(jī)械能傳遞到混合過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能的更優(yōu)化使用，減少能耗。[1-3]

無(wú)論是工業(yè)生產(chǎn)，醫(yī)藥生產(chǎn)，還是社會(huì)生活中，都有著攪拌機(jī)的影子，其作用就是將不同的材料來(lái)進(jìn)行混合以達(dá)到生產(chǎn)應(yīng)用。在工業(yè)上，攪拌機(jī)可以將水、砂、石子，化學(xué)外加劑和礦物摻合料，按適當(dāng)比例配合，經(jīng)過(guò)均勻攪拌、密實(shí)成型達(dá)到人造石材的目的;在化學(xué)工業(yè)中，攪拌機(jī)更是可以用來(lái)混合不同化學(xué)試劑，加速化學(xué)反應(yīng)效率，配置均勻的樣品;在生活中攪拌機(jī)可以滿足日常清洗，混合粉料，果蔬加工處理;隨著時(shí)代的發(fā)展，攪拌設(shè)備的應(yīng)越來(lái)越廣泛，對(duì)于攪拌設(shè)備的要求也是越來(lái)越高。傾向于更小型化，節(jié)能化，效率高，操作簡(jiǎn)易化，智能化的方向發(fā)展。[4]

聲共振攪拌一種新型的攪拌方式。改進(jìn)傳統(tǒng)攪拌方式，提高攪拌質(zhì)量，縮短攪拌時(shí)間，使攪拌物能夠混合的更加均勻;兼容多種狀態(tài)物質(zhì)的混合攪拌;能夠應(yīng)用于相同類型容器中混合低粘度，高粘度以及非牛頓系統(tǒng);在攪拌類似于火藥粉這樣危險(xiǎn)的物料時(shí)，新式的聲共振混合攪拌機(jī)則能避免使用葉輪或其他的入侵式設(shè)備進(jìn)行混合，避免了諸多風(fēng)險(xiǎn)和麻煩;利用機(jī)械共振的力量，將機(jī)械能傳遞到混合過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能的更優(yōu)化使用，減少能耗。[4]

1.聲共振攪拌設(shè)備的結(jié)構(gòu)

聲共振攪拌機(jī)整體采用的三質(zhì)量體的架構(gòu)，在激振裝置，中間平臺(tái)，物料攪拌容器都都設(shè)置的彈簧裝置。如圖1所示：底部采用的橡膠吸盤(pán)，能夠很好的緩和沖擊，減低噪聲。而且采用是的仿生吸盤(pán)結(jié)構(gòu)，能夠保證裝置在運(yùn)行的過(guò)程中，始終保持穩(wěn)定，不至于由于振動(dòng)而發(fā)生偏移。在每個(gè)質(zhì)體之間都安裝的有彈性裝置。其中在底座橡膠支腿出安裝的彈簧能夠很好的吸收沖擊，以及提供物料在上下振動(dòng)過(guò)程中所需要的能量，使得由電機(jī)作為激振裝置提供的能量能夠在物料和底座之間進(jìn)行一部分的轉(zhuǎn)換。在達(dá)到共振的情況下，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)彈簧與物料振動(dòng)能量的完美傳遞。電機(jī)能夠通過(guò)調(diào)速器進(jìn)行調(diào)速，也可以通過(guò)改變振動(dòng)臺(tái)的物料參數(shù)來(lái)改變振動(dòng)頻率的倍增關(guān)系。在電機(jī)旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，其動(dòng)力通過(guò)聯(lián)軸器，起伏轉(zhuǎn)柄振動(dòng)臺(tái)傳遞到振動(dòng)容器。振動(dòng)容器進(jìn)行相應(yīng)頻率的振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)容器內(nèi)物料的混合。為防止振動(dòng)容器跳竄，在其上方布置了一系列的張緊和緩沖裝置。

2.振動(dòng)臺(tái)

該振動(dòng)平臺(tái)進(jìn)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，能夠借助于起伏轉(zhuǎn)柄，實(shí)現(xiàn)由電機(jī)的水平旋轉(zhuǎn)到振動(dòng)臺(tái)的上下振動(dòng)。而且還能夠個(gè)根據(jù)特定參數(shù)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的倍增。其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示：

在該結(jié)構(gòu)中，可以看到其內(nèi)部凹槽的表面輪廓是一個(gè)封閉曲線，形狀類似于常見(jiàn)的正弦曲線。本次設(shè)計(jì)的凹槽輪廓為數(shù)個(gè)半圓連接而成，相鄰的兩個(gè)半圓的凸弧方向相反。設(shè)整個(gè)振動(dòng)盤(pán)的凹槽的直徑為D，小圓弧的直徑為d.則在整個(gè)環(huán)形凹槽中，小圓弧的個(gè)數(shù)? ? ? ? ? ? ? ? ? ?。小圓弧的個(gè)數(shù)

必須要與起伏轉(zhuǎn)柄的柄數(shù)相匹配。小圓弧的個(gè)數(shù)應(yīng)該是柄數(shù)二倍的整數(shù)倍。該裝置的柄數(shù)為三，所以小圓弧的個(gè)數(shù)應(yīng)該為六的整數(shù)倍。而且該整數(shù)倍的數(shù)值也就是該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠?qū)㈦姍C(jī)的最大轉(zhuǎn)速所能夠提高的倍數(shù)。在不考慮材料潤(rùn)滑應(yīng)力磨損的情況下，是可以達(dá)到提升數(shù)倍的關(guān)系。具體能夠提升的倍數(shù)還要看凹槽的直徑和小圓弧直徑的比值。當(dāng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，若是小圓弧的直徑過(guò)小則會(huì)引起設(shè)備抖動(dòng)加劇，加速起伏轉(zhuǎn)柄的磨損，減低設(shè)備壽命，若選擇的直徑過(guò)大則會(huì)起不到增速的效果。一般來(lái)說(shuō)，可以選擇柄數(shù)為三的起伏轉(zhuǎn)柄，將電機(jī)轉(zhuǎn)速提升三到五倍為好。除此之外，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的水平旋轉(zhuǎn)到振動(dòng)臺(tái)垂直振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式的改變。相比較之前的偏心轉(zhuǎn)子，偏心輪等偏心結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，使其只承受水平方向上的扭矩，而避免了承受垂直于軸的彎矩作用，大大改善了電機(jī)及其聯(lián)軸器的受力狀況，方便了結(jié)構(gòu)布置。

3.聲共振攪拌機(jī)原理

機(jī)械裝置的共振裝置結(jié)構(gòu)原理如圖3

在聲共振攪拌設(shè)備中，聲共振的勢(shì)能儲(chǔ)存在彈簧中，動(dòng)能由板或質(zhì)量塊提供，這些板或質(zhì)量塊與彈簧連接并以垂直運(yùn)動(dòng)平移。諧振頻率被定義為系統(tǒng)中的機(jī)械能可以在存儲(chǔ)在彈簧中的勢(shì)能和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量中的動(dòng)能之間完美轉(zhuǎn)換的頻率[1-3]

圖3左上方的圖表顯示了以某種速度移動(dòng)的質(zhì)量。為了減慢質(zhì)量（減速），需要施加外力。當(dāng)質(zhì)量減速時(shí)，較低的速度導(dǎo)致其具有較低的動(dòng)能。圖3右上圖顯示，當(dāng)施加的外力壓縮或拉伸彈簧時(shí)，彈簧可以儲(chǔ)存勢(shì)能。儲(chǔ)存在彈簧中的能量在偏轉(zhuǎn)較大時(shí)較大，而在彈簧未變形時(shí)減小到零。圖1中的左下圖顯示了彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的表示。在這種情況下，“混合”功能被模擬為一個(gè)阻尼器，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)吸收能量。描述振蕩過(guò)程中存在力的二階微分方程如圖3右下圖所示。該公式顯示了由于運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，偏轉(zhuǎn)彈簧和混合過(guò)程而產(chǎn)生的力之間的關(guān)系。表達(dá)式表明這些力總和等于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械力。

而在三質(zhì)量體中，其具體原理圖如圖4。而且其中的力，彈簧系數(shù)均是以矩陣的形式出現(xiàn)，來(lái)帶入計(jì)算的

4.MATLAB數(shù)學(xué)分析

通過(guò)matlab 對(duì)上述公式進(jìn)行計(jì)算，令μ1=m1/m1，μ2=m2/m1，μ3=m3/m1 ，v1=k1/k1 ，v2=k2/k1 ，v3=k3/k1 ，v4=k4/k1。取μ1=1.0，μ2=0.86，μ3 =0.52， v1=1.0，v2 =0.22，v3=0.85，v4=0.28。可以得到三質(zhì)體振動(dòng)系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)曲線：其圖形如圖5所示：

該圖形說(shuō)明：通過(guò)合理選擇系統(tǒng)物清理參數(shù)，三質(zhì)體聲共振混合機(jī)工作在三階共振頻率附近，振幅變化較平緩，負(fù)載質(zhì)體和激振質(zhì)體的運(yùn)行相位相反，兼具了共振時(shí)的振幅放大和振動(dòng)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。[6]

5.結(jié)論

利用solidworks 進(jìn)行三維建模，對(duì)聲共振攪拌設(shè)備的機(jī)械裝置進(jìn)行干涉檢查，和仿真分析。進(jìn)一步確定了三質(zhì)量系統(tǒng)下的聲共振攪拌機(jī)的原理上的正確性。滿足了擁有更大的固有頻率的物料對(duì)于攪拌機(jī)振動(dòng)頻率的要求。及時(shí)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速一定也能實(shí)現(xiàn)裝置的振動(dòng)頻率的倍增。通過(guò)matlab 進(jìn)一步分析三質(zhì)體的物理參數(shù)對(duì)共振狀態(tài)的影響。通過(guò)合理調(diào)節(jié)裝置物理參數(shù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)具有共振放大和共振平穩(wěn)的雙要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]YOSHII T， SHIMADA M， NARUSE T， et al. Investigation on Fatigue Process using Electro-Magnetic Acoutic Resonance （EMAR） system [J]. 海上技術(shù)安全研究所報(bào)告， 2004， 4（4）： 403-17.

[2]NAMI， HARUTA， TEIZO， et al. Time-Resolved UV Resonance Raman Investigation of Protein Folding Using a Rapid Mixer： Characterization of Kinetic Folding Intermediates of Apomyoglobin [J]. Biochemistry， 2002，

[3]KIM S H， KIM Y S， LEE J H. Vibration Analysis of 2DOF Resonance Type Mixer [J].? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?， 2017，

[4]譚玉龍. 全自動(dòng)多功能食品攪拌機(jī)的研究與設(shè)計(jì) [D]; 西華大學(xué)， 2014.

[5]張毅銘， 馬寧， 王小鵬， et al. 固液兩相聲共振混合數(shù)值模擬 [J]. 化工進(jìn)展， 2018，

[6]詹小斌， 湯瀅， 蘭昌義， et al. 三質(zhì)體聲共振混合機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性及其性能分析 [J]. 振動(dòng)與沖擊， 2020， 39（2）： 204-8.