基于ADAMS的混凝土振動攪拌機振動特性分析

孫博士,杜輝輝,周昱豪,黃益之

長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室,陜西 西安 710064

0 引言

混凝土是膠凝材料將骨料膠結而成的固體復合材料,是建筑工程和道路施工的主要材料,其均勻度和強度是最重要的性能評價指標[1]。在攪拌振動的過程中,對混合料施加振動,有效降低了混合料的內摩擦力和黏聚力,破壞水泥顆粒的聚集狀態,加快水泥等膠凝材料的水化反應,使混凝土在宏觀和微觀都能快速達到均勻[2]。Lobanov et al.[3]分析了振動參數與混合料塑性黏度和剪切應力的關系,推導出振動對混合料狀態的影響方程。劉慧明[4]對雙臥軸振動攪拌機的振動分布情況進行研究,通過試驗測試和模態分析研究振動攪拌裝置的振動傳播規律。王玄豐[5]發現振動攪拌過程中,不同振動參數產生的附加載荷會影響攪拌機的穩定性和可靠性。以上研究主要側重于振動參數對混合料均勻度和設備可靠性的探討,對振動攪拌裝置振動特性的影響考慮不充分。

混凝土振動攪拌機是一種新型攪拌設備。與傳統強制攪拌技術相比,采用振動與強制攪拌相結合的方式,提高了混凝土攪拌質量和效率[6]。混凝土振動攪拌機的振動特性對機器可靠性和混凝土攪拌質量有顯著影響。本文結合產品實際情況,建立了單端偏心激振結構的振動攪拌裝置模型,使用機械系統動力學自動分析(ADAMS)軟件對不同工況下的振動攪拌模型進行仿真,研究了不同振動參數對振動系統、攪拌系統等結構振動特性的影響。最后,對仿真結果進行了對比分析,為混凝土振動攪拌機振動參數的選取提供了一定參考。

1 混凝土振動攪拌機工作原理及振動參數

1.1 攪拌機工作原理

振動攪拌機攪拌裝置分為攪拌端和振動端。在攪拌端,2個攪拌軸在攪拌驅動電機的帶動下同步反向運轉,對拌缸內的混合料進行強制攪拌。在振動端,2個獨立的振動驅動電機帶動激振器與攪拌裝置相連,將振動直接傳遞給攪拌裝置。目前,混凝土振動攪拌機攪拌裝置主要采用單端偏心激振結構,振動攪拌裝置簡圖如圖1所示。

1—振動驅動電機;2—振動傳動軸;3—支承軸承;4—偏心軸承座;5—激振器;6—振動端軸承;7—攪拌端軸承;8—攪拌驅動電機;9—攪拌軸;10—攪拌缸;11—拌臂及葉片。圖1 振動攪拌裝置簡圖

振動傳動軸與攪拌軸連接處存在偏心軸段,攪拌軸回轉軸線與振動軸回轉軸線存在夾角,攪拌驅動電機帶動攪拌軸圍繞自身軸線做定軸轉動,振動驅動電機帶動振動軸高速旋轉時,偏心軸段使攪拌軸繞著振動軸軸線做定軸轉動。攪拌軸的整體運動可以看作一個復合運動,其振動端是類錐擺的圓周運動。在攪拌過程中,攪拌裝置中的攪拌軸和拌臂及葉片時刻受到振動激勵,產生振動。攪拌裝置在拌缸內對混合料進行強制攪拌時,使混合料也處于顫振狀態,提高了混合料攪拌效率和質量。試驗證明,混凝土振動攪拌機在攪拌過程中只需達到3～5g(1g=9.8 m/s2)的振動強度,就能達到良好的攪拌效果,在確保軸承壽命和機器穩定性的同時,還能保證混凝土的攪拌質量[7]。

1.2 攪拌機振動參數

振動攪拌的主要振動參數是振動強度D、激振頻率f和激振器振幅A。攪拌機的振動強度公式如下。

(1)

式中:振動傳動軸驅動角頻率ω=2πf是振動參數之一,激振器振幅A等于振動軸上偏心軸徑的偏心距e,g為重力加速度。

理論上,混凝土進行振動攪拌時的振動強度越高,越容易破壞混合料內部的黏聚結構,縮短攪拌時間,使混合料更快達到均勻。然而振動強度過大,會導致機器本身在附加慣性力和慣性力矩的作用下,產生強烈的振動,從而降低設備的可靠性。因此,需要選擇合理的振動參數,在滿足機械強度設計要求的同時,為混合料提供良好的振動攪拌效果。

2 模型建立與仿真

2.1 模型建立

采用SolidWorks建模軟件對單軸振動攪拌裝置進行建模。本次仿真針對振動攪拌機的工作原理建立1個簡化模型,在基本不減小攪拌裝置剛度和質量的前提下,去掉攪拌裝置不必要特征。為確保在ADAMS中,滿足攪拌軸運動自由度需求,攪拌軸兩端的調心滾子軸承均使用關節軸承代替。振動攪拌裝置測點分布如圖2所示。為研究振動攪拌系統的振動特性,在攪拌軸和振動軸上均標記5個測點,其中側點3和側點C分別位于振動軸與傳動軸的質心處,側點5、側點B和側點D位于支撐軸承質心處,側點1位于攪拌軸振動端最大偏心距處,所有測點均布置在各軸軸線上。

圖2 振動攪拌裝置測點分布圖

2.2 添加約束和驅動

模型導入ADAMS后,各個零件是獨立狀態,需要對每個部件進行連接,組成一個機械系統。將單軸振動攪拌裝置三維模型以Parasolid格式導入ADAMS中,添加各零件材料為steel,給模型添加運動副,兩端關節軸承的內外圈添加球鉸副。在振動軸與振動軸承座之間添加軸承模塊,軸承與軸和軸承座之間的碰撞接觸使用ADAMS中的沖擊函數法進行模擬計算。其他部件之間均為固定副。同時為滿足多自由度驅動需求,使用點驅動代替轉動驅動,實現攪拌裝置的振動與攪拌相結合,對振動攪拌裝置同時進行運動學和動力學仿真分析。

2.3 仿真試驗設計

為了研究振動參數對振動攪拌模型的振動特性影響,以偏心距e和振動頻率f作為變量,進行仿真試驗,仿真試驗方案如表1所示。

表1 仿真試驗方案

3 仿真結果與分析

3.1 仿真驗證分析

導入ADAMS添加運動關系,標記測點如圖2所示,振動頻率f為35 Hz,偏心距e為1.0 mm,設置仿真時間5 s,仿真步數5 000步。測點1的振動加速度如圖3所示,因為傳動軸與振動軸承座使用了ADAMS軸承模塊,在啟動階段,測點振動加速度存在劇烈波動,運轉穩定后,曲線為正弦波形,以攪拌軸軸向方向為z方向,則測點1在x、y方向正弦波相位差約為90°。圖4是攪拌軸上各測點坐標位置隨時間變化情況,在x、y方向,從攪拌軸的振動端向攪拌端,各測點振幅與各測點軸向位置為線性遞減關系。由此可知攪拌軸的振動特性符合規則的圓錐振動分布。

圖3 測點1振動加速度在x、y方向隨時間變化曲線

圖4 攪拌軸上各測點坐標位置隨時間變化情況

3.2 振動特性分析

振動參數對振動分布的影響如圖5所示。

圖5 振動參數對振動分布的影響

由圖5(a)可以看出,在相同偏心距e下,攪拌軸上的振動強度由近振端到攪拌端呈線性衰減,即各點振動強度與振動頻率成正比。由圖5(b)可以看出,在相同振動頻率f下,振動分布規律相似,各點振動強度的大小與偏心距e成正比。將兩圖進行對比分析可以看出,與最大偏心距相比,振動頻率對振動強度的影響更顯著。由式(1)可知,這是因為振動強度與振幅A成正比,與振動角頻率ω2成正比,角頻率增加1倍,振動強度則增加4倍,符合位移振動模型的振動規律。圖5(c)、(d)表明在攪拌過程中,振動軸將部分振動能量通過激振器傳遞到振動軸上。振動軸上的振動強度由兩端向中間遞減,呈現“中間小,兩邊大”的振動分布規律。由圖2可知,E點與A點相比更靠近軸承,軸承支撐力更大。而且A點遠離攪拌軸振動端,受到的附加載荷更大。這使得振動軸上測點A振動強度總是略大于E,符合振動分布規律。以上仿真表明,振動參數對兩軸上振動強度大小的影響較大,對兩軸的振動分布規律無明顯影響。

由于振動端與機架固定,考慮到傳動軸的振動幅度過大時,使軸承的附加反動力過大,導致機器的穩定和可靠性差。因此,需要在增加攪拌軸振動強度的同時,盡可能降低振動軸的振動強度。從圖5(c)、(d)可以看出,振動軸上振動強度受到振動頻率影響更顯著。因為混凝土是多相混合材料,當振動角頻率ω接近或達到其共振頻率時,振動攪拌效果比較理想。且需要避免激振裝置的固有頻率,防止振動攪拌機產生共振現象。當振動參數振動頻率f為35 Hz,偏心距e為1.0 mm時,能夠滿足攪拌軸振動強度需求,同時振動軸振動強度較低,振動參數選擇比較合理。

4 結論

1)基于振動攪拌機原理,建立了振動攪拌裝置模型,滿足了ADAMS中攪拌軸與傳動軸的運動需求,驗證了仿真模型攪拌軸的振動特性符合圓錐振動模型。

2)攪拌軸的振動強度會影響振動軸的振型,使振動軸呈現“兩邊大,中間小”的振動規律。攪拌軸上的每個測點符合正弦波運動規律,各測點振動加速度從近振端向攪拌端呈現線性遞減規律。

3)通過仿真試驗可知,振動參數對兩軸上振動強度大小的影響較大,對軸上振動分布規律無明顯影響。選擇合理的振動參數,能夠保證振動攪拌效果的同時,加強機器的穩定性和可靠性。本研究對振動攪拌裝置振動參數的選取提供了參考。