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双质体振动给料机动态设计研究

作　者: 阮文苏
导　师: 侯友夫
学　校: 中国矿业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 双质体振动给料机虚拟设计优化计算动力学仿真模态分析谐响应分析疲劳分析
分类号: TH237.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

双质体振动给料机是一种广泛应用在冶金、煤炭、电力、化工、建材、轻工和粮食等行业中的给料设备。目前双质体振动给料机大多是采用经验数据和安全系数的设计方法，未充分考虑结构的工作动态特性，因此不能保证产品结构的设计合理性，导致电耗高、振幅不稳定、产量较低、噪音大、使用寿命短等缺点。所以，采用现代设计方法研究和制造双质体振动给料机，提升设计水平、缩短产品开发周期及提高产品可靠性等已成为一项重要的研究课题。为此，本论文采用虚拟设计、动态设计、有限元分析、动力学仿真等现代设计方法对双质体振动给料机的设计技术展开了研究。通过对双质体振动给料机的工作原理和给料槽体内物料的运动形式的研究，推导出给料槽体工作面的位移、速度、加速度、物料运动的理论平均速度和产量的计算公式，总结出双质体振动给料机工艺参数的选择原则和方法；分析了物料运动速度的影响参数，并利用MATLAB优化工具箱对其进行了优化计算，得到了小倾角椭圆振动给料机物料在抛掷运动状态下输送速度最大时的最佳运动学参数。建立了双质体振动给料机的动力学模型和四自由度振动方程，给出了振动方程的求解方法。对振动方程的分析表明，双质体振动给料机出现前、后摇摆振动的原因是激振力不通过机体质心，在此基础上提出了使双质体振动给料机减少前、后摇摆振动的措施。同时计算了双质体振动给料机的动力学参数，为有限元模型的创建与动力学仿真研究提供了基础数据。应用三维CAD绘图软件SolidWorks建立了双质体振动给料机三维模型，完成给料机的虚拟装配，干涉检验和整机参数的校验。利用Visual Basic对SolidWorks进行了二次开发，建立了人机交互界面，通过Visual Basic编程实现不同参数的模型更新，实现一参数一模型的自动生成和模型的重新装配，并实现了三维实体模型向二维工程图的自动转换，以便直接用于生产。整合以上功能建立了双质体振动给料机虚拟设计系统，有效缩短了产品开发周期、节省了制造成本、提高了设计质量。采用三维CAD绘图软件SolidWorks、有限元分析软件ANSYS、多体动力学仿真软件MSC.ADAMS联合仿真技术，建立了双质体振动给料机的刚柔耦合虚拟样机模型，并进行了动力学仿真分析，得到了整机的运动学和动力学参数、主振弹簧和隔振弹簧受力曲线及振动方向角变化曲线等。结果表明，在开机和停止阶段，给料机会出现前后和左右的摇摆，但幅度不大，隔振弹簧承受较大的冲击载荷，易发生剪断破坏，主振弹簧在起动和停止阶段受力很小，工作时振幅平稳，其破坏形式主要为稳定阶段的疲劳失效；双质体振动给料机的平均振动方向角仿真值为34.8°，与理论设计值35°基本一致。仿真结果与理论计算结果的对比分析表明，两者具有较好的一致性，由此证明了双质体振动给料机动力学仿真模型的正确性及仿真结果的可靠性。应用有限元分析软件ANSYS对给料槽体进行了自由模态分析，结果表明给料槽体在额定工作频率下工作不会出现共振现象；对双质体振动给料机整机进行了约束模态分析和谐响应分析，结果表明双质体振动给料机能够成功地克服共振，实现平稳地起动和正常工作。应用ANSYS Workbench软件对主振弹簧、给料槽体等关键易损零部件进行了疲劳分析，得出了寿命图、损伤图、安全系数等疲劳分析参数，确定了弹簧的薄弱环节、不安全和易损伤区域，进而分析了结构设计的合理性，并估算出了使用寿命，为优化设计提供了依据。对双质体振动给料机进行了空载实验，测得了各测点的运动轨迹和振动方向角，实验结果与理论分析结果和仿真结果基本一致，证明了双质体振动给料机动力学分析的正确性。同时，实验表明双质体振动给料机的工作性能和振动特性能够满足设计要求。对给料槽体进行了自由模态试验，测得了给料槽体的固有频率和振型，结果表明试验模态分析结果和理论模态分析结果基本一致，验证了所建立的有限元模型的合理性。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-10
ExtendedAbstract  10-13
目录  13-19
图清单  19-25
表清单  25-26
变量注释表  26-29
1 绪论  29-48
  1.1 引言  29
  1.2 课题背景及研究意义  29-30
  1.3 双质体振动给料机的概述  30-32
  1.4 结构动态设计概述  32-34
  1.5 虚拟设计概述  34-35
  1.6 振动给料机国内外发展概况和研究现状  35-45
  1.7 现有研究中存在的问题  45
  1.8 论文主要研究内容  45-46
  1.9 本章小结  46-48
2 双质体振动给料机运动学特性研究  48-61
  2.1 物料运动的理论分析  48-53
  2.2 双质体振动给料机工艺参数选择与计算  53-55
  2.3 运动学参数分析  55-60
  2.4 本章小结  60-61
3 双质体振动给料机动力学特性研究  61-74
  3.1 双质体振动给料机动力学模型  61-68
  3.2 双质体振动给料机动力学参数计算  68-72
  3.3 双质体振动给料机摇摆振动分析  72-73
  3.4 本章小结  73-74
4 双质体振动给料机的虚拟设计  74-88
  4.1 SolidWorks 软件及二次开发概述  74-75
  4.2 SolidWorks 二次开发的核心技术  75-79
  4.3 SolidWorksAPI 对象的开发方法  79-80
  4.4 SolidWorks 二次开发的一般步骤  80-81
  4.5 双质体振动给料机的三维模型建立  81
  4.6 基于 Visual Basic 6.0 的 SolidWorks 二次开发应用  81-87
  4.7 本章小结  87-88
5 双质体振动给料机仿真研究  88-110
  5.1 多体动力学基础理论  88-94
  5.2 ADAMS 软件介绍  94-96
  5.3 刚柔耦合建模基本理论  96-98
  5.4 双质体振动给料机动力学仿真  98-108
  5.5 本章小结  108-110
6 双质体振动给料机有限元分析  110-140
  6.1 有限元动力学分析理论  110-117
  6.2 双质体振动给料机模态分析  117-126
  6.3 双质体振动给料机谐响应分析  126-131
  6.4 双质体振动给料机疲劳分析  131-138
  6.5 本章小结  138-140
7 双质体振动给料机实验研究  140-155
  7.1 双质体振动给料机空载实验  140-144
  7.2 给料槽体模态试验  144-154
  7.3 本章小结  154-155
8 结论与展望  155-159
  8.1 结论  155-157
  8.2 创新点  157
  8.3 展望  157-159
参考文献  159-169
附录  169-179
  附录1：虚拟设计主界面的主要代码程序  169-171
  附录2：建模预览界面的主要代码程序  171-173
  附录3：模型修改界面的主要代码程序  173-175
  附录4：工程图生成界面的主要代码程序  175-179
作者简历  179-181
学位论文数据集  181

双质体振动给料机动态设计研究

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