基于ADAMS的粉体振动给料系统的建模和仿真Word下载.docx

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ＳＵＮ劢ｉ—ｈｕｔ，烈，Ｍｅｎｇ・ｄｅ，ＸＵ‰乒ｉ

（ＨａｒｂｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｏｍｍｅｒｃｅ。

Ｈａｒｂｉｎ１５００２８．Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

Ｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｐｏｗｄｅｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｅｅｄｅｒｓｙｓｔｅｍｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄａｓｓｅｍｂｌｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｅｎｖｉ－

ｒｏｎｍｅｎｔｏｆＰｍ／Ｅ，ｔｈｅｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｏＡＤＡＭＳｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅＭｅｃｈａｎｉｓｍ／Ｐｒｏｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｍｕｌｔｉ—

ｂｏｄｙｄｙｎａｍｉｃｓｔｈｅｏｒｙａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓａｎｄｍｏｔｉｏｎｓｗｅｒｅｄｉｓｐｏｓｅｄｔｏｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｔｈｅ

ＡＤＡＭＳ．ＴｈｅｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙＷａＳｓｏｌｖｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅａｒｅａｏｆｔｉｍｅａｎｄｆｒｅ—

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‘ｄｅｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｅｅｄｅｒｓｙｓｔｅｍａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅ；

ｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｅｅｄｅｒ；

ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ

医药粉料充填分装机采用特殊设计的单头螺杆连续装粉，

装量准确，效率高，并能适应各种不同粘度的药品。

装粉料的容

器采用西林瓶，由于是连续高速装粉和空间位置的限制，不能直

接把所有的粉料～次性全部灌装到瓶内。

所以部分粉料会落在

一个特制的槽内，由装在槽下的电磁铁产生振动，将槽内的粉料

在一定的时间内振动下落到瓶内，保证计量的准确性。

随着虚拟产品开发、虚拟制造技术的逐渐成熟，计算机仿真技术得到广泛应用。

利用数字化虚拟样机技术对整机及零

部件的性能进行计算机仿真并得到相关数据，可以降低产品开发风险、节约物理样机制造费用和缩短产品设计周期ｕｊ。

本文通过对ＧＬＦ一１高效螺杆医药粉料充填分装机的粉体给料振动系统进行模拟仿真，完成虚拟样机设计。

首先根据装粉容器的特点及走瓶方式设计振动给料系统，并在ＰＲＯ／Ｅ中建模、装配，然后导入ＡＤＡＭＳ中进行动力学仿真，并分析仿真结果。

１粉体给料振动系统的工作特性分析粉体给料振动系统由底座、板弹簧、电磁铁、下料槽等部分组成，其结构和工作原理见图ｌａ。

将正弦交流电加在电磁铁ａ结构及工作Ｉ翮哩ｂ力学模型

图１粉体振动给料系统的结构和力学模型

Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃｓｍｏｄｅｌ

ｏｆｔｈｅ

ｐｏｗｄｅｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｅｅｄｅｒｓｙｓｔｅｍ

的激振线圈上产生一对大小相等的电磁力，吸引衔铁及与其固定的下料槽一起上下振动，使下料槽中物料不断向上抛起移动，从而实现落料。

通过控制交流电的供电电压和频率，可以调节粉体给料系统的给料量¨

一。

电磁振动给料器可以看作是一个双自由度的双质点强迫

振动系统，经简化力学模型见图ｌｂ。

底座及与之联接的铁芯、

线圈、部分板弹簧构成了质量ｍ。

，槽体、下料杯及与之联接的

衔铁、部分板弹簧、部分物料构成质量ｍ：

，隔振橡胶弹性刚度为五；

，板弹簧弹性刚度为ｋ：

。

电磁铁的工作电压为３８０Ｖ，频率

收稿日期：

２００８４）１－１６

基金项目：

黑龙江省科技攻关项目（ＧＣ０４Ａ６０４）

作者简介：

孙智慧（１９６２一），辽宁兴城人，哈尔滨商业大学教授，主要研究方向为工业包装设计、包装机械设计及智能化。

３３

包装工程ＰＡＣＫＡＧＩＮＧＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＶ０１．２９Ｎｏ．２２００８．０２

为５０Ｈｚ，铁芯线圈匝数为５６６０。

由电磁学原理导出脉冲电磁力（即瞬时激振力）Ｆ的计算公式∞ＪＦ＝Ｆｎｓｉｎ（ｔｏｔ）（１）Ｐ０－警＝４而ｘｉｘ丽ｘ４４４《杀ｘＳ瑚．唧）（２）铷ｌ—１．２×

昨×

％×

磊１一…叭”。

峥７式中：

Ｆ０一激振力幅值，卢。

一空气导磁率，曰。

一最大磁感应强度，Ｓ，一主磁极端面积，岛一漏磁系数（磁极气隙较小时其值为ｌ－３左右；

ｅＶａ一磁通量，咖。

２淼），Ｊ。

一磁极个数，泸一电压，Ｖ一交变频率，彬一线圈匝数。

由于橡胶弹簧形状不受限制，具有较高的内阻，有较好的减振、缓冲以及隔音效果，选择橡胶弹簧做减振弹簧。

所选隔振橡胶弹簧邵氏硬度为２５度，弹性模量Ｅ＝０．７３（Ｎ／ｒａｍ２），切变模量Ｇ０＝ｏ．２５（Ｎ／ｍｍ２），弹簧动载系数ｄ＝１．Ｌ半径，＝１０（ｍｍ），高度Ｈ＝３０（ｍｍ）。

弹簧压缩刚度ＫＩ＝咖。

Ｅ凡／Ｈ，弹簧形状系数ｔｘｏ＝１．２（１＋１．６５ｍ；

），ｍｏ＝ｒ／Ｈ。

Ｋ一—６０Ｅ—Ｆｏ一生兰！

：

三［！

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鱼！

（么型２：

］兰墨兰互！

一１ＨＨ＝１１９．３４（Ｎ／ｒａｍ）（３）振动给料系统主要部件就是电磁铁、减振弹簧及板弹簧，以上分别对电磁铁和减振弹簧的参数进行了计算，为后续的仿真分析创造了条件，而板弹簧的相关参数将直接在ＡＤＡＭＳ中通过给定材料由系统自动计算得出。

２粉体振动给料系统虚拟样机模型美国ＭＳＣ公司的仿真软件ＡＤＡＭＳ，具有可视化界面ＡＤ—ＡＭＳ／Ｖｉｅｗ、高效的求解器ＡＤＡＭＳ／Ｓｏｌｖｅｒ和功能强大的后处理模块ＡＤＡＭＳ／Ｐｏｓｔｐｒｏｃｅｓｓｏｒ等。

但它的实体建模能力相对薄

弱，尤其是复杂机械系统的建模要花费大量的时间。

而ＰＴＣ公司的三维实体建模软件Ｐｒｏ／Ｅ，可以方便的实现机械系统中各部件的建模及系统的整体装配，并可以对已装配好的系统模

型进行结构干涉分析。

２个软件之间有Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ／Ｐｒｏ接口程序，能够方便实现无缝连接，实现２个软件的功能优势互补。

对粉体给料振动系统进行仿真，必须先建立振动系统的分析模型，也就是“虚拟样机”。

在将三维模型导入ＭＳＣ．ＡＤＡＭＳ前，要先在Ｐｒｏ／Ｅ刊哿模型装配各零件的单位统一，设单位制为ｎｌＩＢ・ｋ・ｓ，即长度单位为ＩＢｍ，质量单位为妇，时间单位为Ｓ，以保证模型能…劂导入到ＡＤＡＭＳ；

要设置好各零件的密度，保证零件的重量及质心与实物的一致，以求得到最真实的仿真。

为了保证在

导入到ＡＤＡＭＳ后模型

零件之间能够施加约束，还必须保证在ＰＲＯ／Ｅ中零１牛之间没有干涉。

本文中粉体振动给料系

统，采用在产品开发时建立的完整的Ｐｒｏ／Ｅ三维模型，见图２。

３４

图２Ｐｒｏ／Ｅ中建立的系统装配图

Ｆｉｇ．２Ｔｈｅａｓｓｅｍｂｌｅｏｆ

ｓｙｓｔｅｍｂｕｉｌｔｉｎＰｒｏ／Ｅ

在导入ＡＤＡＭＳ前，将系统中每个物体都定义为刚体，在不影响所要研究的系统运动性能或动力性能的前提下，将紧固连接和相对静止的数个

零部件定义为一个刚体，

减少将来固定约束的个

数，最终减小仿真过程中

的计算量。

这样在ＭＳＣ．

ＡＤＡＭＳ中导入模型后就图３ＡＤＡＭｓ中虚拟样机模型

能方便快捷地建好了系Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｐｍｔ。

ｔｙｐｅ

统的虚拟样机，见图３。

ｍ。

ｄｅｌｉｎＡＤＡＭｓ

将模型导入ＭＳＣ．

ＡＤＡＭＳ后，须首先对装配好的虚拟样机施加约束。

根据振动系统的三维模型装配的实际情况，已将下料槽总成中各零件如下料杯、圆盘下料槽、垫块、支撑板等连接为一体，定义成一个刚体；

将３个板弹簧分别定义为３个不同柔性体；

将底座及上

边的梯形垫块连接在一起定义为１个网０体。

为保证测量需要，在３个橡胶弹簧下端以及振动槽各个下料口分别设立Ｍａｒｋｅｒ点，并在电磁铁和衔铁中心位置，设立Ｍａｒｋｅｒ点作为激振激励

输入位置，再将隔振橡胶与底盘之间用Ｂｕｓｈｉｎｇ联接，Ｂｕｓｈｉｎｇ中阻尼值定义为计算所得。

其次是定义运动副和作用力来９区动振动系统，根据实际运动情况要求，粉体充填分装机的生产率为２４０～２６０瓶Ｖｍｉｎ，置

换到当前模型，在底盘中心位置和地面的旋转幅上施加旋转驱

动，速度为１８０。

／ｓ。

上下电磁铁块之间定义一对作用力，力的

大小为前面计算的电磁力Ｆｏ静平衡计算，仿真运行一切正

常，说明所建立虚拟样机模型符合仿真的要求，仿真所得到数据，能应用于后续的设计。

３

粉体振动给料系统虚拟样机模型仿真分析粉体振动给料系统的设计主要应满足２个条件：

分别是上层下料槽能否正常下料及下层减振系统能否满足减振需要。

在此分别测试这２个位置的振动位移，分析其是否满足设计要求。

首先通过菜单Ｂｕｉｌｄ／Ｍｅａｓｕｒｅ／Ｆｕｎｃｔｉｏｎ，建立测量上下各Ｍａｒｋｅｒ点的ｚ向位移的函数。

在幅值为９１Ｎ，频率为５０Ｈｚ的电磁力的作用下，振动槽下料口处Ｍａｒｋｅｒ点的ｚ向位移见图４，其中最大振幅为０．５６ｍｍ，满足振动下料需要。

减振橡胶弹㈣㈣蒯㈧㈣…川

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图４下料口处Ｚ向位移

Ｆｉｇ．４ＴｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅＺ—ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅ

ｆｅｅｄｅｒ

孙智慧等基于ＡＤＡＭＳ的粉体振动给料系统的建模和仿真簧下端处Ｍａｒｋｅｒ点的ｚ向位移见图５，可以看出由于系统自重时间／ｓ

图５橡胶弹簧下端Ｚ向位移

Ｆｉｇ．５ＴｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅＺ—ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ

ｉｎｔｈｅｒｕｂｂｅｒｓｐｒｉｎｇｂｏｔｔｏｍ

引起的预载荷使振动中心偏离了原点，并且其中最大振幅为０．１ｍｍ，基本满足减振需要。

在使用ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ进行振动模态测试时，主要步骤是先建立虚拟样机模型，建立输入通道和激振器以及建立输出通道，再建立并进行受迫振动分析，最后绘制系统模态和频率响应以及模态坐标等。

其中输入通道用来绘制频率响应函数及设置激振器，而激振器用来对系统模型产生激励。

输出通道用以检测系统的频率响应，并可以在频域内直接给出测试结果。

在电磁铁和衔铁中心分别建立、输入通道和相应的激振器，并在此前设立的各Ｍａｒｋｅｒ点设立输出通道测试各点的位移响应ｐ］。

在ＡＤＡＭＳ模型的基础上建立振动模态测试，导入建立的全部输入通道和输出通道，定义振动测试频率范围为１０～１０００Ｈｚ，对模型进行受迫振动，并做频域范围内的性能分析。

通过分析频率响应曲线，可以发现在电磁铁和衔铁上施加输入激励，输入激励对上下各输出通道的影响往往相同，这是由于振动模型的对称性。

以下在分析各输出参数时，只分别考虑上下各一个Ｍａｒｋｅｒ点的影响。

通过软件的动画功能可以清楚的看出系统的第４阶模态和第１１阶模态对系统的振动有重要影响，图６为系统模型第四阶模态坐标图，从图中可以看出外界输入频率为６３．８Ｈｚ时系统的垂直振动幅度最大，此时系统振动幅最大。

图７为系统粕

鞲

频率／Ｈｚ图６振动给料系统第４阶模态坐标图Ｆｉｇ．６’ｒｈｅｆｏｕｒｔｈｍｏｄａｌｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｅｅｄｅｒｓｙｓｔｅｍ频率／Ｈｚ图７振动给料系统第１１阶模态坐标图Ｆｉｇ．７Ｔｈｅｅｌｅｖｅｎｔｈｍｏｄａｌｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｅｅｄｅｒｓｙｓｔｅｍ模型第１１阶模态坐标图，从图中可以看出，当外界输入频率为

１４７．９Ｈｚ时，系统振幅有另一个大的极值。

图８和图９分别为振动槽下料口Ｍａｒｋｅｒ点处和橡胶弹簧

频率／Ｈｚ图８下料口处ｚ向频率响应曲线Ｆｉｇ．８Ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅａｃｔｉｏｎｃｕｎ７ｅｏｆｔｈｅＺ—ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｆｅｅｄｅｒ频率，Ｈｚ

图９橡胶弹簧下端ｚ向

频率响应曲线

Ｆｉｇ．９Ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅａｃｔｉｏｎ

ｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅＺ—ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｎ

ｔｈｅｒｕｂｂｅｒ

ｓｐｒｉｎｇｂｏｔｔｏｍ

下端，ｚ向位移与电磁铁中心正弦垂直位移输入、衔铁中心正弦垂直位移输入的频率响应关系曲线。

从图７、８可看出：

振动槽下料口处及橡胶弹簧下端在外界输入分别为５４．９Ｈｚ和１４８。

１Ｈｚ时频率响应函数达到最大值。

不同的是电磁铁中心处输入对橡胶弹簧下端点的振动影响较大，而衔铁中心处输入对振动槽下料口处的振动影响较大，这点与工作实际一致。

４结语

１）利用在Ｐｒｏ／Ｅ中建立的振动给料系统的模型，通过Ｐｍ／Ｅ与ＡＤＡＭＳ之间的接口模块，在ＡＤＡＭＳ中建立振动系统虚拟试验模型，利用ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ模块对系统模型进行了振动模态测试，并在测试数据的基础上对系统模态进行分析，这种建模及仿真方法对类似机构的仿真分析具有参考意义。

２）仿真分析结果表明，在正常运行中系统上下丽个Ｍａｒｋ—

ｅｒ点处的垂直方向的振幅符合设计要求，表明系统建模及仿真的正确牲。

３）系统振动分析结果表明：

系统的第四阶模态和第十一阶模态都对系统的垂直振动有重要影响，建议在建立系统输入

激励时，激励的频率靠近这两个模态所对应的系统自然频率，以获得合适的振动幅值。

一

参考文献：

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北京理工大

学出版社，２００２，

［２］张西良，路欣．电磁振动给料器工作特性分析及应用［Ｊ］．农业机

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２００６．３５