本文關(guān)鍵詞：雙機(jī)及多機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)同步理論的研究

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【摘要】：在多原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心轉(zhuǎn)子(簡(jiǎn)稱激振器)的振動(dòng)系統(tǒng)中,常要求其能夠?qū)崿F(xiàn)同步運(yùn)轉(zhuǎn),為達(dá)這一目的,以往多數(shù)采用剛性傳動(dòng),如齒輪等進(jìn)行強(qiáng)制同步,其結(jié)果會(huì)使系統(tǒng)變得更為復(fù)雜,并帶來維修不便等諸多弊病。假如除掉如齒輪等強(qiáng)制同步裝置,而仍然能夠保證激振器同步運(yùn)轉(zhuǎn),將會(huì)使機(jī)器結(jié)構(gòu)變得更為簡(jiǎn)單緊湊。振動(dòng)同步技術(shù)是解決這一問題的有效措施之一。目前在許多工業(yè)部門,利用振動(dòng)同步原理的自同步振動(dòng)機(jī)械已獲得了廣泛應(yīng)用,并創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。進(jìn)一步研究振動(dòng)同步的理論并拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域,以滿足工程實(shí)際需求,是當(dāng)前領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。當(dāng)振動(dòng)系統(tǒng)中激振器間相位差穩(wěn)定在某特定值附近時(shí),會(huì)使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)某特定的運(yùn)動(dòng)形式,并會(huì)使激振器的總輸出功率發(fā)生變化,利用此原理可設(shè)計(jì)滿足各類要求并有一定運(yùn)動(dòng)軌跡及振動(dòng)幅值的各種振動(dòng)機(jī)器。要想合理限定激振器偏心塊之間的相位差,必須弄清系統(tǒng)的耦合動(dòng)力學(xué)特性。根據(jù)上述實(shí)際要求,在國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目及國家973項(xiàng)目資助下,本文以“雙機(jī)及多機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)同步理論的研究”為課題,在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究了兩個(gè)及多個(gè)相同或不相同激振器在不同分布方式、不同旋轉(zhuǎn)方向、不同振動(dòng)條件(即超遠(yuǎn)共振和近共振)以及考慮滾子干摩擦條件下的同步原理及機(jī)制,詳細(xì)剖析了系統(tǒng)的耦合動(dòng)力學(xué)特性,設(shè)計(jì)出了試驗(yàn)樣機(jī),通過試驗(yàn)測(cè)試及分析驗(yàn)證了理論結(jié)果的有效性及方法的可行性,指出了工程應(yīng)用途徑,并將研究結(jié)果應(yīng)用于工程實(shí)際,建立了一套較為系統(tǒng)的振動(dòng)同步理論體系與框架,提出了雙機(jī)及多機(jī)驅(qū)動(dòng)同步理論的若干同步性判據(jù)與同步狀態(tài)的穩(wěn)定性判據(jù)。主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)緒論部分概括性總結(jié)了同步技術(shù)特別是振動(dòng)同步在本領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀及研究方法,并指出與本文相關(guān)一些預(yù)備知識(shí)。(2)基于小參數(shù)平均法,研究了超遠(yuǎn)共振條件下兩個(gè)、三個(gè)及多個(gè)相同或不相同激振器同步理論。其中,通過引入兩組擾動(dòng)小參數(shù)即平均角速度擾動(dòng)參數(shù)及相位差擾動(dòng)參數(shù),構(gòu)建了系統(tǒng)頻率俘獲方程,進(jìn)而將同步問題轉(zhuǎn)化為小參數(shù)微分方程零值解的存在性與穩(wěn)定性問題。推導(dǎo)出系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步的兩大判據(jù)(即同步性判據(jù)及其同步狀態(tài)的穩(wěn)定性判據(jù))解析表達(dá)式,其中穩(wěn)定性判據(jù)滿足廣義Lyapunov方程及Routh-Hurwitz判據(jù)。分析了振動(dòng)系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)特征,剖析了系統(tǒng)廣義動(dòng)態(tài)對(duì)稱特性。判斷系統(tǒng)同步實(shí)現(xiàn)難易程度的指標(biāo)是同步性能力系數(shù),也稱廣義動(dòng)態(tài)對(duì)稱性系數(shù),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)稱性越好,激振器間同步性能力越佳,系統(tǒng)越容易實(shí)現(xiàn)同步。區(qū)別系統(tǒng)穩(wěn)定性能力強(qiáng)弱程度的指標(biāo)用穩(wěn)定性能力系數(shù),穩(wěn)定性能力系數(shù)絕對(duì)值越大,系統(tǒng)穩(wěn)定性越強(qiáng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步并穩(wěn)定的機(jī)制源于系統(tǒng)中具有選擇運(yùn)動(dòng)的耦合動(dòng)力學(xué)特性,其中同步性機(jī)制來源于系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)特性,而穩(wěn)定性機(jī)制取決于系統(tǒng)的選擇運(yùn)動(dòng)特性。帶有兩個(gè)或多個(gè)激振器的振動(dòng)系統(tǒng)能夠以某特定激振器間相位差同步穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特征稱為系統(tǒng)廣義動(dòng)態(tài)對(duì)稱性,而某特定激振器間相位差稱為廣義動(dòng)態(tài)對(duì)稱角,每?jī)蓚�(gè)激振器間都會(huì)存在一個(gè)廣義動(dòng)態(tài)對(duì)稱角。廣義動(dòng)態(tài)對(duì)稱角對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)平均振動(dòng)能量最小值點(diǎn)。也可以說,系統(tǒng)的同步起源于這種存在于系統(tǒng)負(fù)載耦合中的廣義動(dòng)態(tài)對(duì)稱特性,而負(fù)載耦合中的激振器間耦合力矩稱為廣義動(dòng)態(tài)對(duì)稱力矩,其限制相位超前激振器轉(zhuǎn)速的升高同時(shí)也控制相位滯后激振器轉(zhuǎn)速的下降,最終迫使激振器間相位差接近系統(tǒng)廣義動(dòng)態(tài)對(duì)稱角以達(dá)到系統(tǒng)同步運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于反向回轉(zhuǎn)對(duì)稱分布兩激振器同步力學(xué)模型,其相位差穩(wěn)定在0附近并保持相對(duì)于兩激振器安裝對(duì)稱軸的對(duì)稱性,以實(shí)現(xiàn)機(jī)體近似直線運(yùn)動(dòng)。對(duì)于同向回轉(zhuǎn)對(duì)稱分布兩激振器同步力學(xué)模型,當(dāng)系統(tǒng)完全對(duì)稱且兩激振器回轉(zhuǎn)軸心至機(jī)體質(zhì)心之距小于系統(tǒng)當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑的(?)倍時(shí),相位差穩(wěn)定在π附近并保持相對(duì)于機(jī)體質(zhì)心的對(duì)稱性,以實(shí)現(xiàn)機(jī)體繞質(zhì)心擺動(dòng)；而當(dāng)這個(gè)距離大于系統(tǒng)當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑的(?)倍時(shí),相位差穩(wěn)定在0附近并保持相對(duì)于兩激振器安裝對(duì)稱軸對(duì)稱性,以實(shí)現(xiàn)機(jī)體近似圓的圓橢圓運(yùn)動(dòng)。對(duì)于三激振器同向直線對(duì)稱分布力學(xué)模型,當(dāng)系統(tǒng)完全對(duì)稱且兩邊激振器回轉(zhuǎn)軸心至機(jī)體質(zhì)心之距大到一定程度時(shí),兩邊激振器相位差穩(wěn)定在0附近,中間與兩邊激振器間相位差穩(wěn)定在±π附近,其對(duì)稱性與上述相似。對(duì)于三激振器同向圓周對(duì)稱均布同步力學(xué)模型,當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)完全對(duì)稱且激振器回轉(zhuǎn)軸心至機(jī)體質(zhì)心的距離較小時(shí),三激振器間相位差穩(wěn)定在±2π/3附近并保持相對(duì)于機(jī)體質(zhì)心對(duì)稱性,以實(shí)現(xiàn)機(jī)體不動(dòng)；當(dāng)這個(gè)距離較大時(shí),會(huì)出現(xiàn)雙平衡點(diǎn)狀態(tài),即三激振器間相位差同時(shí)穩(wěn)定在0和±2π/3附近,前者保持相對(duì)于兩激振器間安裝對(duì)稱軸對(duì)稱性以實(shí)現(xiàn)機(jī)體近似圓的圓周運(yùn)動(dòng),后者則保持相對(duì)于機(jī)體質(zhì)心對(duì)稱性以使機(jī)體不動(dòng),具體哪一種穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)取決于初始條件及外界擾動(dòng)；將此圓周對(duì)稱均布激振器數(shù)量可擴(kuò)展到n(n3)激振器,當(dāng)激振器與機(jī)體質(zhì)心之距較小時(shí),相鄰激振器間相位差穩(wěn)定在±27π/n,保持相對(duì)于機(jī)體質(zhì)心對(duì)稱性,機(jī)體不動(dòng)；而當(dāng)此距離很大時(shí),仍會(huì)出現(xiàn)雙平衡點(diǎn)狀態(tài),即相鄰激振器相位差同時(shí)穩(wěn)定在0和2π/n附近,其對(duì)稱特性與上述相似。對(duì)于任意分布的三激振器及多激振器同步力學(xué)模型,當(dāng)激振器非對(duì)稱安裝時(shí)或系統(tǒng)不完全對(duì)稱時(shí),要根據(jù)其非線性平均平衡方程及穩(wěn)定性判據(jù)來限定系統(tǒng)相位差,該相位差將是由激振器安裝位置及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)決定的固定值,以該固定值來判斷機(jī)體運(yùn)動(dòng)形式,該運(yùn)動(dòng)形式將是以平均系統(tǒng)振動(dòng)能量達(dá)到最小值的各個(gè)激振器振動(dòng)矢量組合。數(shù)值仿真及試驗(yàn)證明了上述理論結(jié)果的正確性及所用方法的有效性。將上述超遠(yuǎn)共振條件下同步理論相關(guān)研究結(jié)果成功應(yīng)用到工程當(dāng)中,如利用振動(dòng)同步傳動(dòng)理論可達(dá)到節(jié)能之目的；利用兩不同激振器同步理論改善了世界最大振動(dòng)篩(56m2)的工藝效果。(3)基于平均法和漸近法研究了雙機(jī)驅(qū)動(dòng)近共振非線性振動(dòng)系統(tǒng)兩激振器同步理論。其中,彈簧具有以分段線性為特點(diǎn)的硬式非線性特征。以雙質(zhì)體反向回轉(zhuǎn)雙機(jī)驅(qū)動(dòng)同步模型為研究對(duì)象,基于平均法得到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步的同步性判據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定點(diǎn)對(duì)應(yīng)于Hamilton平均作用量最小值的規(guī)則,得到其同步狀態(tài)的穩(wěn)定性判據(jù)。分析了系統(tǒng)具有選擇運(yùn)動(dòng)的耦合動(dòng)力學(xué)特征。給出了主振系統(tǒng)幅-頻特性分析。討論了系統(tǒng)同步性能力,穩(wěn)定性能力及相位關(guān)系。指出系統(tǒng)最佳工作點(diǎn)區(qū)域應(yīng)選擇在對(duì)應(yīng)于兩質(zhì)量體反向位相對(duì)運(yùn)動(dòng)固有頻率的亞共振或亞-近共振區(qū)域。試驗(yàn)結(jié)果證明了理論結(jié)果的正確性,將此理論結(jié)果應(yīng)用到工程,解決了企業(yè)方面的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題,即對(duì)某企業(yè)兩類振動(dòng)離心機(jī)進(jìn)行了理論指導(dǎo)及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化匹配。(4)依據(jù)前述超遠(yuǎn)共振兩激振器及多激振器同步理論研究結(jié)果,特別是在超遠(yuǎn)共振雙機(jī)驅(qū)動(dòng)同向回轉(zhuǎn)對(duì)稱分布及三激振器同向回轉(zhuǎn)對(duì)稱分布同步理論研究基礎(chǔ)上,研究干摩擦條件下兩機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)中圓柱滾子的振動(dòng)同步傳動(dòng)理論。基于平均法推導(dǎo)出兩激振器同步及滾子振動(dòng)同步傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的同步性判據(jù)。依據(jù)Routh-Hurwitz判據(jù)得到系統(tǒng)同步狀態(tài)的穩(wěn)定性判據(jù)。數(shù)值上分析了系統(tǒng)參數(shù)對(duì)其同步性及穩(wěn)定性的影響,以此作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。設(shè)計(jì)了試驗(yàn)樣機(jī),試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論的正確性。利用滾子振動(dòng)同步傳動(dòng)原理可設(shè)計(jì)新型振動(dòng)破碎機(jī)及振動(dòng)磨機(jī)等破磨設(shè)備,以此為振動(dòng)同步傳動(dòng)原理開辟新的工程應(yīng)用途徑。最后總結(jié)全文所做的工作,同時(shí)指明下一步需開展的研究。
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TH113.1

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本文編號(hào)：1157660