本發(fā)明屬于振動研磨裝置技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于雙機同軸自同步的振動研磨機。

背景技術(shù)：

振動研磨機又稱振動光飾機，應用于中小尺寸工件的拋光、去銹、去毛刺或部分原材料的表面處理，擁有單次處理量大、操作簡單、自動化程度高、加工不破壞原有尺寸形狀等優(yōu)點。單次振動研磨的時間較長，振動研磨機的容量越大，效率越高，經(jīng)濟性越好。本發(fā)明屬于振動研磨機中的大型振動研磨機。普通的大型振動研磨機與小型振動研磨機原理相同，采用的是單機驅(qū)動，而單機驅(qū)動會產(chǎn)生許多問題：

1.單個激振器驅(qū)動，對激振器的功率要求大，造成激振器本身的體積也大，對激振器的技術(shù)要求高，成本大幅提高。

2.單機驅(qū)動的研磨機雖然增加了單次處理量，提高了生產(chǎn)效率，但單個大振激振器的應用也降低了電能的利用率。不符合國家節(jié)能減排的要求。

3.卸料過程中，隨著物料的減少，激振器對研磨機產(chǎn)生的振幅增大，對于大型振動研磨機來說，為了安全起見，必須停機卸料，致使振動研磨機不能連續(xù)工作，降低了自動化程度。

隨著振動理論的不斷完善，有必要應用先進的振動原理設計一款大型振動研磨機，使其既提升生產(chǎn)率又提高能源的利用率，并且實現(xiàn)自動化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對普通大型振動研磨機存在的使用大功率激振器、能源利用率低、卸料需停機等問題，本發(fā)明采用兩個同軸布置的激振器在不同回轉(zhuǎn)半徑下自同步運動的理論，設計大型振動研磨機，使大型振動電機由兩個小的激振器驅(qū)動，既提高生產(chǎn)效率又提高能源利用率，還保證了振動研磨機不停機卸料，提高了振動光飾機自動化程度。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

一種基于雙機同軸自同步的振動研磨機，包括上激振器、振動槽、內(nèi)襯、彈簧、下激振器、底座和出料口。底座置于地面或地基上，用于支撐振動研磨機的重量并為彈簧提供固定位置。振動槽底部與底座之間通過彈簧連接，彈簧用于提供振動系統(tǒng)所需要的彈力，并隔離振動槽對底座造成的振動，降低對地基和周圍其他設備的干擾。振動槽是振動研磨機的主要工作場所，用來容納磨料和所需研磨的工件或材料，并傳遞激振器的振動對工件或材料進行加工。出料口設置于振動槽下部，用于磨料、工件或材料的卸出。內(nèi)襯附著于振動槽內(nèi)壁，其作用為隔離磨料與振動槽，避免磨料與振動槽在工作過程中相互劃傷，提高振動研磨機的使用壽命，也可以減小磨料對振動槽的沖擊，降低噪音。上激振器和下激振器分別由電機驅(qū)動偏心轉(zhuǎn)子構(gòu)成，上、下激振器為振動研磨機的動力源，對稱同軸布置于振動槽質(zhì)心位置的上、下兩側(cè)，并與振動槽緊固相連；上、下激振器中的偏心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同，同步振動驅(qū)動研磨機工作。

上、下激振器應用振動自同步運動原理驅(qū)動振動研磨機工作。根據(jù)振動原理，當裝置內(nèi)有物料時，裝置繞過質(zhì)心水平軸的回轉(zhuǎn)半徑lr小于激振器到振動槽質(zhì)心的距離l0，此時兩激振器的相位差為0，產(chǎn)生的合振動振幅最大，達到用兩個激振器的合振動來取代單個激振器的振動的目的，可以減小電機體積，簡化結(jié)構(gòu)，提高能源利用效率。在卸料過程中，當裝置內(nèi)的物料開始減少，lr逐漸增大，當lr與l0相等的時候，兩個激振器的相位差開始發(fā)生變化，直到大于l0，此時激振器的相位差穩(wěn)定為π，兩激振器產(chǎn)生振動激振力的矢量和相互抵消，使其合振動振幅最小，降低物料的震顫與飛濺，從而實現(xiàn)不停機卸料，提高了裝置的自動化程度。本發(fā)明中上振動電機的額定功率低于下振動電機的額定功率，兩振動電機的合振動使磨料做螺旋式旋轉(zhuǎn)上升運動，本發(fā)明間接提高了加工質(zhì)量和加工效率。

進一步，上述振動研磨機的上、下激振器的參數(shù)確定方法，包括如下步驟：

步驟1，建立動力學模型和系統(tǒng)運動微分方程

振動研磨機動力學模型見圖2，建立兩個坐標系，gxbybzb是以振動研磨機質(zhì)心為原點的相對坐標系，oxιyιzι是以大地為參考的絕對坐標系，兩激振器偏心轉(zhuǎn)子質(zhì)心的相對坐標：

式中x'1是上激振器的偏心轉(zhuǎn)子質(zhì)心的相對坐標，x'2是下激振器的偏心轉(zhuǎn)子質(zhì)心的相對坐標，r是偏心轉(zhuǎn)子的偏心距

振動研磨機的質(zhì)心的絕對坐標是xg＝{x,y,0}^t，兩激振器偏心轉(zhuǎn)子質(zhì)心的絕對坐標

式中為坐標轉(zhuǎn)換矩陣

步驟2，建立力學模型

振動系統(tǒng)的動能是

式中，m是振動研磨機的質(zhì)量，是x方向的速度，是y方向的速度，j1是振動研磨機繞yb軸的轉(zhuǎn)動慣量，j2是振動研磨機繞xb軸的轉(zhuǎn)動慣量，是振動研磨機繞yb軸的角速度，振動研磨機繞xb軸的角速度，是上激振器偏心轉(zhuǎn)子質(zhì)心的運動速度矩陣，是下激振器偏心轉(zhuǎn)子質(zhì)心的運動速度矩陣

剛體的平動位移和轉(zhuǎn)動位移都很小，簡化為

彈簧與剛體連接點的相對坐標為：

彈簧與剛體連接點的絕對坐標為：

彈簧的勢能為：

式中ki＝diag(kx/2，ky/2，0)是彈簧i(i＝1,2)的剛度矩陣。

振動系統(tǒng)的粘性耗散量為

式中fi＝diag(fx/4，fy/4，0)(i＝1，2)是彈簧的阻尼矩陣。

利用拉格朗日方程

式中qi(i＝1,2)是振動系統(tǒng)的廣義坐標，qi(i＝1,2)是振動系統(tǒng)的廣義力

是廣義坐標，廣義力為：qx＝qy＝qψ＝qθ＝0，和qx是振動研磨機xb軸方向的廣義力，qy是振動研磨機yb軸方向的廣義力，qψ是振動研磨機繞xb軸方向的廣義力，qθ是振動研磨機繞yb軸方向的廣義力，是上激振器的廣義力，是下激振器的廣義力，te1和te2分別是兩激振器的電磁轉(zhuǎn)矩。

把式(3)、(6)、(7)代入到式(8)，振動系統(tǒng)的運動微分方程：

式中，m＝m+m1+m2，joi＝j0i+mir²是激振器的轉(zhuǎn)動慣量，f1和f2是電機軸的阻尼系數(shù)。

步驟3，推導同步性條件

設兩激振器的平均相位角為相位差為2α：

兩振動電機的角速度是周期性變化的，設兩振動電機的最小公倍周期是t0，在t0中的平均值是一個常數(shù)，

設兩電機的同步角速度為ωm0，和α的波動系數(shù)分別為ε1和ε2，

把式(10)代入式(9)的前四項，振動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應為

式中

m1＝m0,m2＝ηm0,

ωx、ωy、ωψ、ωθ是振動系統(tǒng)在分別x、y、ψ、θ方向的固有頻率；fx、fy、fψ、fθ分別是彈簧在x、y、ψ、θ方向的阻尼比；π-γx、π-γy、π-γψ和π-γθ分別是x、y、ψ、θ方向的相位角；rm是激振器的質(zhì)量與振動系統(tǒng)質(zhì)量的比值；η是兩激振器的質(zhì)量比；rψ(rθ)定義為l0與lψ(lθ)；lψ與l0分別是振動系統(tǒng)在x軸和y軸的轉(zhuǎn)動慣量。

把和(關(guān)于時間t的導數(shù))代入式(9)的最后兩項，分別求在0～2π的積分，

式中，

和α分別假設成它們的積分中值。

兩個電機的電磁轉(zhuǎn)矩為[17]

式中

ω0＝npωm0,

np是磁極對數(shù)；ls是定子電感；lr是轉(zhuǎn)子電感；lm是互感；rs是定子電阻和rr是轉(zhuǎn)子電阻，ωsi是同步運動的角速度，ω是電機的角速度；u是相位電壓。

把式(16)和(17)代入到式(15)中，兩激振器的無量綱耦合方程：

式中a和b都是2×2的方陣，

把和代入式(19)，u1＝0和u2＝0，根據(jù)u2＝0，

式中，tc為同步轉(zhuǎn)矩，td是兩電機剩余電磁轉(zhuǎn)矩之差，td＝tr1-tr2

因為

tc≥td(22)

兩激振器實現(xiàn)同步運動的條件是同步轉(zhuǎn)矩tc大于或等于兩電機剩余電磁轉(zhuǎn)矩的差的絕對值。

步驟4，推導穩(wěn)定性條件

定義同步轉(zhuǎn)矩tc和負載轉(zhuǎn)矩tl的比值為ζ，用以描述同步能力系數(shù)：

式中，tl是振動系統(tǒng)作用在兩電機上的負載轉(zhuǎn)矩，同步能力系數(shù)越大，振動系統(tǒng)的同步能力越強，兩激振器也更加容易實現(xiàn)同步運動。

如果振動系統(tǒng)滿足同步運動的條件，解得u1＝0，u2＝0，ωm0和分別代表和使式(19)線性化，得到由于用來表示，那么無量綱耦合方程寫成：

式中

z＝vexp(λt)。求解行列式方程det(c-λi)＝0，得到的特征值λ的特征方程

λ³+c1λ²+c2λ+c3＝0,(26)

且

在工程中，振動系統(tǒng)的阻尼最大值非常小，ws被忽略，簡化hi：

應用勞斯判據(jù)，當zi＝0時，兩激振器的同步運動是穩(wěn)定的：

h′0>0時，不等式(29)寫作：

h′0<0時，不等式(29)寫作：

有κ1>0，κ2>0，當h′0>0，h′1>0

h′3>0

wccos2α0>0.(33)

把h′i(i＝0,1,2,3)代入到4h′1h′2-h′0h′3>0

當ρ1κ2+ρ2κ1>0時，不等式(34)是正確的，不等式(32)和不等式(33)滿足不等式(34)

當h′0<0，h′1<0時，ρ1κ2+ρ2κ1<0，h′3<0，wccos2α0<0。不等式(34)不成立。當h′0<0、h′1<0和h′3<0時不能滿足4h′1h′2-h′0h′3>0的條件。

不等式(30)滿足勞斯判據(jù)。wccos2α0>0是兩激振器同步運動的穩(wěn)定條件，當wc>0時，2α0在(-90°,90°)區(qū)間內(nèi)滿足穩(wěn)定條件，當wc<0時，2α0在(90°,270°)區(qū)間內(nèi)滿足穩(wěn)定條件。振動系統(tǒng)有兩種穩(wěn)定的同步運動情況。

本發(fā)明的有益效果：

1)使用兩個同軸振動電機同步振動，工作時，兩振動電機的相位差為0，兩振動電機產(chǎn)生的合振動最大，與原有的單一振動電機的振動研磨機相比，既簡化了結(jié)構(gòu)，又節(jié)約了能源，而且工作效率不減。

2)根據(jù)雙機同軸同步運動的振動原理，在卸料時，兩振動電機相位差為π，此時兩振動電機產(chǎn)生的合振動最小，使卸料過程不用停機進行，提高了自動化程度。

3)上、下兩振動電機采用不同型號，使其合振動令磨料產(chǎn)生螺旋式回轉(zhuǎn)上升運動，提高了研磨的質(zhì)量與效率。

附圖說明

圖1為振動研磨機結(jié)構(gòu)圖；

圖2為振動研磨機動力學模型；

圖中：1上激振器；2振動槽；3內(nèi)襯；4彈簧；5下激振器；6底座；

7出料口。

圖中各參數(shù)含義：

gxbybzb--振動研磨機的相對坐標系；

oxⅰyⅰzⅰ---基準坐標系；

ψ--振動研磨機繞xb軸旋轉(zhuǎn)的角度；

θ--振動研磨機繞yb軸旋轉(zhuǎn)的角度；

o1--上激振器質(zhì)心位置；

o2--下激振器質(zhì)心位置；

--上激振器相位角；

--下激振器相位角；

--上激振器角速度；

--下激振器角速度；

m1--上激振器偏心塊質(zhì)量；

m2--下激振器偏心塊質(zhì)量；

l0--激振器質(zhì)心到振動槽質(zhì)心的距離；

lz--彈簧到振動槽質(zhì)心的豎直距離；

ly--彈簧到振動槽質(zhì)心的水平距離。

具體實施方式

一種基于雙機同軸自同步的振動研磨,。見圖1，包括上激振器1、振動槽2、內(nèi)襯3、彈簧4、下激振器5、底座6和出料口7。其特征在于，底座6置于地面或地基上，在底座6上方放置彈簧4，彈簧4上方放置振動槽2，振動槽2上設置有出料口7，內(nèi)襯3附著于振動槽2內(nèi)壁，上激振器1和下激振器5分別由電機驅(qū)動偏心轉(zhuǎn)子構(gòu)成，上、下激振器對稱同軸布置，上激振器1置于振動槽上方，下激振器5置于振動槽下方，均與振動槽緊固相連。當振動槽裝滿物料后，上下激振器的相位角為0，振動研磨機正常工作。研磨工作結(jié)束后，開始卸料，卸料過程中，上下激振器的相位角為π。振動研磨機振幅大幅減小，可以做到不停機卸料。卸料結(jié)束后，進行裝料工作，裝滿料后，振動研磨機恢復到正常工作。往復如此，實現(xiàn)加工的自動化。

下面是利用本專利設計的其中一款振動研磨機的示例數(shù)據(jù)參數(shù)。本專利并不僅限于此設計參數(shù)。

激振器的質(zhì)心到振動槽的質(zhì)心距離l0＝800mm。當滿載時，振動槽加上物料的總質(zhì)量為m＝6265kg，繞水平軸的轉(zhuǎn)動慣量為i＝3.08×10⁹kg·mm²，則繞水平軸的回轉(zhuǎn)半徑為lr<l0，此時兩激振器的相位差為0，振動研磨機的振幅最大，處于工作狀態(tài)。空載時，振動槽加上物料的總質(zhì)量為m＝2359kg，繞水平軸的轉(zhuǎn)動慣量為i＝1.90×10⁹kg·mm²，則繞水平軸的回轉(zhuǎn)半徑為lr>l0，此時兩激振器的相位差為π，兩激振器產(chǎn)生的激振力相互抵消，振動研磨機的振幅最小，處于卸料狀態(tài)。