雙激振電機驅動的振動系統的同步特性分析方法及裝置與流程

2023-11-01 21:39:22 3

本發明涉及振動機械工程技術領域，尤其涉及一種雙激振電機驅動的振動系統的同步特性分析方法及裝置。

背景技術：

振動壓實是一種目前廣泛應用於道路工程和土建工程中的施工方法，振動壓實系統是完成這種施工工作最重要的設備，它利用振動體將振動能量以波的形式傳遞給被壓土體，減少土體的變形抗力，增加其流動性，提高壓實程度和壓實效率。

多激振電機驅動的振動壓實系統在壓實土壤過程中，土體會產生彈性變形和較大的塑性變形，土體由於只在垂直向下的方向上產生塑形變形，所以土體對振動體的恢復力與其位移之間形成的滯迴環是不對稱的。這種在應力－應變關係曲線上通常顯現出的不對稱的特性叫作不對稱滯回特性。這種不對稱滯回特性對系統的振動響應有很大影響時，須保證多激振電機的同步運轉才能實現系統同步運動穩定性，進而保證振動機械的工作性能。

振動壓實土壤產生的壓實效應和土體的不對稱滯回性屬於非線性特性，然而現有的振動壓實系統的運轉特性分析研究中僅考慮了壓實土壤導致的非線性因素，而未考慮多激振電機的同步運轉特性的影響，這與實際情況相差很大，影響了振動壓實系統的運轉特性分析的準確率。

技術實現要素：

針對現有的振動壓實系統的運轉特性分析研究中未考慮多激振電機的同步運轉特性的缺陷，本發明提出如下技術方案：

一種雙激振電機驅動的振動系統的同步特性分析方法，所述方法包括：

根據土壤的應力與應變的關係以及所述振動系統中的振動體與土壤之間的相互作用關係建立土壤的不對稱滯回恢復力模型；

根據所述不對稱滯回恢復力模型以及預先建立的同向迴轉雙激振電機驅動的振動系統力學模型建立所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型；

根據所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型對所述雙激振電機驅動的振動系統的同步運轉特性進行分析。

可選地，所述根據土壤的應力與應變的關係以及所述振動系統中的振動體與土壤之間的相互作用關係建立土壤的不對稱滯回恢復力模型，包括：

根據土壤線性彈性剛度、振動系統的位移、線性恢復力以及非線性恢復力建立所述不對稱滯回恢復力模型。

可選地，所述根據所述不對稱滯回恢復力模型以及預先建立的同向迴轉雙激振電機驅動的振動系統力學模型建立所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型，包括：

根據所述振動系統中的第一激振電機的第一質量、所述第一激振電機在豎直方向的第一位移、第一速度和第一加速度以及所述振動系統中的第二激振電機的第二質量、所述第二激振電機在豎直方向的第二位移、第二速度和第二加速度建立所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型。

可選地，所述振動系統包括振動體；

相應地，所述根據所述振動系統中的第一激振電機的第一質量、所述第一激振電機在豎直方向的第一位移、第一速度和第一加速度以及所述振動系統中的第二激振電機的第二質量、所述第二激振電機在豎直方向的第二位移、第二速度和第二加速度建立所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型，還包括：

根據所述振動體的質量、所述第一激振電機的第一偏心塊的質量和所述第二激振電機的第二偏心塊的質量、所述第一偏心塊繞所述雙激振電機的迴轉軸心的第一半徑、所述第二偏心塊繞所述雙激振電機的迴轉軸心的第二半徑、所述雙激振電機的第一偏心塊的第一角位移以及第二偏心塊的第二角位移、所述第一偏心塊在相應旋轉方向上的第一角速度和第一角加速度以及所述第二偏心塊在相應旋轉方向上的第二角速度和第二角加速度建立所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型。

可選地，所述根據所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型對所述雙激振電機驅動的振動系統的同步運轉特性進行分析包括：

設定所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型的各個參數，以根據所述參數對所述雙激振電機驅動的振動系統的同步運轉特性進行分析。

一種雙激振電機驅動的振動系統的同步特性分析裝置，包括：

恢復力模型建立單元，用於根據土壤的應力與應變的關係以及所述振動系統中的振動體與土壤之間的相互作用關係建立土壤的不對稱滯回恢復力模型；

動力學模型建立單元，用於根據所述不對稱滯回恢復力模型以及預先建立的同向迴轉雙激振電機驅動的振動系統力學模型建立所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型；

運轉特性分析單元，用於根據所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型對所述雙激振電機驅動的振動系統的同步運轉特性進行分析。

可選地，所述恢復力模型建立單元進一步用於根據土壤線性彈性剛度、振動系統的位移、線性恢復力以及非線性恢復力建立所述不對稱滯回恢復力模型。

可選地，所述動力學模型建立單元進一步用於根據所述振動系統中的第一激振電機的第一質量、所述第一激振電機在豎直方向的第一位移、第一速度和第一加速度以及所述振動系統中的第二激振電機的第二質量、所述第二激振電機在豎直方向的第二位移、第二速度和第二加速度建立所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型。

可選地，所述振動系統包括振動體；

相應地，所述動力學模型建立單元進一步用於根據所述振動體的質量、所述第一激振電機的第一偏心塊的質量和所述第二激振電機的第二偏心塊的質量、所述第一偏心塊繞所述雙激振電機的迴轉軸心的第一半徑、所述第二偏心塊繞所述雙激振電機的迴轉軸心的第二半徑、所述雙激振電機的第一偏心塊的第一角位移以及第二偏心塊的第二角位移、所述第一偏心塊在相應旋轉方向上的第一角速度和第一角加速度以及所述第二偏心塊在相應旋轉方向上的第二角速度和第二角加速度建立所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型。

可選地，所述運轉特性分析單元進一步用於設定所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型的各個參數，以根據所述參數對所述雙激振電機驅動的振動系統的同步運轉特性進行分析。

本發明的雙激振電機驅動的振動系統的同步特性分析方法及裝置，通過根據土壤的應力與應變的關係以及所述振動系統中的振動體與土壤之間的相互作用關係建立土壤的不對稱滯回恢復力模型，並根據所述不對稱滯回恢復力模型以及預先建立的同向迴轉雙激振電機驅動振動系統的力學模型建立所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型，以根據所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型對所述雙激振電機驅動的振動系統的同步運轉特性進行分析，由於提供的動力學模型與實際振動壓實工況更加吻合，因而可提高雙激振電機驅動的振動系統的同步特性分析的準確性，可為後續進一步研究提供基礎。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明一個實施例的雙激振電機驅動的振動系統的同步特性分析方法的流程示意圖；

圖2為本發明一個實施例的土壤的不對稱滯回恢復力模型示意圖；

圖3為本發明一個實施例的振動壓實系統的力學模型示意圖；

圖4為本發明一個實施例的雙激振電機驅動的振動系統的同步特性分析裝置的結構示意圖；

圖5為本發明一個實施例的初相位差為0.1rad時雙激振電機的轉速示意圖；

圖6為本發明一個實施例的初相位差為0.1rad時雙激振電機轉速差示意圖；

圖7為本發明一個實施例的初相位差為0.1rad時雙激振電機相位差示意圖；

圖8為本發明一個實施例的初轉速差為1.5rad/s時雙激振電機的轉速示意圖；

圖9為本發明一個實施例的初轉速差為1.5rad/s時雙激振電機的轉速差示意圖；

圖10為本發明一個實施例的初轉速差為1.5rad/s時雙激振電機的相位差示意圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

圖1為本發明一個實施例的雙激振電機驅動的振動系統的同步特性分析方法的流程示意圖；如圖1所示，該方法包括：

S1：根據土壤的應力與應變的關係以及所述振動系統中的振動體與土壤之間的相互作用關係建立土壤的不對稱滯回恢復力模型；

S2：根據所述不對稱滯回恢復力模型以及預先建立的同向迴轉雙激振電機驅動的振動系統力學模型建立所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型；

S3：根據所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型對所述雙激振電機驅動的振動系統的同步運轉特性進行分析。

本實施例的雙激振電機驅動的振動系統的同步特性分析方法，通過根據土壤的應力與應變的關係以及所述振動系統中的振動體與土壤之間的相互作用關係建立土壤的不對稱滯回恢復力模型，並根據所述不對稱滯回恢復力模型以及預先建立的同向迴轉雙激振電機驅動的振動系統力學模型建立所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型，以根據所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型對所述雙激振電機驅動的振動系統的同步運轉特性進行分析，由於提供的動力學模型與實際振動壓實工況更加吻合，因而可提高雙激振電機驅動的振動系統的同步特性分析的準確性，可為後續進一步研究提供基礎。

作為本實施例的優選，步驟S1可以包括：

S11：根據土壤線性彈性剛度、振動系統的位移、線性恢復力以及非線性恢復力建立所述不對稱滯回恢復力模型。

具體地，圖2示出了本發明一個實施例的土壤的不對稱滯回恢復力模型，如圖2所示，根據土壤應力與應變的關係以及機土之間相互作用(可以採用軟式非線性特性表示)確定不對稱滯回恢復力模型如下式(1)所示：

其中，k為土壤線性彈性剛度，y為振動系統的位移，ky表示線性恢復力項，ε為土壤的非線性係數(為小於1的數)，εky3表示非線性恢復力項。

進一步地，作為本實施例的優選，步驟S2還可以包括：

S21：根據所述振動系統中的第一激振電機的第一質量、所述第一激振電機在豎直方向的第一位移、第一速度和第一加速度以及所述振動系統中的第二激振電機的第二質量、所述第二激振電機在豎直方向的第二位移、第二速度和第二加速度建立所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型。

在此基礎上，作為上述實施例的優選，所述振動系統包括振動體；

相應地，步驟S21還可以包括：

S211：根據所述振動體的質量、所述第一激振電機的第一偏心塊的質量和所述第二激振電機的第二偏心塊的質量、所述第一偏心塊繞所述雙激振電機的迴轉軸心的第一半徑、所述第二偏心塊繞所述雙激振電機的迴轉軸心的第二半徑、所述雙激振電機的第一偏心塊的第一角位移以及第二偏心塊的第二角位移、所述第一偏心塊在相應旋轉方向上的第一角速度和第一角加速度以及所述第二偏心塊在相應旋轉方向上的第二角速度和第二角加速度建立所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型。

具體地，圖3示出了本發明一個實施例的振動壓實系統的力學模型，如圖3所示，根據壓實土壤的實際工程問題，建立了土壤壓實振動系統的力學模型。所述雙激振電機驅動的振動系統在壓實土壤過程中，僅產生豎直方向的激振力，oxy為非線性振動系統坐標系，O為雙激振電機迴轉軸心連線的中點，o1，o2為雙激振電機迴轉軸心，所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型如下式(2)所示：

其中，質體1的豎直方向的位移為y1，速度和加速度質體2的豎直方向的位移為y2，速度和加速度雙質體的質量分別為m1和m2兩部分組成，其中質體m2的質量包括振動體的質量和兩個偏心塊的質量，兩個偏心塊的質量分別為m01和m02，偏心塊繞著迴轉軸心的半徑r1和r2。振動系統中的激振電機偏心塊的角位移φ1、φ2，偏心塊相應方向的角速度偏心塊相應方向的角加速度質體1的處的線性阻尼為c1，質體1和質體2的線性剛度為k1，土壤作用在振動體上的阻尼c2，土壤線性滯回恢復力為f(y2)，雙激振電機上的偏心塊的迴轉阻尼分別為c01，c02，以及雙激振電機的電磁轉矩分別為Tm1，Tm2，雙激振電機的負載轉矩分別為Tf1，Tf2。

可選地，所述根據所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型對所述雙激振電機驅動的振動系統的同步運轉特性進行分析包括：

設定所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型的各個參數，以根據所述參數對所述雙激振電機驅動的振動系統的同步運轉特性進行分析。

其中，所述激振電機差異率可以包括電機初始轉速差異以及初始相位差異。

在此基礎上，可以根據所述參數，並在考慮激振電機差異率(即電機初始轉速差異、初始相位差異)對轉速差和相位差影響的情況下，對所述雙激振電機驅動的振動系統的同步運轉特性進行分析。

圖4為本發明一個實施例的雙激振電機驅動的振動系統的同步特性分析裝置的結構示意圖；如圖4所示，所述裝置包括：

恢復力模型建立單元10，用於根據土壤的應力與應變的關係以及所述振動系統中的振動體與土壤之間的相互作用關係建立土壤的不對稱滯回恢復力模型；

動力學模型建立單元20，用於根據所述不對稱滯回恢復力模型以及預先建立的同向迴轉雙激振電機驅動的振動系統力學模型建立所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型；

運轉特性分析單元30，用於根據所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型對所述雙激振電機驅動的振動系統的同步運轉特性進行分析。

本實施例所述的裝置可以用於執行上述方法實施例，其原理和技術效果類似，此處不再贅述。

作為本實施例的優選，恢復力模型建立單元10可以進一步用於根據土壤線性彈性剛度、振動系統的位移、線性恢復力以及非線性恢復力建立所述不對稱滯回恢復力模型。

作為本實施例的優選，動力學模型建立單元20可以進一步用於根據所述振動系統中的第一激振電機的第一質量、所述第一激振電機在豎直方向的第一位移、第一速度和第一加速度以及所述振動系統中的第二激振電機的第二質量、所述第二激振電機在豎直方向的第二位移、第二速度和第二加速度建立所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型。

進一步地，作為本實施例的優選，上述振動系統可包括振動體；

相應地，動力學模型建立單元20還可進一步用於根據所述振動體的質量、所述第一激振電機的第一偏心塊的質量和所述第二激振電機的第二偏心塊的質量、所述第一偏心塊繞所述雙激振電機的迴轉軸心的第一半徑、所述第二偏心塊繞所述雙激振電機的迴轉軸心的第二半徑、所述雙激振電機的第一偏心塊的第一角位移以及第二偏心塊的第二角位移、所述第一偏心塊在相應旋轉方向上的第一角速度和第一角加速度以及所述第二偏心塊在相應旋轉方向上的第二角速度和第二角加速度建立所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型。

進一步地，作為上述實施例的優選，運轉特性分析單元30可以進一步用於設定所述雙激振電機驅動的土壤壓實振動系統的動力學模型的各個參數，以根據所述參數對所述雙激振電機驅動的振動系統的同步運轉特性進行分析。

本實施例所述的裝置可以用於執行上述方法實施例，其原理和技術效果類似，此處不再贅述。

需要說明的是，對於裝置實施例而言，由於其與方法實施例基本相似，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。

下面以一具體的實施例來說明本發明的雙激振電機驅動的振動系統的同步特性分析方法及裝置，但不限定本發明的保護範圍。

在前述建立的不對稱滯回模型(參見公式(1))的基礎上可確定了圖3所示的不對稱滯回力f(y2)，滯回力仿真圖如圖3所示。基於公式(1)-(2)，建立不對稱滯回振動模型，根據模型進行仿真分析如圖。舉例說明，參數如下：m1＝890kg，m2＝560kg，k1＝650000N/m，k2＝220000N/m，ε＝0.5，g＝9.8m/s，c1＝650Nm·s/rad，c2＝1500Nm·s/rad，m01＝3.5kg，m02＝3.5kg，r1＝r2＝0.08m，c01＝0.01Nm·s/rad，c02＝0.01Nm·s/rad，J01＝0.01kg·m2，J02＝0.01kg·m2，g＝9.8m/s，電機極對數優選為4，採用激振電機轉子的激振頻率為25Hz，即根據激振電機差異率(電機初始轉速差異、初始相位差異)對轉速差和相位差的穩定性影響，列舉以下兩個例子。

舉例1：取激振電機1的初相位為0.1rad，激振電機2的初相位為0，即初相位差為0.1rad，得到雙激振電機轉速、轉速差以及相位差分別如圖5～圖7所示。由圖5可知，激振電機啟動後，雙激振電機都到達157rad/s附近穩定運行，隨即具有m01偏心塊的激振電機1轉速經歷高位大震蕩後急劇回落，最終雙激振電機穩定運行，且雙激振電機的轉速差(參見圖6)在轉速差為0的位置反覆震蕩。由圖7可知，雙激振電機的相位差由初始相位差為1.5rad後經歷緩慢和急劇增加，最終穩定在大約π位置。

舉例2：激振電機的初始轉速差為1.5rad/s時，得到雙激振電機轉速、轉速差以及相位差分別如圖8～圖10所示，系統初始轉速差為1.5rad/s，由圖8可知，激振電機啟動後，具有m01偏心塊的激振電機1的轉速經歷高位大震蕩後回落，最後雙激振電機在大約157rad/s左右穩定運行，且雙激振電機的轉速差(參見圖9)在轉速差為0的位置反覆震蕩。由圖10可知，雙激振電機的相位差最終穩定在大約π位置。

由此可得出，系統仍然能實現雙激振電機的相位同步步，即系統實現同步穩定性運行。通過電機的初始相位或初轉速不同可知，在初始相位差和初始轉速差在一定數值變化的情況下，激振電機1的轉速具有大的震蕩後，雙激振電機的轉速最終趨於穩定，在157rad/s左右反覆震蕩。雙激振電機的轉速差都經歷的螺旋線形狀的變化後，最終趨於π位置反覆震蕩。雙激振電機的相位差則都最終達到180°，系統可實現雙激振電機相位差同步運行，即系統仍能實現同步穩定狀態。

本實施例提供了針對一類不對稱滯回振動模型上的雙激振電機的同步運行以及系統的同步穩定性分析方法，可為土壤壓實類振動機械理論的豐富和發展提供依據。

以上實施例僅用於說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。