（机械制造及其自动化专业论文）振幅与频率独立调节的激振阀及系统的设计与性能分析.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 振幅与频率独立调节的激振阀及系统的设计与性能分析 摘要 随着国家经济的飞速发展，对环境保护的要求越来越高，传统粘土烧 结砖逐渐被节能、环保的混凝土砌块所替代。如今我国建筑行业发展迅速， 对砌块强度的要求也越来越高。而混凝土砌块的强度很大程度上取决于砌 块的密实度和均匀性，数据表明当砌块的密实度提高1 ，其抗压强度可以 提高4 左右。砌块密实度和均匀性由成型机激振系统的参数决定。不同的 级配，不同的材质需要不同的振动频率和幅值来达到最佳密实效果。但目 前砌块成型机上所用的机械式激振器或者液压激振器都无法满足振幅与频 率的独立调节。机械式激振器参振质量大、频率低且对系统寿命影响大； 液压式激振器存在这样一个问题：激振频率越高，振幅就越小，要提高激 振幅值就必须加大系统供油压力，而系统压力调节由于蓄能器的存在而有 滞后现象，很难同时满足较高振动频率和较高振幅的要求。 液压激振器的振幅既与供油压力有关，也与阀口的开度有关，基于此， 本文在分析了各种激振器的优缺点后，提出了一种振幅与频率可独立调节 的激振阀双自由度激振阀，设计了基于激振阀控式液压激振系统。该 激振系统通过调节激振阀阀芯的旋转运动和轴向移动改变阀口过流面积， 从而实现振动频率和幅值的独立调节。本文阐述了双自由度激振阀的原理， 并对其结构进行了设计与计算。特别是对阀的关键部件进行了详细的设计 与计算。 本文建立了该液压激振阀的数学模型，并在m a t l a b 仿真平台上进行了 太原理工大学硕士研究生学位论文 动态性能仿真，并绘制出了仿真曲线。结果表明在系统压力恒定的情况下， 当激振频率提高振幅下降时，可以通过加大轴向开度来提高振幅。当参振 质量变化时，振幅会发生变化，同样可以通过调整激振阀轴向开度使其振 幅达到要求。因此该激振系统可以方便的实现对振动频率和幅值的独立调 节，满足不同级配、不同材质对激振频率和幅值的要求，使物料得到最佳 振动密实效果，从而提高砌块的密实度和均匀性，得到高品质的砌块，应 用于砌块成型的振动系统中切实可行。 本课题的创新之处在于提出了一种双自由度液压激振阀，该激振阀不 仅可以实现旋转运动，而且还可以实现轴向的直线移动，从两个方向改变 过流面积的大小，从而实现振动频率和幅值的独立调节。并设计了基于激 振阀控式液压激振系统 关键词：砌块成型机，双自由度激振阀，液压激振器，数学模型，m a t l a b 仿真 i i s y s t e md e s i ( 了na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i sf o rt h e v i b r a t l 0 n 、厂a i ，v ew 1 t hi n d e p e n d m e n ta d 丁u s t a l b e a m p l i t u d ea n df r e q u e n c y a bs t r a c t t h et r a d i t i o n a lc l a yb r i c ki sg r a d u a l l yr e p l a c e db yc o n c r e t eb l o c kw h i c hi s e n e r g y 。s a v i n g a n de n v i r o n m e n t a l f r i e n d l y , w i t h t h e r a p i d e c o n o m i c d e v e l o p m e n ta n dh i g h e re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n t o d a y , o u r c o u n t r y s c o n s t r u c t i o ni n d u s t r yi s d e v e l o p i n gr a p i d l y , t h er e q u i r e m e n t so ns t r e n g t ho f b l o c ki sh i g h e ra n dh i g h e r t h es t r e n g t ho fc o n c r e t eb l o c ki sd e p e n d e do nt h e b l o c kd e n s i t ya n du n i f o r m i t yt oa g r e a te x t e n t t h er e s e a r c hd a t ah a ss h o w e d t h a tw h e nt h ed e n s i t yo fb l o c ki n c r e a s e d1 ，t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t hc a r lb e i n c r e a s e db ya b o u t4 t h eb l o c kd e n s i t ya n du n i f o r m i t yi sd e p e n d e do nt h e p e r f o r m a n c eo ft h ev i b r a t i o ns y s t e mo fb l o c kf o r m i n gm a c h i n e d i f f e r e n t g r a d a t i o n ，d i f f e r e n tm a t e r i a l sr e q u i r ed i f f e r e n tv i b r a t i o nf r e q u e n c ya n dd i f f e r e n t a m p l i t u d e b u tt h ec u r r e n tm e c h a n i c a lo rh y d r a u l i cv i b r a t i o ne x c i t e ru s e do n b l o c kf o r m i n gm a c h i n ec a nn o ts a t i s f yt h ei n d e p e n d e n tc o n t r o lo f f r e q u e n c ya n d a m p l i t u d e t h em e c h a n i c a lv i b r a t i o ne x c i t e re x i s t sm a n yd r a w b a c k ss u c ha s ：t h e v i b r a t i o nm a s si sl a r g e r ；t h ef r e q u e n c yi sl o w e ra n dt h ei n f l u e n c eo nt h el i f e t i m e o fb e a r sa n dm e c h a n i s mi sb i g g e r t h eh i g h e rt h ef r e q u e n c y , t h es m a l l e rt h e a m p l i t u d eo ft h eh y d r a u l i cv i b r a t i o ne x c i t e r t oi m p r o v et h ea m p l i t u d e ，y o u i l l 太原理工大学硕士研究生学位论文 m u s ti n c r e a s et h es y s t e ms u p p l yp r e s s u r e a n dt h es y s t e mp r e s s u r ee x c i t e s h y s t e r e s i sb e c a u s eo ft h ea c c u m u l a t o r i ti sh a r dt om e e tt h er e q u i r e m e n to fa h i 曲e rf r e q u e n c ya n dah i 曲a m p l i t u d ea tt h es a m et i m e t h ea m p l i t u d eo fh y d r a u l i cv i b r a t i o ne x c i t e ri sn o to n l yc o n c e m e dw i t h s u p p l yp r e s s u r eb u ta l s oc o n c e m e dw i t ht h eo p e n i n go ft h ev a l v e f o rt h i s r e a s o n ，an e wh y d r a u l i c v i b r a t i o n s y s t e m c o n t r o l l e d b y at w o d i m e n s i o n e x c i t a t i o nv a l v ei s p r o p o s e d t h ev a l v ec a nc h a n g et h ea r e ao fp a s s a g eb y c o n t r o l l i n gt h er o t a t i o n a lm o t i o na n dt h ea x i a ld i s p l a c e m e n to ft h ev a l v ec o r e ，t o r e a l i z et h ei n d e p e n d e n tc o n t r o lo ft h ef r e q u e n c ya n da m p l i t u d e t h e p r i n c i p l eo f t h et w o d i m e n s i o ne x c i t a t i o nv a l v ei se x p o u n d e da n dt h es t r u c t u r ei sd e s i g n e d ， e s p e c i a l l y , t h ek e yp o s i t i o no ft h ev a l v ei sp a r t i c u l a r l yd e s i g n e da n dc a l c u l a t e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h en e wv i b r a t i o nv a l v ei s e s t a b l i s h e d ，t h e d y n a m i cp r o p e r t yi ss i m u l a t e di nt h em a t l a be n v i r o n m e n t ，a n dt h es i m u l a t i o n c u r v e sa r ep l o t t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a ti nt h ec a s eo fac o n s t a n t s u p p l yp r e s s u r e ，w h e nt h ea m p l i t u d ed e c r e a s e db e c a u s eo ff r e q u e n c yi n c r e a s e ， w ec a ni n c r e a s et h ea m p l i t u d e b yi n c r e a s i n gt h ea x i a lo p e n i n g w h e nt h ec h a n g e o fv i b r a t i o nm a s sl e a d st ot h ec h a n g eo fa m p l i t u d e ，w ea l s oc a na d j u s tt h e a m p l i t u d eb ya d j u s t i n gt h ea x i a lo p e n i n g s o ，t h i sv i b r a t i o ns y s t e mc a ne a s i l y a c h i e v et h ei n d e p e n d e n tc o n t r o lo fv i b r a t i o nf r e q u e n c ya n da m p l i t u d e ，t om e e t t h e r e q u i r e m e n t so ff r e q u e n c ya n da m p l i t u d eo fd i f f e r e n tg r a d a t i o nw i t h d i f f e r e n tm a t e r i a l s ，t og e tt h eb e s tv i b r a t i o ne f f e c to fm a t e r i a l s ，t oi n c r e a s et h e d e n s i t ya n du n i f o r m i t yo ft h eb l o c k ，t og e tt h eh i g hq u a l i t yb l o c k i ti s i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 p r a c t i c a b l et oa p p l yt h i ss y s t e mt ob l o c kf o r m i n gm a c h i n e t h ei n n o v a t i o no ft h ep a p e ri san e w h y d r a u l i cv i b r a t i o ns y s t e mc o n t r o l l e d b yat w o d i m e n s i o ne x c i t a t i o nv a l v ei sp r o p o s e d t h ev a l v ec a nc h a n g et h ea r e a o f p a s s a g eb yc o n t r o l l i n gt h er o t a t i o n a lm o t i o na n dt h ea x i a ld i s p l a c e m e n to ft h e v a l v ec o r e ，t or e a l i z et h ei n d e p e n d e n tc o n t r o lo ft h ef r e q u e n c ya n da m p l i t u d e k e yw o r d s ：b l o c kf o r m i n gm a c h i n e ，t w o d i m e n s i o ne x c i t a t i o n v a l v e ， h y d r a u l i cv i b r a t i o ne x c i t e r , m a t h e m a t i c a lm o d e l ，m a t l a bs i m u l a t i o n v 太原理工大学硕士研究生学位论文 v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 能源问题是中国2 1 世纪乃至以后所面临的一个重大问题，能否有效利用资源、降 低能源消耗关乎中国经济的前途。建筑行业作为国家经济发展的支柱产业，必须树立节 能环保理念，合理利用和节约资源，加快推进科技创新，发展循环经济，建设资源节约 型、环境友好型社会。在这一背景下，从1 9 9 9 年开始，我国相继展开了墙体材料革新 与建筑节能工作，对1 7 0 多个大中城市禁止生产使用实心粘土砖。如今“禁实政策已 取得显著效果，逐步由大中城市向中小城市发展，实心烧结粘土砖将很快退出历史的舞 台。混凝土砌块作为实心粘土砖的替代品之一【l 】，可以充分利用当地的各种废弃材料如 粉煤灰、炉渣、煤矸石等，有效避免毁田占地，降低能源消耗，改善墙体性能，是一种 绿色、节能、环保、新型的墙体材料。而且在旧城改造等拆迁过程中产生大量的建筑垃 圾，可以把这些建筑垃圾粉碎后作为混凝土砌块的粗骨料，生产再生混凝土砌块，实现 废弃物的二次利用，这一点是烧结粘土砖所无法比拟的，研究表明利用建筑垃圾进行二 次利用所生产的砌块具有足够的抗压强度【2 卅，能够满足建筑领域乃至工业领域的生产 需要。甚至国外已经始尝试将废玻璃、废橡胶等加入到砌块中制作路面砖，已经取得了 一定的成效【5 7 1 。可见，混凝土砌块已成为一种最具竞争力的建筑材料之一。 砌块成型机是生产砌块的关键设备。它以粉煤灰、煤矸石、炉渣等为主要原料，按 一定级配加入其它骨料和粘结剂形成混凝土，在高频振动和压力作用下混凝土颗粒和骨 料之间发生相对错动而达到密实。混凝土砌块的强度很大程度上取决于砌块的密实度和 均匀性，研究数据表明当砌块的密实度提高1 ，其抗压强度可以提高4 左右【8 j 。砌块 密实度和均匀性直接由成型机激振系统的参数决定。从混凝土振动工艺学看，对于不同 的被振物料，不同的级配，其最佳的振动频率及幅值都是不同的。振动频率应尽可能接 近物料中骨料的固有频率，使其产生共振，此时衰减最小，振幅最大。目前常用的激振 器主要有机械式激振器、电磁激振器和液压激振器。机械式激振器又分为弹性连杆式和 偏心块式惯性激振器。弹性连杆式激振器是通过弹性连杆将模箱与主轴相连，主轴是两 端具有一对相同偏心量的曲轴，旋转时曲轴通过连杆带动模箱上下振动。机械偏心式惯 太原理工大学硕士研究生学位论文 性激振器是由偏心块高速旋转产生惯性力( 激振力) ，激发成型机振动台产生持续的振 动。电磁式激振器是由可动圈在运动时切割磁力线而产生交变激振力。这些激振器都存 在很多弊端，如：弹性连杆式激振器振幅单一不可调，振动频率低；惯性式激振器，参 振质量大、振动参数难调更不能实时调节、对机构轴承寿命影响大等；电磁式激振器激 振力小、频率高且不可调，都无法满足振幅与频率的独立调节。 液压传动技术具有很多优点，如结构简单、体积小、重量轻、输出力大、易于实现 无级调速、易于实现频繁的换向、易于实现自动化等，广泛应用于工程机械、矿山机械、 汽车轻工等各个行业【9 】。液压激振器是随着液压技术的发展产生的一种新型激振器，可 以较方便地实现频率和幅值的调整。姜伟等介绍了一种高频液压激振器，该液压激振器 通过改变系统的供油压力或者步进电机的转速，即可方便的实现对激振器振幅和频率的 控n t l 0 】。寇子明等也介绍了一种旋转阀控差动缸式液压激振器【l l 】。这类激振器都属于 二位三通转阀控制差动缸式激振器，研究表明有一个共同的特点：振幅与频率相互影响。 激振频率越高，激振油缸输出的振幅就越小；液压缸活塞质量或参振质量越大，系统的 振幅就越小，要提高系统振幅就必须加大系统供油压力，很难实现振幅与频率的独立调 节，满足较高振幅和频率的要求【1 2 】。 因此，如果能设计一种新型激振装置，既可以方便的调整振动频率，又可以在频率 变化时不影响振幅的输出或者可以对振幅进行实时调整，那么就可以实现振幅与频率的 独立调节，满足不同级配、不同物料的振动要求。由液压传动理论可知液压激振器的振 幅既与供油压力有关，也与阀1 ：3 的开度有关，基于此，提出了一种新型激振阀控制的液 压激振系统。该激振系统通过控制激振阀阀芯的旋转运动和轴向移动改变阀口过流面 积，从而实现振动频率和幅值的独立调节【1 3 】。 如何设计一种新型激振阀实现振幅和频率的独立调节是本文的研究重点。 1 2 砌块成型机概述 目前，我国已经明令禁止使用实心粘土砖，混凝土砌块作为实心粘土砖的一种替代 品，是一种新型墙体材料。砌块成型机是生产混凝土砌块的主要设备，一般由激振台和 主机架两大部分组成。混凝土混合料首先进入布料箱中，然后通过布料系统进入到模箱 内，模箱内的物料在激振器的振动作用和上模头的压力作用下发生相对错动，从而达到 密实成型。 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 0 年代时，砌块成型机在我国刚刚起步，多数是采用结构简单的杠杆式或移动式， 由于激振力偏小，所生产的砌块质量差，强度低，缺棱掉角的现象比较严重。到了8 0 年代到9 0 年代出现了使用弹性连杆式和偏心块式激振器的成型机，这类成型机很大程 度上减轻了人力劳动，生产出的砌块强度和质量都有很大提高，但受于机械强度和轴承 一寿命的限制，激振频率和幅值并不能很高，影响了砌块强度的提高。随着液压技术了发 展，出现了使用旋转阀控差动缸式液压激振器的成型机【1 4 】，如图1 1 所示为使用液压 激振器的砌块成型机系统简图，液压激振阀1 0 通过电机带动旋转运动给激振油缸3 配 流，使激振油缸快速往复运动，带动物料及其模箱振动。同时物料在上模头的压力作用 下使物料密实成型。激振系统分为差动式( 有杆腔始终处于高压供油，无杆腔高低压变 化供油) 激振系统和两腔高低压变化供油的交流液压激振。现今大多数成型机都使用液 压系统，整机一般采用先进的可以实现人机对话的p l c 智能控制系统，对成型机运行 状态全程监控，实现信号自动分析、故障自动诊断，使成型机保持最佳工作状态。机体 采用超强型钢结构，同时高品质电器、液压元件的使用也保证了设备可以稳定、可靠、 长时间高负荷运转【1 5 1 。 目前振动技术在砌块成型机上的应用主要有以下两种形式： 乏( 1 ) 由一个或多个振动板所产生的垂直单向振动，即台振。此类激振器的特点是 可以使用大而轻的模箱，振动有效面积大，一次可以成型1 0 1 2 块制品，产量大，而且 可以进行二次布料，产品范围广。但是振动周期长，振动过程中振动能量有一定的衰减， 每块砌块所得到的振动功率也小。一般用于生产低标号砌块和铺路砖等。 ( 2 ) 在模箱上产生或直接传递到模箱上的垂直单向振动，即模振。此类激振器的 特点是系统与模箱之间是刚性连接，振动衰减小，每块制品得到振动功率大，制品强度 高，成型周期短。但由于振动能量是通过模箱底部传递到物料上的，所以模箱必须满足 一定的强度和刚度要求，这样就使模箱质量加大，而且模箱体积也受到限制，成型面积 比台振成型面积要小，一次最多生产6 块标准砌块。适用于生产高强度、超高强度砌块 【1 6 1 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 l 、上模头2 、物料3 、激振油缸4 、蓄能器5 、单向阀6 、液压泵7 、过滤器8 、散热器 9 、溢流阀1 0 、激振阀1 1 、支柱1 2 、栈板1 3 、模箱 图1 1 砌块成型机激振系统简图 f i g 1 - 1t h ed i a g r a mo fb l o c kf o r m i n gm a c h i n ee x c i t a t i o ns y s t e m 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外砌块成型机现状 混凝土砌块最早是由美国人制造的。1 8 6 6 年，哈契逊获得了美国第一份生产混凝 土砌块的专利证书。随后在1 9 0 0 年帕尔墨发明了世界上第一台空心砌块成型机，从此 混凝土砌块得到飞速发展。二战结束后，混凝土砌块开始席卷全球，逐渐向欧洲、非洲、 澳洲等各国发展，成为世界性新型墙体材料，得到了普遍应用和发展 1 7 】【1 8 】。当时美国 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 的混凝土砌块年产量已达到5 亿块。如今，混凝土砌块已经遍布建筑领域和工业领域的 每一个角落，与每一个国家的建设发展息息相关、密不可分。 砌块成型机是生产砌块的关键设备，国外砌块成型机的发展历史较长，对成型机的 研究比较深入，美国贝赛尔公司、德国玛莎公司、意大利罗萨柯美达公司等都是以生产 砌块成型机而饮誉全球。这些公司生产的砌块成型机性能稳定、效率高，连续无故障作 业时间长，可以长时间的持续稳定工作，激振加速度可以达到1 0 9 - 1 5 9 ，有的甚至更高。 其生产的砌块强度高、品质好、且外形美观废品率低。美国贝赛尔生产的最新m a x t r o n i c 砌块成型机，采用其自主研发的t r o n i c 激振技术，振动频率和幅值可以根据不同物料 需求进行调整。独立的预振、重振和模头振动使产品振动均匀上下密实度一致，一次成 型时间只需要1 0 s ，每板成型块数甚至可达到9 0 块。并配备拥有国际先进技术的二次 布料系统，可以生产彩色地面砖、挡土墙砖、承重砌块、普通砌块、彩色面劈裂砌块和 普通劈裂砌块、草坪砖，以及用于高速公路、铁路、河道坡岸等路坡护理工程的坡堤砖、 连锁护土砖、咬接式水土护垫等系列产品【1 9 2 1 】。 如今，发达国家的混凝土砌块生产和应用技术已经很成熟，生产的高强度、高性能、 高掺量砌块广泛应用于包括大型桥梁和高层建筑在内的各类建筑工程中。而且产品样式 和颜色非常丰富，甚至一些生产商可以根据建筑师提出的表面纹理、色彩、形状等方面 的要求进行生产加工，使建筑师们的想象力和创造力得以实现【2 2 】。新型保温隔热复合砌 块在发达国家也有很大发展，1 9 7 3 年石油危机以后，英，美、法、德、加拿大、比利 时、瑞典、土耳其等国家在节能建筑方面都取得了丰硕的研究成果。而且国外已经尝试 并试验将爆破拆除废料、废玻璃、废橡胶等加入到砌块中进行二次利用。 1 3 2 国内砌块成型机现状 与发达国家相比，我国混凝土砌块发展比较晚，始于2 0 世纪6 0 年代。当时只是采 用一些自制的简易杠杆式或简易移动振动台，不仅产量低，砌块质量也无法保证。从 8 0 年代开始，国家相继颁布了许多有关砌块和砌块成型机方面的法令法规，极大的促 进了我国砌块成型机械的提高和发展。1 9 8 3 年以后陆续开发研制了以y x d 一5 - 1 和 g y - b 5 为代表的移动式砌块成型机，但是这类移动式砌块成型机占用场地大、受天气 影响严重，冬季和雨季必须停产，而且生产的砌块强度低，不能满足高强度要求，并没 有得到大量推广使用【2 3 】。9 0 年代，我国先后从国外引进二十多套先进设备，在对国外 先进技术引进、消化和吸收后，相继开发出了多条全自动砌块生产线。虽然这些设备多 太原理工大学硕士研究生学位论文 数技术是引进国外的，没有自主知识产权，但却极大的促进了我国砌块成型机械的发展。 2 0 0 9 年北京瑞图科技发展有限公司将其自主研发制造的r t 4 型成型机装船发往美国旧 金山，这是中国制造混凝土砌块成型机首次踏上美国本土，具有里程碑的意义。该公司 生产的瑞图r t q t 1 5 砌块成型机采用先进的双轴高效振动系统和p l c 程序控制，每板 生产标准空心砌块可达1 5 块，已达到国际先进水平，其最新生产的r t d 1 2 标准砖、 路面砖成型机更是无需托板，直接湿坯码垛，大大降低了投资成本。 但是，与国外相比我国混凝土砌块发展水平还是有很大差距的，如生产的砌块密实 度不够，表面麻面严重，容易出现缺棱掉角、开裂等现象，成型周期也比较长；并且在 利用废弃品，生产高强度、隔热保温、高效节能性砌块方面有一定的局限性。物料配比 计量方面重视程度也不够，颜色、样式和种类也很有限。所以我国砌块成型机行业具有 很大的发展潜力，要加大技术创新力度，开发先进、实用、节能、可靠的砌块制品【2 3 】。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题旨在研究一种新型液压激振系统，可以实现振幅与频率的独立调节。主要研 究内容如下： ( 1 ) 双自由度激振阀的结构、工作原理 双自由度激振阀在结构上主要由阀芯、阀套、阀体以及电机组成。阀芯既可以旋转 运动，也可以轴向直线运动。通过阀芯的旋转运动以及轴向直线移动改变阀口过流面积， 从而改变激振幅值。而激振频率直接由电机转速控制。 ( 2 ) 双自由度激振阀的主要部件的结构设计 根据液压阀设计原则，对阀芯、阀套和阀体及其阀芯滑动机构进行了结构设计，计 算得到其尺寸参数，为以后生产制造提供依据。 ( 3 ) 双自由度激振阀的动态建模和仿真 根据双自由度激振阀的结构和工作原理，列出了描述该阀动态特性的微分方程组即 数学模型。在m a t l a b 仿真平台上，运用o d e 4 5 函数求解器进行了动态模拟仿真，为该 阀的设计和研究提供了有效依据，并且可以缩短设计周期，降低成本。 ( 4 ) 液压激振系统的设计及试验设计 对基于双自由度激振阀的液压激振系统进行了设计，并给出了试验方案的设计，为 进一步验证该激振阀的特性提供了方法。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 振动压实机理 第二章振动压实知识概述 “振动压实是指借助某种部件或设备，对被压实材料进行某种形式的加载，克服被 压实材料的内摩擦力、粘聚力，使被压实材料的固体颗粒发生相对移动而相互靠近，减 少固体颗粒间的空气和水分，从而使被压实材料变得密实的过程”。材料的压实过程实 质是颗粒重新排列、不断趋于密实的过程。在压力和颗粒运动的过程中，级配良好的颗 粒逐渐靠拢趋于密实；另一方面，大小颗粒互相镶嵌，小颗粒进入大颗粒间的孔隙，使 材料总体孔隙体积减少，密实度提高；另外，颗粒本身的非规则形状，在振动和压力效 应的作用下，颗粒相互咬合，一方面提高密实度，另一方面使被压实材料的强度提高【2 5 1 。 目前，许多学者对振动压实机理进行了研究，形成了以下几种重要学说：共振学说、振 动冲击学说、反复载荷学说等。 2 1 1 共振学说 物理学原理认为，当激振频率与被振物料固有频率一致时，被振物料将产生激烈运 x 动+ ：物料在重力和压力的共同作用下，向低位置运动达到密实效果，这时的振动密实效 果也是最好的。实践证明共振密实效果是非常显著的，但是物料的质地、大小不同时其 固有频率会不同，所以振动压实时，很难保证所有物料都能达到共振口6 1 。 2 1 2 振动冲击学说 当振动产生时，振动能量以冲击波的形式传递到被振物料中。物料在冲击力作用下， 由静止状态逐渐过渡到运动状态。物料颗粒之间的摩擦力由静摩擦变为动摩擦，颗粒间 的机械啮合被破坏，大大降低了内阻，使物料获得流动性，出现相互填充现象 2 7 1 。较小 的颗粒填充到较大颗粒间隙当中，颗粒中的水份和空气也被排挤出去，达到密实的效果。 东北大学闻邦椿教授对此学说有深入研究，并将振动学与摩擦学的理论相结合，提出了 一r 振动摩擦 学科口8 1 。 2 1 3 反复载荷学说 太原理工大学硕士研究生学位论文 该学说认为，当振动产生时，物料由于振动产生的周期性压缩运动而达到密实效果。 类似于经过多次加压达到密实，所以该学说在低频振动时是行得通的，在高频范围内缺 乏有力依据。 上述各种学说分别从不同的角度阐述了振动压实机理，但都不能较全面的解释各种 振动压实现象，都有一定局限性和使用范围。而且砌块成型混合物中各物料形状各异、 材质不同、种类繁多，实际振动成型状况也各不相同，影响振动压实成型的因素很多。 因此各学说都有待进一步试验研究和探讨并加以完善。 “ 22 砌块密实度的影晌因素 从物料种类、级配到振动压实成型再到坯体的养护：整个砌块生产过程中影响砌块 最终强度的因素很多 2 9 1 。对物料及其级配的研究、对坯体养护方法的研究都已经很多， 也形成了比较成熟的结论。这里重点介绍振动成型参数对砌块强度、密实度的影响。 2 , 2 1 振动方向的影响 就振动方向而言，可以把振动分为：垂直单向振动、水平单向振动、垂直面上的圆 周振动和水平面上的圆周振动【3 0 1 。加纳学者b k b a i d e n 和c k 0 a s a n t e 3 1 1 ，研究了不 同振动方向对砌块强度的影响，发现垂直振动可以使砌块产生比水平振动更高的密实 度。还说明了即使采用相同的振动方向，如果振动模式不同也会对砌块密实度产生不同 的影响。 2 2 2 振动幅值的影响 振幅既与混合料的颗粒大小有关还与其和易性( 混凝土拌和物在拌和、运输、浇筑 过程中，便于施工的技术性能。包括流动性、黏聚性和保水性。) 有关。较大的振幅可 以使远离振源的颗粒获得足够的能量来突破阻力产生运动【3 2 】。但振幅过大时，容易使表 面被振物料出现跳动现象，使内部疏松，反而会使密实度降低。振幅过小，粗颗粒得不 到足够的振动能量振动不起来，达不到密实效果。所以应根据物料的颗粒大小及粗细物 料的级配来选择合适的振幅，太原理工大学张军【3 3 】等提出了一种基于双向振动的砌块成 型新工艺，该成型工艺从上下两个方向对被振物料进行激振，振动能量可以从两个方向 传递到物料中，这样就可以解决单向振动时远离振源的物料得不到充分激振能量无法起 振的问题，使砌块密实度达到一致。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 3 振动频率的影响 振动频率的选择应尽量与物料固有频率一致，使物料产生共振，这时振动衰减最小， 可以达到最佳密实效果。然而混合物料中各种骨料粒径、材质各不相同，要同时满足各 种骨料的共振频率是很难实现的。所以实际生产中常根据物料中各骨料的最大粒径和平 均粒径来选择合适的激振频率。当然最理想的是采用多频振动【3 3 】，使各骨料产生共振。 如今双频振动在筑路机械中已经得nt 应用，刘本学m 】、冯忠纠3 5 1 等对双频振动进行 了深入研究，但在砌块成型机中的应用还需要进一步的研究与试验。 2 2 4 振动加速度的影响 振动加速度受到振幅和频率的共同作用的影响。振动加速度的变化会直接导致混合 物粘度的变化，当振动加速度由零逐渐增大时，混合物的粘度会迅速下降；当振动加速 度增大到某一值时，混合物的粘度下降将趋于缓和，变化很小。不同级配的混合物存在 不同的最佳振动加速度，所以应使振动加速度趋于此值，超过最佳振动加速度值，不仅 加大能量消耗，也可能达不到最佳密实效果。一般干硬性混凝土混合物比塑性混凝土混 合物所需的振动加速度大【3 6 】。 2 3 激振器分类 目前，振动技术在砌块成型机中的主要应用有两种方式：一是由1 个或多个振动板 所产生的垂直单向振动。二是在模箱上产生或直接传递到模箱上的垂直单向振动【3 7 1 。 常用的激振器有机械式激振器、电磁式激振器和液压激振器【3 引。 2 3 1 机械式激振器 机械式激振器又分为：曲柄连杆式激振器和惯性式激振器。 ( 1 ) 曲柄连杆式激振器 曲柄连杆式激振系统最早见于美国哥伦比亚公司生产的砌块成型机上，主要由曲 轴、连杆及连杆端部的弹簧所组成，如图2 1 所示，模箱借助弹性连杆激起振动。曲轴 两端在主轴中心线的同一方向有一定的偏心量。两根连杆的下端分别连接在曲轴的偏心 轴上，上端与模箱连接，模箱在其导向套的约束下能上、下移动。当曲轴在皮带带动下 旋转时主轴不产生振动，偏心轴中心作圆周运动通过连杆的牵动使模箱相对于机架作 上、下往复运动【3 9 1 ，使其内部的混凝土物料获得激振力。曲柄旋转运动的水平分量引起 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 的振动相应较小，通常可忽略不计【4 0 1 。 曲柄连杆式激振器的缺点是：振幅单一不可调，所以不能满足不同物料对振幅的要 求，受机构强度的限制，激振频率不能过高，容易出现连杆摇摆、抖动现象，造成连杆 弯曲甚至折断，给生产带来了严重影响。 1 、曲轴径2 、配重3 、皮带4 、主轴5 、轴承座6 、连杆7 、弹簧8 、模箱 图2 - 1 曲柄连杆式激振器结构简图 f i g 2 1t h es t r u c t u r a ld i a g r a mo fc r a n ka n dc o n n e c t i n gr o dv i b r a t i o ne x c i t e r ( 2 ) 惯性式激振器 惯性式激振器利用偏心块回转运动产生所需的激励力，主要由固定偏心块、可动偏 心块、两根主轴以及轴承、轴承座组成，如图2 2 所示。偏心块对称配置，两根主轴分 别由两台特性相近的感应电机驱动或者由一台电机和一对速比为1 的齿轮驱动，进行同 步反向旋转。由偏心块产生的惯性力在水平方向互相抵消，在垂直方向互相叠加，从而 使成型机振动台作垂直定向振动；通过调节电机的转速或可动偏心块与固定偏心块的夹 角q 就可得到不同的激振力【4 1 】： 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 f = 2 m e c 0 2 s i n q , 式中：卜激振器激振力； 舻一激振器总质量； 旷稍心块总偏心距； + & 广一主轴回转角速度； 广相位角； 在整个振动过程中，当= 9 0 0 和= 2 7 0 0 时，可得到最大激振力： f ：2 m e m 2 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 图2 - 2 惯性式激振器结构简图 f i g 2 2t h es t r u c t u r a ld i a g r a mo fi n e r t i a lv i b r a t i o ne x c i t e r 在式( 2 1 ) 中，偏心距p 是可动偏心块和固定偏心块的合重心与主轴中心的距离，可 以通过调整可动偏心块与固定偏心块夹角来改变。所以当电机转速一定时，通过调整偏 心块夹角0 【来改变偏心距p ，从达到调整激振力的目的。 、 惯性式激振器的缺点是：参振质量大，无法实现重载启动；设备维修量大，检查、 更换轴承频繁，振动结构件开裂现象严重；主轴在旋转过程中受到交变载荷，必然会产 生交变应力，容易出现断裂等现象，所以主轴必须满足足够的强度和刚度要求；偏心块 太原理工大学硕士研究生学位论文 的加工安装也必须达到一定的精度要求，如果在加工安装过程中累积偏差过大会造成设 备在激振时水平方向力无法完全抵消，不仅对振动机构寿命造成很大影响，更会影响混 合物料的成型效果。可动偏心块的加入，可以在一定范围内调整激振力，但调整范围不 大且不可实时调整【4 1 1 。 2 3 2 电磁激振器 电磁式激振器如图2 3 所示，激振器连杆与动圈相连，并由弹簧片支承在磁铁上。 当动圈内通过交变电流时，由于在磁场中受磁力作用，动圈将在磁场内往复运动并切割 磁力线而产生交变激振力。激振力的大小与动圈交变电流强度平方成正比。所以，当磁 场一定时，电磁式激振器的激振力删将取决于输入动圈中交变电流m ) 。电磁式激振 器激振频率高但激振力较小，无法满足成型机的成型要求，且振动位移不可调【4 2 】。 磁铁弹簧片弹性连杆动圈 图2 3 电磁式激振器结构简图 f i g 2 3t h es u u c 删d i a g r a mo fe l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o ne x c i t e r 2 3 3 液压激振器 “液压激振是指以液体作为工作介质，将压力能转换成活塞运动的动能，以输出振 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 动来进行能量传递的一种形式。液压激振装置利用油路中交替变化的压力液流传递液压 能，直接产生活塞的周期振动，并以振动或冲击方式输出能量。输入参数是液流的工作 压力和工作流量，输出参数是工作频率、速度、振幅”【4 3 】。液压激振不仅能够实现振动 频率和幅值的无级调整，而且可以使系统大大简化，操作简便省力。液压系统的工作压 力可达2 1 m p a - - , 3 2 m p a ，能量利用率高且振动噪声低，尤其是消除了对人体有害的低 频噪声，改善了劳动环境。 当前对液压激振器的分类主要是依据其配流方式的不同，因为大多数液压激振器是 利用油路中交变液流的压力来推动振动活塞以产生振动能量的。所以按配流方式不同液 压激振器可以分为： ( 1 ) 无配流液压激振器，是指激振器内无配流装置，但并非指它的驱动液压元件 没有它本身的配流装置，其一般由液压马达驱动偏心轮，再由偏心轮上的连杆带动振动 活塞，或带动一个气缸活塞，如图2 - 4 ( a ) 所示为其原理图。无配流液压激振器结构 简单，振动稳定，但其基本上仍属于机械传动形式，惯性较大，振动频率较低。 ( 2 ) 强制配流液压激振器，在其激振器中冲击振动活塞是直接受到交变液流的压 力作用而振动的，交变液流由配流装置控制，决定活塞的运动，但活塞的运动不能影响 配流装置的动作。如图2 - 4 ( b ) 所示为其原理图，液压马达与配油阀用机械连接，当 马达转动时，配油阀把压力油周期性的交替输入振动活塞的上腔和下腔，从而使振动活 塞起振，配流阀可以是转阀也可以是滑阀。强制配流液压激振器的振动频率决定于配流 装置的切换液流频率。 ( 3 ) 自动配流式液压激振器，它同样是由交变液流压力来带动振动活塞起振的。 ， 但是，其配流装置不是靠外界动力来驱动，而是依靠配流装置与振动活塞之间的反馈关 系来驱动的。如图2 - 4 ( c ) 所示为其原理图，实线表示主油路，虚线表示配油装置与 振动活塞之间相互控制的反馈关系。压力油经配油阀后，推动活塞振动，活塞动作后接 通控制油路去切换配油阀。配油阀动作后改变振动活塞的压力油方向，使活塞改变运动 方向。振动活塞又接通另一控制油路，使配油阀再次切换。这样周期循环使活塞产生连 续的振动。 太原理工大学硕士研究生学位论文 a 无配漉式b 强制配流式c 自动配流式 图2 - 4 液压激振器分类 f i g 2 - 4t h ec a t e g o r yo fh y d r a u l i cv i b r a t i o ne x c i t e r 前苏联学者a s t a s h e v t r e s v y a t s k i j m 研究了一种自激振的新型液压激振器，对于线 性激振系统可以满足持续稳定的激振特性，并对此激振器在不同领域的应用进行了讨 论。太原理工大学寇子明【4 5 】等介绍了一种旋转阀控差动缸式液压激振器的工作原理及其 结构特征，说明了压力相同时，频率增大振幅会减小，在频率不变时，可以通过调节系 统压力来调节振幅。而且还说明了系统压力和振幅的调节量不能超过系统的允许量。浙 江工业大学姜伟、胡新华闱学者介绍了一种高频液压激振器，并进行了仿真分析，说明 了该液压激振系统可以实现振幅和频率的无级调整且结构简单、操作方便。上述提到这 几类液压激振器都是转阀控制液压缸活塞进行往复运动，都属于二位三通转阀控制差动 缸式激振器。其基本原理可简化为图2 - 5 所示。 太原理工大学硕