双激振电机驱动的振动系统的同步特性分析方法及装置

摘要

本发明涉及一种双激振电机驱动的振动系统的同步特性分析方法及装置，其中，所述方法包括根据土壤的应力与应变的关系以及所述双激振电机驱动的振动体与土壤之间的相互作用关系建立土壤的不对称滞回恢复力模型；根据所述不对称滞回恢复力模型以及预先建立的同向回转双激振电机驱动的振动系统力学模型建立所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型；根据所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型对所述双激振电机驱动的振动系统的同步运转特性进行分析。本发明提供的动力学模型与实际振动压实工况更加吻合，因而可提高双激振电机驱动的振动系统的同步特性分析的准确性，可为后续进一步研究提供基础。

说明书

技术领域

本发明涉及振动机械工程技术领域，尤其涉及一种双激振电机驱动的振动系统的同步特性分析方法及装置。

背景技术

振动压实是一种目前广泛应用于道路工程和土建工程中的施工方法，振动压实系统是完成这种施工工作最重要的设备，它利用振动体将振动能量以波的形式传递给被压土体，减少土体的变形抗力，增加其流动性，提高压实程度和压实效率。

多激振电机驱动的振动压实系统在压实土壤过程中，土体会产生弹性变形和较大的塑性变形，土体由于只在垂直向下的方向上产生塑形变形，所以土体对振动体的恢复力与其位移之间形成的滞回环是不对称的。这种在应力－应变关系曲线上通常显现出的不对称的特性叫作不对称滞回特性。这种不对称滞回特性对系统的振动响应有很大影响时，须保证多激振电机的同步运转才能实现系统同步运动稳定性，进而保证振动机械的工作性能。

振动压实土壤产生的压实效应和土体的不对称滞回性属于非线性特性，然而现有的振动压实系统的运转特性分析研究中仅考虑了压实土壤导致的非线性因素，而未考虑多激振电机的同步运转特性的影响，这与实际情况相差很大，影响了振动压实系统的运转特性分析的准确率。

发明内容

针对现有的振动压实系统的运转特性分析研究中未考虑多激振电机的同步运转特性的缺陷，本发明提出如下技术方案：

一种双激振电机驱动的振动系统的同步特性分析方法，所述方法包括：

根据土壤的应力与应变的关系以及所述振动系统中的振动体与土壤之间的相互作用关系建立土壤的不对称滞回恢复力模型；

根据所述不对称滞回恢复力模型以及预先建立的同向回转双激振电机驱动的振动系统力学模型建立所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型；

根据所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型对所述双激振电机驱动的振动系统的同步运转特性进行分析。

可选地，所述根据土壤的应力与应变的关系以及所述振动系统中的振动体与土壤之间的相互作用关系建立土壤的不对称滞回恢复力模型，包括：

根据土壤线性弹性刚度、振动系统的位移、线性恢复力以及非线性恢复力建立所述不对称滞回恢复力模型。

可选地，所述根据所述不对称滞回恢复力模型以及预先建立的同向回转双激振电机驱动的振动系统力学模型建立所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型，包括：

根据所述振动系统中的第一激振电机的第一质量、所述第一激振电机在竖直方向的第一位移、第一速度和第一加速度以及所述振动系统中的第二激振电机的第二质量、所述第二激振电机在竖直方向的第二位移、第二速度和第二加速度建立所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型。

可选地，所述振动系统包括振动体；

相应地，所述根据所述振动系统中的第一激振电机的第一质量、所述第一激振电机在竖直方向的第一位移、第一速度和第一加速度以及所述振动系统中的第二激振电机的第二质量、所述第二激振电机在竖直方向的第二位移、第二速度和第二加速度建立所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型，还包括：

根据所述振动体的质量、所述第一激振电机的第一偏心块的质量和所述第二激振电机的第二偏心块的质量、所述第一偏心块绕所述双激振电机的回转轴心的第一半径、所述第二偏心块绕所述双激振电机的回转轴心的第二半径、所述双激振电机的第一偏心块的第一角位移以及第二偏心块的第二角位移、所述第一偏心块在相应旋转方向上的第一角速度和第一角加速度以及所述第二偏心块在相应旋转方向上的第二角速度和第二角加速度建立所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型。

可选地，所述根据所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型对所述双激振电机驱动的振动系统的同步运转特性进行分析包括：

设定所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型的各个参数，以根据所述参数对所述双激振电机驱动的振动系统的同步运转特性进行分析。

一种双激振电机驱动的振动系统的同步特性分析装置，包括：

恢复力模型建立单元，用于根据土壤的应力与应变的关系以及所述振动系统中的振动体与土壤之间的相互作用关系建立土壤的不对称滞回恢复力模型；

动力学模型建立单元，用于根据所述不对称滞回恢复力模型以及预先建立的同向回转双激振电机驱动的振动系统力学模型建立所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型；

运转特性分析单元，用于根据所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型对所述双激振电机驱动的振动系统的同步运转特性进行分析。

可选地，所述恢复力模型建立单元进一步用于根据土壤线性弹性刚度、振动系统的位移、线性恢复力以及非线性恢复力建立所述不对称滞回恢复力模型。

可选地，所述动力学模型建立单元进一步用于根据所述振动系统中的第一激振电机的第一质量、所述第一激振电机在竖直方向的第一位移、第一速度和第一加速度以及所述振动系统中的第二激振电机的第二质量、所述第二激振电机在竖直方向的第二位移、第二速度和第二加速度建立所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型。

可选地，所述振动系统包括振动体；

相应地，所述动力学模型建立单元进一步用于根据所述振动体的质量、所述第一激振电机的第一偏心块的质量和所述第二激振电机的第二偏心块的质量、所述第一偏心块绕所述双激振电机的回转轴心的第一半径、所述第二偏心块绕所述双激振电机的回转轴心的第二半径、所述双激振电机的第一偏心块的第一角位移以及第二偏心块的第二角位移、所述第一偏心块在相应旋转方向上的第一角速度和第一角加速度以及所述第二偏心块在相应旋转方向上的第二角速度和第二角加速度建立所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型。

可选地，所述运转特性分析单元进一步用于设定所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型的各个参数，以根据所述参数对所述双激振电机驱动的振动系统的同步运转特性进行分析。

本发明的双激振电机驱动的振动系统的同步特性分析方法及装置，通过根据土壤的应力与应变的关系以及所述振动系统中的振动体与土壤之间的相互作用关系建立土壤的不对称滞回恢复力模型，并根据所述不对称滞回恢复力模型以及预先建立的同向回转双激振电机驱动振动系统的力学模型建立所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型，以根据所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型对所述双激振电机驱动的振动系统的同步运转特性进行分析，由于提供的动力学模型与实际振动压实工况更加吻合，因而可提高双激振电机驱动的振动系统的同步特性分析的准确性，可为后续进一步研究提供基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例的双激振电机驱动的振动系统的同步特性分析方法的流程示意图；

图2为本发明一个实施例的土壤的不对称滞回恢复力模型示意图；

图3为本发明一个实施例的振动压实系统的力学模型示意图；

图4为本发明一个实施例的双激振电机驱动的振动系统的同步特性分析装置的结构示意图；

图5为本发明一个实施例的初相位差为0.1rad时双激振电机的转速示意图；

图6为本发明一个实施例的初相位差为0.1rad时双激振电机转速差示意图；

图7为本发明一个实施例的初相位差为0.1rad时双激振电机相位差示意图；

图8为本发明一个实施例的初转速差为1.5rad/s时双激振电机的转速示意图；

图9为本发明一个实施例的初转速差为1.5rad/s时双激振电机的转速差示意图；

图10为本发明一个实施例的初转速差为1.5rad/s时双激振电机的相位差示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一个实施例的双激振电机驱动的振动系统的同步特性分析方法的流程示意图；如图1所示，该方法包括：

S1：根据土壤的应力与应变的关系以及所述振动系统中的振动体与土壤之间的相互作用关系建立土壤的不对称滞回恢复力模型；

S2：根据所述不对称滞回恢复力模型以及预先建立的同向回转双激振电机驱动的振动系统力学模型建立所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型；

S3：根据所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型对所述双激振电机驱动的振动系统的同步运转特性进行分析。

本实施例的双激振电机驱动的振动系统的同步特性分析方法，通过根据土壤的应力与应变的关系以及所述振动系统中的振动体与土壤之间的相互作用关系建立土壤的不对称滞回恢复力模型，并根据所述不对称滞回恢复力模型以及预先建立的同向回转双激振电机驱动的振动系统力学模型建立所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型，以根据所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型对所述双激振电机驱动的振动系统的同步运转特性进行分析，由于提供的动力学模型与实际振动压实工况更加吻合，因而可提高双激振电机驱动的振动系统的同步特性分析的准确性，可为后续进一步研究提供基础。

作为本实施例的优选，步骤S1可以包括：

S11：根据土壤线性弹性刚度、振动系统的位移、线性恢复力以及非线性恢复力建立所述不对称滞回恢复力模型。

具体地，图2示出了本发明一个实施例的土壤的不对称滞回恢复力模型，如图2所示，根据土壤应力与应变的关系以及机土之间相互作用(可以采用软式非线性特性表示)确定不对称滞回恢复力模型如下式(1)所示：

其中，k为土壤线性弹性刚度，y为振动系统的位移，ky表示线性恢复力项，ε为土壤的非线性系数(为小于1的数)，εky³表示非线性恢复力项。

进一步地，作为本实施例的优选，步骤S2还可以包括：

S21：根据所述振动系统中的第一激振电机的第一质量、所述第一激振电机在竖直方向的第一位移、第一速度和第一加速度以及所述振动系统中的第二激振电机的第二质量、所述第二激振电机在竖直方向的第二位移、第二速度和第二加速度建立所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型。

在此基础上，作为上述实施例的优选，所述振动系统包括振动体；

相应地，步骤S21还可以包括：

S211：根据所述振动体的质量、所述第一激振电机的第一偏心块的质量和所述第二激振电机的第二偏心块的质量、所述第一偏心块绕所述双激振电机的回转轴心的第一半径、所述第二偏心块绕所述双激振电机的回转轴心的第二半径、所述双激振电机的第一偏心块的第一角位移以及第二偏心块的第二角位移、所述第一偏心块在相应旋转方向上的第一角速度和第一角加速度以及所述第二偏心块在相应旋转方向上的第二角速度和第二角加速度建立所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型。

具体地，图3示出了本发明一个实施例的振动压实系统的力学模型，如图3所示，根据压实土壤的实际工程问题，建立了土壤压实振动系统的力学模型。所述双激振电机驱动的振动系统在压实土壤过程中，仅产生竖直方向的激振力，oxy为非线性振动系统坐标系，O为双激振电机回转轴心连线的中点，o1，o2为双激振电机回转轴心，所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型如下式(2)所示：

其中，质体1的竖直方向的位移为y₁，速度和加速度质体2的竖直方向的位移为y₂，速度和加速度双质体的质量分别为m₁和m₂两部分组成，其中质体m₂的质量包括振动体的质量和两个偏心块的质量，两个偏心块的质量分别为m₀₁和m₀₂，偏心块绕着回转轴心的半径r₁和r₂。振动系统中的激振电机偏心块的角位移φ₁、φ₂，偏心块相应方向的角速度偏心块相应方向的角加速度质体1的处的线性阻尼为c₁，质体1和质体2的线性刚度为k1，土壤作用在振动体上的阻尼c₂，土壤线性滞回恢复力为f(y₂)，双激振电机上的偏心块的回转阻尼分别为c₀₁，c₀₂，以及双激振电机的电磁转矩分别为T_m1，T_m2，双激振电机的负载转矩分别为T_f1，T_f2。

可选地，所述根据所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型对所述双激振电机驱动的振动系统的同步运转特性进行分析包括：

设定所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型的各个参数，以根据所述参数对所述双激振电机驱动的振动系统的同步运转特性进行分析。

其中，所述激振电机差异率可以包括电机初始转速差异以及初始相位差异。

在此基础上，可以根据所述参数，并在考虑激振电机差异率(即电机初始转速差异、初始相位差异)对转速差和相位差影响的情况下，对所述双激振电机驱动的振动系统的同步运转特性进行分析。

图4为本发明一个实施例的双激振电机驱动的振动系统的同步特性分析装置的结构示意图；如图4所示，所述装置包括：

恢复力模型建立单元10，用于根据土壤的应力与应变的关系以及所述振动系统中的振动体与土壤之间的相互作用关系建立土壤的不对称滞回恢复力模型；

动力学模型建立单元20，用于根据所述不对称滞回恢复力模型以及预先建立的同向回转双激振电机驱动的振动系统力学模型建立所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型；

运转特性分析单元30，用于根据所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型对所述双激振电机驱动的振动系统的同步运转特性进行分析。

本实施例所述的装置可以用于执行上述方法实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。

作为本实施例的优选，恢复力模型建立单元10可以进一步用于根据土壤线性弹性刚度、振动系统的位移、线性恢复力以及非线性恢复力建立所述不对称滞回恢复力模型。

作为本实施例的优选，动力学模型建立单元20可以进一步用于根据所述振动系统中的第一激振电机的第一质量、所述第一激振电机在竖直方向的第一位移、第一速度和第一加速度以及所述振动系统中的第二激振电机的第二质量、所述第二激振电机在竖直方向的第二位移、第二速度和第二加速度建立所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型。

进一步地，作为本实施例的优选，上述振动系统可包括振动体；

相应地，动力学模型建立单元20还可进一步用于根据所述振动体的质量、所述第一激振电机的第一偏心块的质量和所述第二激振电机的第二偏心块的质量、所述第一偏心块绕所述双激振电机的回转轴心的第一半径、所述第二偏心块绕所述双激振电机的回转轴心的第二半径、所述双激振电机的第一偏心块的第一角位移以及第二偏心块的第二角位移、所述第一偏心块在相应旋转方向上的第一角速度和第一角加速度以及所述第二偏心块在相应旋转方向上的第二角速度和第二角加速度建立所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型。

进一步地，作为上述实施例的优选，运转特性分析单元30可以进一步用于设定所述双激振电机驱动的土壤压实振动系统的动力学模型的各个参数，以根据所述参数对所述双激振电机驱动的振动系统的同步运转特性进行分析。

本实施例所述的装置可以用于执行上述方法实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。

需要说明的是，对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

下面以一具体的实施例来说明本发明的双激振电机驱动的振动系统的同步特性分析方法及装置，但不限定本发明的保护范围。

在前述建立的不对称滞回模型(参见公式(1))的基础上可确定了图3所示的不对称滞回力f(y₂)，滞回力仿真图如图3所示。基于公式(1)-(2)，建立不对称滞回振动模型，根据模型进行仿真分析如图。举例说明，参数如下：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，电机极对数优选为4，采用激振电机转子的激振频率为25Hz，即根据激振电机差异率(电机初始转速差异、初始相位差异)对转速差和相位差的稳定性影响，列举以下两个例子。

举例1：取激振电机1的初相位为0.1rad，激振电机2的初相位为0，即初相位差为0.1rad，得到双激振电机转速、转速差以及相位差分别如图5～图7所示。由图5可知，激振电机启动后，双激振电机都到达157rad/s附近稳定运行，随即具有m₀₁偏心块的激振电机1转速经历高位大震荡后急剧回落，最终双激振电机稳定运行，且双激振电机的转速差(参见图6)在转速差为0的位置反复震荡。由图7可知，双激振电机的相位差由初始相位差为1.5rad后经历缓慢和急剧增加，最终稳定在大约π位置。

举例2：激振电机的初始转速差为1.5rad/s时，得到双激振电机转速、转速差以及相位差分别如图8～图10所示，系统初始转速差为1.5rad/s，由图8可知，激振电机启动后，具有m₀₁偏心块的激振电机1的转速经历高位大震荡后回落，最后双激振电机在大约157rad/s左右稳定运行，且双激振电机的转速差(参见图9)在转速差为0的位置反复震荡。由图10可知，双激振电机的相位差最终稳定在大约π位置。

由此可得出，系统仍然能实现双激振电机的相位同步步，即系统实现同步稳定性运行。通过电机的初始相位或初转速不同可知，在初始相位差和初始转速差在一定数值变化的情况下，激振电机1的转速具有大的震荡后，双激振电机的转速最终趋于稳定，在157rad/s左右反复震荡。双激振电机的转速差都经历的螺旋线形状的变化后，最终趋于π位置反复震荡。双激振电机的相位差则都最终达到180°，系统可实现双激振电机相位差同步运行，即系统仍能实现同步稳定状态。

本实施例提供了针对一类不对称滞回振动模型上的双激振电机的同步运行以及系统的同步稳定性分析方法，可为土壤压实类振动机械理论的丰富和发展提供依据。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。