汪领 吴兆钺 曾卉帆 张宪国 秦绪芳

摘 要：声共振搅拌设备是一种新型的搅拌设备，能够利用机械共振的能量实现搅拌装置内物料的迅速混合。并且没有侵入式设备，能够很好的保证搅拌过程中的安全和平稳，低噪声。对于医药混合，火药混合。甚至于纳米级的粉末涂抹都具有很大的意义。本文主要是对于声共振混合设备基于三质量体的振动原理进行了结构设计和猜想。设计了一种特殊的传动结构，实现电机的水平旋转到振动平台的垂直运动，并实现电机转速的倍增效果。其次对振动模型的物理方程进行数学建模分析，了解其部分影响参数。

关键词：声共振;转换机构;振动方程;Slidworks ;matlab

0.前言

声共振搅拌一种新型的搅拌方式。改进传统搅拌方式，提高搅拌质量，缩短搅拌时间，使搅拌物能够混合的更加均匀;兼容多种状态物质的混合搅拌;能够应用于相同类型容器中混合低粘度，高粘度以及非牛顿系统;在搅拌类似于火药粉这样危险的物料时，新式的声共振混合搅拌机则能避免使用叶轮或其他的入侵式设备进行混合，避免了诸多风险和麻烦;利用机械共振的力量，将机械能传递到混合过程中，实现机械能的更优化使用，减少能耗。[1-3]

无论是工业生产，医药生产，还是社会生活中，都有着搅拌机的影子，其作用就是将不同的材料来进行混合以达到生产应用。在工业上，搅拌机可以将水、砂、石子，化学外加剂和矿物掺合料，按适当比例配合，经过均匀搅拌、密实成型达到人造石材的目的;在化学工业中，搅拌机更是可以用来混合不同化学试剂，加速化学反应效率，配置均勻的样品;在生活中搅拌机可以满足日常清洗，混合粉料，果蔬加工处理;随着时代的发展，搅拌设备的应越来越广泛，对于搅拌设备的要求也是越来越高。倾向于更小型化，节能化，效率高，操作简易化，智能化的方向发展。[4]

声共振搅拌一种新型的搅拌方式。改进传统搅拌方式，提高搅拌质量，缩短搅拌时间，使搅拌物能够混合的更加均匀;兼容多种状态物质的混合搅拌;能够应用于相同类型容器中混合低粘度，高粘度以及非牛顿系统;在搅拌类似于火药粉这样危险的物料时，新式的声共振混合搅拌机则能避免使用叶轮或其他的入侵式设备进行混合，避免了诸多风险和麻烦;利用机械共振的力量，将机械能传递到混合过程中，实现机械能的更优化使用，减少能耗。[4]

1.声共振搅拌设备的结构

声共振搅拌机整体采用的三质量体的架构，在激振装置，中间平台，物料搅拌容器都都设置的弹簧装置。如图1所示：底部采用的橡胶吸盘，能够很好的缓和冲击，减低噪声。而且采用是的仿生吸盘结构，能够保证装置在运行的过程中，始终保持稳定，不至于由于振动而发生偏移。在每个质体之间都安装的有弹性装置。其中在底座橡胶支腿出安装的弹簧能够很好的吸收冲击，以及提供物料在上下振动过程中所需要的能量，使得由电机作为激振装置提供的能量能够在物料和底座之间进行一部分的转换。在达到共振的情况下，理论上能够实现弹簧与物料振动能量的完美传递。电机能够通过调速器进行调速，也可以通过改变振动台的物料参数来改变振动频率的倍增关系。在电机旋转的过程中，其动力通过联轴器，起伏转柄振动台传递到振动容器。振动容器进行相应频率的振动来实现容器内物料的混合。为防止振动容器跳窜，在其上方布置了一系列的张紧和缓冲装置。

2.振动台

该振动平台进过特殊设计，能够借助于起伏转柄，实现由电机的水平旋转到振动台的上下振动。而且还能够个根据特定参数的改变来实现电机转速的倍增。其具体结构如图2所示：

在该结构中，可以看到其内部凹槽的表面轮廓是一个封闭曲线，形状类似于常见的正弦曲线。本次设计的凹槽轮廓为数个半圆连接而成，相邻的两个半圆的凸弧方向相反。设整个振动盘的凹槽的直径为D，小圆弧的直径为d.则在整个环形凹槽中，小圆弧的个数                   。小圆弧的个数

必须要与起伏转柄的柄数相匹配。小圆弧的个数应该是柄数二倍的整数倍。该装置的柄数为三，所以小圆弧的个数应该为六的整数倍。而且该整数倍的数值也就是该传动机构能够将电机的最大转速所能够提高的倍数。在不考虑材料润滑应力磨损的情况下，是可以达到提升数倍的关系。具体能够提升的倍数还要看凹槽的直径和小圆弧直径的比值。当进行设计的时候，若是小圆弧的直径过小则会引起设备抖动加剧，加速起伏转柄的磨损，减低设备寿命，若选择的直径过大则会起不到增速的效果。一般来说，可以选择柄数为三的起伏转柄，将电机转速提升三到五倍为好。除此之外，该结构能够实现电机的水平旋转到振动台垂直振动的运动方式的改变。相比较之前的偏心转子，偏心轮等偏心结构来说，使其只承受水平方向上的扭矩，而避免了承受垂直于轴的弯矩作用，大大改善了电机及其联轴器的受力状况，方便了结构布置。

3.声共振搅拌机原理

机械装置的共振装置结构原理如图3

在声共振搅拌设备中，声共振的势能储存在弹簧中，动能由板或质量块提供，这些板或质量块与弹簧连接并以垂直运动平移。谐振频率被定义为系统中的机械能可以在存储在弹簧中的势能和运动质量中的动能之间完美转换的频率[1-3]

图3左上方的图表显示了以某种速度移动的质量。为了减慢质量（减速），需要施加外力。当质量减速时，较低的速度导致其具有较低的动能。图3右上图显示，当施加的外力压缩或拉伸弹簧时，弹簧可以储存势能。储存在弹簧中的能量在偏转较大时较大，而在弹簧未变形时减小到零。图1中的左下图显示了弹簧质量系统的表示。在这种情况下，“混合”功能被模拟为一个阻尼器，当系统运动时吸收能量。描述振荡过程中存在力的二阶微分方程如图3右下图所示。该公式显示了由于运动质量，偏转弹簧和混合过程而产生的力之间的关系。表达式表明这些力总和等于驱动系统的机械力。

而在三质量体中，其具体原理图如图4。而且其中的力，弹簧系数均是以矩阵的形式出现，来带入计算的

4.MATLAB数学分析

通过matlab 对上述公式进行计算，令μ1=m1/m1，μ2=m2/m1，μ3=m3/m1 ，v1=k1/k1 ，v2=k2/k1 ，v3=k3/k1 ，v4=k4/k1。取μ1=1.0，μ2=0.86，μ3 =0.52， v1=1.0，v2 =0.22，v3=0.85，v4=0.28。可以得到三质体振动系统的幅频响应曲线：其图形如图5所示：

该图形说明：通过合理选择系统物清理参数，三质体声共振混合机工作在三阶共振频率附近，振幅变化较平缓，负载质体和激振质体的运行相位相反，兼具了共振时的振幅放大和振动稳定的优点。[6]

5.结论

利用solidworks 进行三维建模，对声共振搅拌设备的机械装置进行干涉检查，和仿真分析。进一步确定了三质量系统下的声共振搅拌机的原理上的正确性。满足了拥有更大的固有频率的物料对于搅拌机振动频率的要求。及时电机最高转速一定也能实现装置的振动频率的倍增。通过matlab 进一步分析三质体的物理参数对共振状态的影响。通过合理调节装置物理参数，就能够实现同时具有共振放大和共振平稳的双要求。

参考文献：

[1]YOSHII T， SHIMADA M， NARUSE T， et al. Investigation on Fatigue Process using Electro-Magnetic Acoutic Resonance （EMAR） system [J]. 海上技術安全研究所報告， 2004， 4（4）： 403-17.

[2]NAMI， HARUTA， TEIZO， et al. Time-Resolved UV Resonance Raman Investigation of Protein Folding Using a Rapid Mixer： Characterization of Kinetic Folding Intermediates of Apomyoglobin [J]. Biochemistry， 2002，

[3]KIM S H， KIM Y S， LEE J H. Vibration Analysis of 2DOF Resonance Type Mixer [J].                                                                       ， 2017，

[4]譚玉龙. 全自动多功能食品搅拌机的研究与设计 [D]; 西华大学， 2014.

[5]张毅铭， 马宁， 王小鹏， et al. 固液两相声共振混合数值模拟 [J]. 化工进展， 2018，

[6]詹小斌， 汤滢， 兰昌义， et al. 三质体声共振混合机的动力学特性及其性能分析 [J]. 振动与冲击， 2020， 39（2）： 204-8.