新型惯性振动筛总体设计

新型惯性振动筛总体设计 目录 1 绪论 . 1 言 . 1 . 1 内外筛分机械的发展概况 . 2 外发展概况 . 2 内发展概况 . 2 分机械发展方向 . 3 入研究新的筛分理论和技术 . 3 入现代化的设计手段，采用新材料、新技术、新工艺 . 4 . 4 列化、通用化发展 . 4 . 5 断扩大筛机应用领域 . 5 2 总体设计 . 5 计总则 . 5 体方案的确定 . 5 动学参数的设计与计算 . 5 力学参数的设计计算 . 6 机的 选择与计算 . 6 主要零件设计和强度校核 . 6 本结构及工作原理 . 6 本结构 . 6 作原理 . 6 线振动筛的动力学分析 . 7 面规格的确定和处理量的计算 . 10 面规格的确定 . 10 理量的分析 . 10 3 运动学参数的设计与计算 . 13 动学参数的确定 . 13 3 筛箱振幅 . 13 54 第 页 2 动频率 . 13 动强度 k . 14 射强度. 14 箱倾角 . 14 动方向角 . 14 4 动力学参数 . 14 振质量的计算 . 14 簧刚度的计算 . 15 5 主要零件的设计计算与校核 . 16 簧的尺寸设计与强度校核 . 16 柱型橡胶弹簧的计算 . 16 簧强度校核 . 19 心块的设计 . 19 颈的估算 . 19 心块的设计 . 20 箱的结构设计 . 22 面规格的确定及固定方式 . 22 板的设计 . 23 框横梁的设计与校核 . 25 箱横撑的设计 . 27 动机的计算选择 . 28 机的选择 . 28 动机功率 . 28 动转矩的校核 . 29 承的选择 . 30 承的受力分析 . 30 承的计算与选择 . 31 承寿命的校核 . 32 的结构设计与强度验算 . 33 的结构设计 . 33 的强度校核 . 34 轴器型号的计算选择 . 37 的选择与校核 . 37 的选择 . 37 的校核 . 38 6 筛箱重心计算 . 39 54 第 页 3 标系的建立 . 39 心计算公式 : . 39 7 筛分机工作效率的影响因素 . 41 响因素 . 42 料的性质 . 42 面的运动特性和筛面结构 . 43 作管理 . 45 8 振动筛的使用与维护 . 45 动筛的安装、调整与试运转 . 45 动筛的操作、维护与检修 . 46 作 . 46 护 . 46 修 . 47 动筛的安全技术 . 47 9 现代设计方法在振动筛设计中的应用 . 48 述 . 48 动筛筛箱质心的计算 . 49 动筛的结构强度分析 . 49 参考文献 . 511 54 第 页 1 1 绪论 言 在很多情况下，振动是一种有害的现象。但在某些场合，振动却是有利用价值的。例如，利用振动可以有效的完成许多工艺过程，或用来提高某些机械的工作效率。最近二十多年来，利用振动原理而工作的机械（简称振动机械）得到了很快发展，其中筛分机械更是得到全面而迅速的发展，它们在矿山和 冶金工厂，选煤工厂，化工厂，发电厂，铸造厂，建筑工地，水泥厂以及食品加工厂中得到了广泛的应用 。据不完全统计，目前已经应用于工业生产中的筛分机有数十种之多， 例如，圆振动筛，椭圆振动筛，直线振动筛，高频振动筛 ，弧形筛 ，等厚筛，概率筛，冷矿筛，热矿筛和节肢筛等，而振动筛以它结构简单，处理能力大，工作可靠，维修方便等优点在所有筛分设备中占有绝对优势，其占有量约为 95%。这些振动机械在工业的各个部门中已经发挥了重要的作用。 人类在进步，社会在发展，科技也在不断进步。随着市场经济的发展，产品精度的提高；对各种粉状物料的细度、精度要求越来越高。各种新型的筛分理论及技术在不断的出现，势必在不久的将来，筛分行业出现百花齐放的繁荣景象。 本设计 是对 传统 直线 振动筛的 改进 设计， 并在 原有 基础上做一些简单而大胆的创新尝试，其设计过程 将在设计说明书中详细的介绍。设计内容包括：激振器轴系的设计，箱体结构的设计，激振器在箱体上的布置，传动装置的选取，电动机的选择，轴承的选择与校核，弹簧的设计，横梁的设计计算及校核等诸多方面。 动筛的用途和组成 建国近 60 年来，我国的筛分设备走过了一个从无到有，从小到大，从落后到先进的发展过程，前后经历了测绘仿制，自行研制和引进提高 3 个阶段。目前国内筛机种类繁多，品种齐全。旋转筛和各类振动给料机械多 54 第 页 2 达 50 个系列近 100 中规格。广泛用于矿山，冶 金，化工，建材工厂，筑路行业及环卫行业中。其物料的筛分，分级，洗涤，脱介，脱水之用。随着科技水平的提高和人类实践能力的进步，筛机的应用领域正得到不断的扩大。根据不同用途，研制出各种不同形式的产品。不过目前国内对于细和超细 物料的分级，含水量 7% 13%黏性物料的分级还存在问题 ，重机网曾联系国内外需要 100 目以下，生产能力为 15t/h 的细筛，国内就没有厂家能接，我们应该发展特殊用途的筛分设备，满足国民经济建设的需要，并担当对外出口的任务。 内外筛分机械的发展概况 外发展概况 国外振动筛发展很快其结构有如下特点： （ 1） 轴承外圈旋转（除此之外都是内圈旋转），外圈旋转集中 离 心 力作用面积比内圈旋转大，内圈旋转离心力作用面积处（内圈 1/3 处）一般极易发生微粒剥落疲劳破坏，而外圈旋转离心力作用面积大，轴承寿命长； （ 2） 中间传动轴小，如 司 圆筛中间轴只有 70什么这么小，因为它不受离心力， 只 传递电机过来的扭矩给对面偏心块 （ 3） 侧板上开孔小（不像日本神户制钢所筛机侧板开这么大口），这样对筛机强度和刚度影响小。轴承在侧板外侧受力，中间轴 罩体既能受上层物料的冲击，又能加强筛机刚度； （ 4） 采用流行的胀套（皮带轮）和锥套（轴套）联接，维修 大大 方便； （ 5） 皮带轮用可调直径带轮，方便改变激振频率 。筛分效率高，可水平安装，适用于移动式破碎筛分机组。 内发展概况 自建国以来，我国筛分机械的发展经历了几个阶段。五十年代初至六十年代中期，主要是从前苏联和波兰引进，并部分防制了偏心式和单惯性式圆振动筛。如苏制陀旋筛，万能吊筛；波制 54 第 页 3 从 60 年代中期我国开始独立研制，主要成果有 列、 列单轴振动筛和、 轴振动筛、 215m 和 230m 共振动筛。至此我国初步掌握研究、设计和制造复杂结构的中型、大型振动筛技术。 80年代初期以后，我国全面的走上了开放的道路，先后引进了范各庄、兴隆庄、钱家营、西曲、晋阳、安太堡等选煤厂的全套工艺设备其中筛分机械有： 1筛分机， 1厚机， 1列脱水筛， 些外来产品极大的丰富了我国筛分机械种类。促进了我国筛分机械种类的进一步发展。非金属筛网，块偏心激振器，虎克铆钉连接技术等新材料、新技术、新工艺，在我国得到了广泛应用。 在引进和吸收外来技术的基础上，我国生产了新型圆振动筛（如 列）和新型直线振动筛（ 列）。为了解决潮湿细粒物料在干法筛分作业中效率低的问题，开发研制了许多新型筛分机，如概率筛、等厚筛、琴弦筛、离心筛、弦张筛和强化筛等。湿法细筛的研制技术也取得了长足的 进展，新型高效的振动有电磁振动旋流筛，可翻转弧形筛，高频振动筛。 于此同时，我国 筛分 机械的制造水平也有了很大的提高。目前一些国有大中型制造厂设有研究所、对制造工艺、材料和零部件进行专门研究，在新产品开发方面也具有较强的能力，生产中广泛采用先进设备和工艺，如精密镗床，数控车床和数控切割机； 2体保护焊、自动埋弧焊和喷丸预处理； 按 国标、部标对重要零部件和整机进行检测和试验，等等。 目前我国筛分机械的生产已形成较大规模，主要生产厂家有 30多个，可供应 200多个品 种，年累计产量 2000台左右，产值近亿元，基本上满足了各部门对筛分机械的要求。 分机械发展方向 入研究新的筛分理论和技术 应用自同步理论，利用概率、等厚高效筛分方法，研制成功了概率筛、等厚筛和概率等厚筛等。 2002 年，中国矿大机械厂为解决大型振动筛强度 54 第 页 4 问题，提出了超静定网梁结构理论并使用成功，获得国家专利。最近，新乡威猛集团将 12 台 2m 3m 的节肢筛组合在一起，形成了目前国内最大的72m 振动筛，用于选煤系统的分级和脱水、脱介，效果很好。同样，中国科技大学为铁法矿务局晓青矿研制了筛框不 动、筛网振动的大型振动筛。今后，我们还要继续深入研究新的筛分理论和技术，研制高效筛分机械。我们要组织筛分机械设计研究专业队伍，通过试验、研究，发现和发现和发展新的筛分方法和技术，寻求合理的结构形式，动力配置和动力学参数，研制适用于各种条件的筛分机械。 入现代化的设计手段，采用新材料、新技术、新工艺 对现有的筛分机械进行运动分析和结构改进，引入现代化设计手段，采用优化设计，计算机辅助设计，用计算机对筛分结构强度进行计算，提高设计的可靠性；建立振动 筛试 验台， 对筛机产品进行检测。全面推广使用新材料、 新技术、新工艺。对筛分机械用的钢材、轴承、弹簧、筛网进行专门研究，筛面应从金属筛网想非金属筛网发展，应用橡胶筛板、聚氨酯筛板、弹性杆筛面；支撑元件应采用橡胶弹簧和复合弹簧；推广环槽铆钉和高强度螺栓联接。规范筛分机械制造行业管理，严格执行工艺制度，加强质量管理，提高筛分机械制造水平。 制和推广振动机械专用轴承 振动器是振动机械的心脏，而轴承是振动器的 关键件，目前，国外大都采用瑞典 国 日本 振动机械专用轴承，因采用振动机械轴承后，轴承承载能力比普通标准轴承提高 25%以上，在计算 轴承寿命时，负荷系数可以从 低到 样，选择的轴承可比标准轴承降低两个型号，轴承型号小了，振动器减小了，筛分机械重量减轻了，生产成本也降低了。 标准化、系列化、通用化发展 提高三化水平，这是便于设计、组织专业化生产和保证质量的途径。有些零部件如标准化、通用化了，组织专业化生产，可大大降低成本，提高企业效益。 54 第 页 5 化筛机技术参数 根据不同用途研制新筛机。发展大型、重型、超重型筛分设备，筛机振动强度可达 上，筛分面积向 27M 以上发展（德国筛子技术公司曾生产 5m 12m、筛分面积达 55m 的筛机），提高筛机的处理能力和承载能力。 断扩大筛机应用领域 根据不同用途，研制出各种不同型式的筛机，目前，国内对于细和超细物料的分级，含水分 7% 13%粘性物料的分级还存在问题。重机网曾联系国内外，需要 100 目以下，生产能力为 15t/h 的细筛，国内就没厂家能接，我们应发展特殊用途筛分设备，满足国民经济建设的需要，并承担对外出口的任务。展望未来，我们充满信心，通过全行业 人员的努力，我国筛分机械工业将在 21 世纪再创辉煌。 2 总体设计 计总则 （ 1）振 动筛的设计应符合机械制图、公差与配合及 形位 公差等基础标准的规定 （ 2）振动筛的设计应按其用途、要求和物料等条件进行，其参数、结构一贯满足先进性、可靠性以及经济合理性要求。 （ 3）振动筛各构件的选材应力求合理，注意减少制造和安装工作量，注意抗蚀、抗磨要求。重要构件 拼接时，应在图样中注明部位，接法和要求。 （ 4）易损件、备用件、通用件和外构件等，在同一品种规格中，应能互换并符合相应的标准或图样规定。 体方案的确定 动学参数的设计与计算 54 第 页 6 包括选取振动 频率 、 振幅 、筛面倾角、 计算 直线振动筛的振动强度的并 校核。 力学参数的设计计算 包括参振质量的计算， 弹簧刚度的计算和箱体重心的计算。 机的选择与计算 主要包括确定激振器的安装方式，选择振动电机的型号。 主要零件设计和强度校核 包括以下几个方面的内容： （ 1） 箱体的设计与校核 （ 2） 弹簧的设计与校核 （ 3） 偏心块的设计计算 （ 4） 轴的设计计算与校核 （ 5） 横梁的设计及校核 本结构及工作原理 本结构 该振动筛主要有筛箱，筛 面 ，振动器， 弹簧， 支座 等组成，筛 面 是主要易损件。根据物料品种和用户要求， 本次设计考虑了两种筛面的的结构形式，在应用中可根据实际情况由用户选用。该设计均为悬臂棒条筛面，满足筛分效率高，寿命长，不堵孔的要求。筛机为坐式安装，带有车轮，对于维修提高了很大的效率。 作原理 当安装在筛 座 上的两台 异步电动机反向转动时，其带动偏心块做反向转动，这时偏心块便产生一定的激振力，由于其反向转动，故在沿振动方向角所在直线上其激振力叠加，同时在垂直方向上其激振力抵消。激振力通 54 第 页 7 过横梁传递给整个筛箱，从而使物料近似做直线振动。 筛面上的物料受 激振力便在筛面上向出料口方向做抛射运动 ,小于筛孔的物料通过筛孔而落下 ,大于筛孔的物料经过多次抛射运动 ,经出料口流出 . 线振动筛的动力学分析 直线振动筛可以简化为两种振动系统模型：单自由度和两自由度。在振动实际设计计算中，为了简化起见，只计算其一个主要的振动，按单自由度振动系统分析。但是 在某些情况下，必须按两自由度振动系统来分析。以下是简化为单自由度振动系统的动力学分析。 图 示是直线振动筛的振动系统，可以作为单自由度振动系统来分析。 图 线振动筛系统 振动筛的振动系统为有阻尼的强迫振动系统，振动器的激励为简谐激励。系统运动的微分方程为： 0 s i nM x c x k x （ 2 54 第 页 8 式中： . x x 轴的加速度、速度和位移 ; M 振动筛的参振质量； C 振动系统的阻尼系数； k 振动系统的弹簧刚度； t 振动时间； 0F 激振力幅值； 激振角频率 。 式（ 2解包括通解和特解。通解一般为瞬态解，它表示振动系统的自 由振动。由于振动筛的振动系统中，有各种阻尼的存在，自由振动会逐渐消失。因此，研究振动系统只考虑其特解。特解一般为稳态解。因为振动筛的激振力是简谐的，所以其特解，即振动系统的稳态响应也是简谐的，并具有相同的角频率，因此，式（ 2特解具有下列形式： （ ） = X c o s ( t - ） （ 2 2） 式中： X, 真的哦那个响应的相位角； 设 ： 20,n 式中：n 振动系统的 固有频率； 振动系统的阻尼比 ; C 阻尼系数 ; 0C 临界阻尼系数 , 0C=2M n ； 则式（ 2 2）可以写成： . . . 2 02 s i x x （ 2 3） 54 第 页 9 把式 (2 2)代入式（ 2 3）得： 002 2 2 232() 1 ( 2 ) 2（）（ 2 4） 式中： 0簧产生的静变形，用： 0 范围内， 可以又正切函数确定： 222a r c t a n a r c t a n 1 ( ) （ 2 5） 由（ 2 4）式知，当激振力频率n时， X 值将显著增大。当 212n （ 2 6） 时， X 达到最大值 m a x 221 对常见的小阻尼系统， ，式（ 2 6）可以近似的表示为： (2 7) 当般称振动系统处于共振状态。 54 第 页 10 根据振动筛多年的设计经验表明， 47n 时，振动筛工作较为理想。阻尼系数 C 或阻尼比的值，影响因素较多，在近似计算中，往往忽略阻尼，按无阻尼系统来分析计算。 面规格的确定和处理量的 计算 面规格的确定 筛面规格的的长度 参考 仿真分析结果，在本设计中筛面规格选定为13003000理量约为 150 吨小时。 筛面选用悬臂棒条筛面，此种筛面筛分效率高，筛孔不易堵塞，更换方便。 理量的 分析 本振动筛用于烧结矿的筛分，其处理量的校核方法（流量法）如 下： Q=3600t h （ 2 8） 式中： B 筛面宽度， m； h 筛面上物料层的厚度（见表 m 物料运动的平均速度， m s； 物料的松散密度， t 3m 查表取 =1.6 t 3m ； 对于直线振动筛， 物料平均运动速度可以按下式计算： 0( ) ( ) c o sd f D f a （ 2 9） 式中： () 与抛掷指数 D 有关的系数 ，取 ()() 与工作面倾角有关的系数，计算公式为： 54 第 页 11 00( ) 1 t a n t a nf a a （ 2 10） 角速度， s, =100.5 s； 振幅， = 振动方向角 ， = 062 ； 00 . 9 5 2 . 0 8 6 1 0 0 . 5 0 . 0 4 c o s 6 2d =s a h m w C （ 2 11） 倾角 修正系数 （见表 = 2 ； 物料厚度影响系数 （见表 h C= 物料形状影响系数，对快状物料取 里取 滑行运动影响系数（见表 w C=以： = 2 1 据处理量 Q=150 吨时，验算料层厚度： 3600= 1503 6 0 0 1 . 3 0 . 5 4 1 . 6 =表 厚度为中料层厚度，返回检验适。 物料在槽体中的体积： V=3 54 第 页 12 =m 槽体 中物料的重量： = 物料的参振质量： 0 = =46表 工况料层厚度 序号 作业名称 振动筛种类 给料端料层最大厚度 分级 圆振动筛 4a(a 为筛孔尺寸 ) 2 脱介 块煤 直线振动筛 100 3 末煤 50 4 脱水 末煤 50 5 煤泥 20 表 2.2 a 与倾角关系 倾角0 5010 010 015 a 1 54 第 页 13 表 2.3 物料层厚度（ a 为筛孔尺寸） 薄料层 中厚料层 厚料层 （ 1 2） a （ 3 5） a （ 10 20） a 2.4 k关系表 抛掷强度k 行运动影响系数 3 运动学参数的设计与计算 动学参数的确定 3 筛箱振幅 筛箱振幅是设计振动筛的重要参数之一，其值必须适宜，以保证物料充分分层 ,减少堵塞 ,以利透筛 采用中频中幅设计 ,取振幅为 4 动频率 54 第 页 14 本设计振动频率选为 16 动强度 k k = 22( 1 0 0 . 5 ) 0 . 0 0 4 4 . 1 2 9 . 8 =(5 6) 射强度2 2 2 2( 2 ) s i n ( 2 1 6 ) 0 . 0 0 4 s i n 6 2c o s 9 . 8 c o s 3 0 = 筛箱倾角 筛面与水平面之间的夹角，称为筛面倾角 。筛面倾角与振动筛的处理量和筛分效率密切相关。 随着筛面倾角的增大，物料在筛面上的运动速度加快，振动筛的处理量随之加大；但是物料在筛面上的停留时间缩短，从而导致筛分效率降低。如果筛面倾角减小，则筛机的处理量降低，筛分效率增加。直线振动筛的 筛面倾角推荐值为 10 10 。 本设计中参考已有仿真分析选取 为 30 。 动方向角 振动方向线 与上层筛面之间的夹角，称为振动方向角 。在次设计中即指振动方向和筛面的夹角。直线振动筛的振动方向角的取值范围为： =30 60 ，本设计取 为 62 4 动力学参数 振质量的计算 总参振质量： M M M总 物 筛箱（ 4 1） 式中： 总参振质量； 54 第 页 15 筛箱中物料参振质量 ，前面已算为 46 筛箱参振质量： 0 . 2 5 0 . 6 1 . 3 3 0 . 2 5M 筛箱 （ 0 . 5 1 ） S=6+2590=2636公式为估算公式。 簧刚度的计算 对单质量系统： 2（ 4 2） 式中： K 系统中弹簧的 总刚度， N m； g 系统的固有频率， s； g=（ 1 3 1 7）jj 振动的圆频率， s j=30nn 筛箱振动次数 ， r/ 所以 j=960 30 s g=(1/3 1/7) s M 参振质量， 故弹簧刚度 K= 222 6 3 6 (1 4 . 3 5 3 3 . 5 ) /980=3013 公斤 / 取 K 为 斤 / 因选用 8 个弹簧，故每个弹簧刚度不应小于： N/m 54 第 页 16 5 主要零件的设计计算与校核 簧的尺寸设计与强度校核 根据 动筛安装方式为座式。每台振动筛有四组弹簧支撑，每组弹簧视振动筛的规格不同，可有一个至三个弹簧组成。支撑弹簧可用橡胶弹簧或螺旋弹簧。亦可用复合弹簧，一般在支撑装置中还设计有摩 擦阻尼器 。 鉴于橡胶弹簧和 复合 弹簧的橡胶内阻较大，对过共振区时的振幅有一定限制作用，故亦可不设计阻尼器和其它的限制装置。 为了设计和制造的方便，本设计采用圆柱型橡胶弹簧，每个弹簧座安装 两 个弹簧。弹簧的机构如图（ 5 1） 柱型橡胶弹簧的计算 圆柱形橡胶弹簧几何尺寸见图 ： 图 (5 1) 54 第 页 17 0g 37 （ 5 1） 式中：0 频率比，小型筛取小值，大型筛取大值。 d n （ 5 2） 式中 : 单个弹簧的刚度， N/m; K 弹簧的总刚度， N/m; 支撑弹簧的个数 。 46 （对小型筛 ） （ 5 3） 式中： h 弹簧的最大变形量， m。 由于 4A ，故取 5 0 . 0 0 4 0 . 0 2 00 . 1 5 0 . 2 0 取 （ 5 4） 0 0 . 0 2 0 . 1 2 50 . 1 6H 取 0 中；0H 弹簧的自由高度； 0 . 0 6 5 0 . 1 3D 取 D 弹簧 的外径， m。 取弹簧的孔直径 30d 54 第 页 18 则受压面积与自由面积之比01 0 0 3 0 0 . 1 3 54 4 1 3 0 （ 5 5） 式中： 受压面积与自由面积之比； d 弹簧内孔直径， 则弹簧的受压面积 22 20 . 0 0 7 1 54 外形系数 221 . 2 1 1 . 6 51 . 2 1 1 . 6 5 0 . 1 3 51 . 2 3 6 （ 5 6） 中： 外形系数； 动弹性模量， 2/ 静弹性模量， 2/ 静弹性模量与邵 氏硬度的关系式为 ： 5 0 . 0 3 33 . 5 7 1 0e H（ 5 7） 式中： 橡胶弹簧的邵 氏硬度。 由于取 1250 型号橡胶弹簧 50 65取邵氏硬度 60则 5 0 . 0 3 3 6 0 6 23 . 5 7 1 0 2 . 5 8 6 1 0 /jE e N m 54 第 页 19 521 . 2 1 5 . 7 6 1 0 1 8 . 9 / m 簧 强度校核 刚度 ： 06553 . 1 0 3 1 0 1 . 2 3 6 0 . 0 0 7 1 50 . 1 3 0 . 0 22 . 4 9 1 0 / 1 . 3 3 1 0 / m N m 满足要求。 强度应满足： （ 5 8） 式中： j 橡胶的压缩应力，j 橡胶的许用压缩应力， 980。 50 . 0 2 2 . 4 9 1 00 . 0 0 7 1 56 9 7 9 8 0j p k p 满足要求。 心块的设计 颈的估算 对于实心轴的计算公式 : 54 第 页 20 335d 或 （ 5 9） 式中： d 轴的直径（ M 轴传递的额定转矩 （ P 轴传递的额定功率 （ n 轴的转速 （ r/ p 许用切应力（ A 按p定的因数 现用第二个公式计算 选用 45 钢，故 126 103A ，取 115 960 / m 3m i n 5 . 41 1 5 2 0 . 4 5960d m m由于存在一个键槽，故而将计算的轴径增加 5% 所以 2 0 . 4 5 2 0 . 4 5 5 % 2 1 . 4 7d 从轴的结构上考虑 ,由于轴承可能很大 ,所以最小直径取 38安装偏心块的轴颈确定为 80此便可以取 a=80样可进一步计算偏心块的参数。 心块的设计 偏心块的结构如图（ 5 2）所示 54 第 页 21 图（ 5 2） 偏心块简图 200R 60r 阴影部分的面积： 2 2 2 2 22 6 0 2 0 0 6 0 3 8 1 1