毕业设计（论文）-圆振动筛设计.doc

济南大学毕业设计1 前言1.1 振动筛发展概况1.1.1 国外振动筛发展概况振动筛在世界上已经有了三百多年的发展历史，而在较完备的振动筛出现之前，物料主要是依靠人力进行筛分。接下来在二百年后出现了用于物料分级的惯性筛，然而那时的惯性筛采用的是柴油机作为动力源。在此之后经过不断的发展和改进，19世纪初出现了功能和结构都相对比较完善的惯性振动筛，其主要分为圆振动筛和直线振动筛两大类，其中圆振动筛一般用于物料的分级，而直线振动筛一般用于物料的脱水。现在国际上存在的振动筛已经有了相对近似的结构形式和相对稳定的机型，使用寿命比以往有了普遍提高1,2。1.1.2 国内振动筛发展概况振动筛在我国的发展起步比其它国家要晚许多，它在我国的发展过程大体上可以总结为以下五个阶段1：(1)进口阶段：1960年左右，我国振动筛制造行业还没有发展起来，因而此时国内所使用到的筛分设备主要进口自原苏联、波兰等国家，筛面面积一般不大；(2)仿制阶段：从1970左右开始，我国技术人员对进口的振动筛开始进行测绘与仿制，从而在国内出现了SZZ、SSZ系列的圆、直线振动筛；(3)研发阶段：1980年前后，我国技术人员又对进口设备进行了系统的功能原理分析和结构分析，并在此基础上独立研制出了DD、ZD、DS、ZS系列圆、直线振动筛；(4)新产品开发阶段：从1990年开始，我国振动筛行业的发展步入了一个空前的阶段，此段时间内相继开发出的有ZD型等厚筛和概率筛等新型振动筛；(5)大型振动筛筛研制阶段：随着国内大型选煤厂的不断建立和目标产量的的提高，原来的中小型振动筛已经满足不了生产的需要。但我国对大型振动筛的研制还仍旧处在刚刚起步的阶段，为此，“大型直线振动筛的可靠性研究”被列入到了国家“九五”科研攻关项目之中。而现在我国的大型振动筛也已经研制成功，并且在国内得到了大量的推广，我们可以预期，国内研制的大型振动筛将会逐渐取代进口设备。1.1.3 振动筛的分类振动筛有多种分类方式3,4：(1)按照振动筛振动频率与共振频率的关系，可分为共振筛和惯性振动筛；(2)按照振动筛工作时的振动轨迹，可分为圆振动筛和直线振动筛；(3)按照支撑结构的不同，可分为线形振动筛和非线形振动筛。除此之外，振动筛还可按支撑安装位置、筛箱与水平面夹角、工作频率等进行分类。1.2振动筛发展方向振动筛于以后的发展方向将不会是单一的，而是多方向的，多领域技术应用的综合1。(1)进一步研究先进的、新的筛分理论和筛分技术；(2)引入现代化设计手段；(3)向标准化、系列化、通用化发展；(4)强化振动筛技术参数；(5)将新材料、新技术、新工艺应用到圆振动筛的设计中。1.3 YA系列圆振动筛YA系列圆振动筛筛箱的运动轨迹为圆形，工作过程中，筛箱以及筛面会在激振器的作用下做圆形轨迹的振动，从而使筛面上的物料层松散并被抛起，使细粒级物料能够透过物料层并通过筛孔排除，同时卡在筛孔内的颗粒物料会被振出。筛箱的振动除产生筛分作用外，还会促使物料向前运动3。1.3.1圆振动筛工作原理圆振动筛是一种惯性振动筛，又称单轴振动筛，它的工作原理图如图1.1。图1.1 圆振动筛工作原理图如图，筛面固定在筛箱3之上，筛箱由弹簧悬挂或着支撑，主轴1的轴承2安装在筛箱上，主轴由带轮7带动而高速旋转，带偏心重的圆盘5安装在主轴1上，其随主轴旋转，产生离心惯性力，使可以自由振动的筛箱产生近似圆形轨迹的振动，振幅用A表示；偏心重与轴承中心线的距离成为为激振偏心距，用r表示。1.3.2 圆振动筛基本结构YA系列圆振动筛一般是由激振器、筛箱、隔振装置、传动装置等部分组成。(1)筛箱：由筛框、筛面及其压紧装置组成，本次设计中YA1536圆振动筛采用的是编制筛网，筛网用拉板拉紧。(2)激振器：圆振动筛采用的是单轴振动器。(3)支承装置和隔振装置：支承装置主要是支承筛箱的弹性元件，有吊式和座式两种；隔振装置常用的有螺旋弹簧、板弹簧和橡胶弹簧。(4)传动装置：分为带轮传动、挠性传动和组合传动三种5。2 圆振动筛参数2.1 圆振动筛的运动学参数圆振动筛的运动学参数不同时，筛面上物料会出现不同的运动形式：相对运动、正向滑动、反向滑动和抛掷运动。想要使得筛面上的物料实现预期的运动形式，就要选择适当的运动学参数，同时良好的运动参数可以防止筛孔堵塞，使振动筛获得较高的筛分效率和生产率3,6。为了保证振动筛获得较高的筛分效率，最好是使得物料颗粒在每一个振动周期都会与筛孔接触。一般情况下，圆振动筛取，而在本次YA1536圆振动筛设计中，取。2.1.1 筛面倾角筛面倾角是指筛面与水平面之间的夹角。筛面倾角的取值和振动筛预期的生产率、筛分效率相关。当振动筛的其它参数确定之后，筛面倾角大，生产率高而筛分效率低；筛面倾角小，则反之。根据实践经验，圆振动筛用于预先分级时，；而当用于最终分级时，。综上，在本YA1536次圆振动筛设计中，取圆振动筛的筛面倾角为。2.1.2 筛箱振幅筛箱振幅是设计振动筛的重要参数,合理的筛箱振幅可以减少筛孔的堵塞。通常取=36mm，其中筛孔大的取大值，筛孔小的取小值。在本次YA1536圆振动筛设计中，筛箱振幅的取值不再另外取值，而是参照文献3中表9-23进行取值，为，即。2.1.3 振动次数n振动筛的振动次数要在抛射强度和筛箱振幅选定之后进行计算，其计算公式如下： (2-1)其中，振幅的单位为毫米。将数值带入式(2-1)得，综上,圆振动筛振动次数取值。目前的单轴振动筛的振动次数一般取值在800-1200之间，而此处的取值在这个范围之内，可用。2.1.4 物料的运动速度圆振动筛物料的运动速度计算公式如下： (2-2)其中，是修正系数，查文献6中表6-4，在本次设计中取值0.8； 是常数，其值为0.18毫米/秒； 是重力加速度，其值为9.81米/秒； 的单位为米/秒。将已知数值带入公式(2-2)得，圆振动筛上物料的运动速度为0.32米/秒。2.2 圆振动筛的工艺参数圆振动筛的工艺参数包括筛面的长度和宽度、筛子的生产率和筛分效率6,7。2.2.1 筛面的长度和宽度想要求的筛面的长度和宽度，首先就要知道筛面的面积，筛面面积的计算式如下：吨/小时 (2-3)其中，是振动筛的处理量，为已知量，本次设计中t/h；是筛面的面积，单位为m；是单位面积筛面的处理量，单位为t/mh，其值在文献6中表6-5内选取，本次设计取值t/mh。把已知数据代入公式(2-3)可得振动筛筛面的面积为m，因此可取值为5.4 m。选取筛面的宽度m，则筛面长度m。2.2.2 圆振动筛的生产率振动筛的生产率在本次圆振动筛设计之中是已知的，即振动筛的处理量t/h。2.2.3 圆振动筛的筛分效率在筛分作业中，振动筛的筛分效率是衡量筛分质量的指标。筛分效率是指筛下的产物重量与原料中筛下级别(筛下级别是指原料中所含力度小于筛孔尺寸的物料)重量的比值。振动筛的筛分效率的计算公式如下： (2-4)其中，是原料中筛下产物含量的百分数；是筛上产物中筛下级别含量的百分数。但是，振动筛的筛分效率只能根据筛分结果进行计算，此处不进行计算。2.3 圆振动筛的动力学参数圆振动筛的动力学参数包括偏心距和偏心质量，电动机功率6。2.3.1 圆振动筛的偏心质量和偏心距对于圆振动筛，偏心质量、偏心距和振动体质量的关系式如下： (2-5)由文献6可知，对于中小型单轴振动筛单位面积筛面振动体质量约为0.5t/m，由此可以估算振动体质量为：t (2-6)本次设计的圆振动筛的偏心距定为100mm，则可知偏心重量为：kg。2.3.2 电动机的选择圆振动筛电机的计算功率计算公式如下： (2-7)其中，计算时可取0.2-0.3，此处取值0.3；是偏心轴安装轴承处的轴径，此处m；是轴承的摩擦系数，此处取值；是传动效率，此处将已知数据和所取参数代入公式(2-7)可得：8.73kw根据文献8卷5中表35.1-5选取电机Y160M-4，Y160M-4的主要参数见表2.1。表2.1 Y160M-4电动机主要参数型号额定功率同步转速满载转速堵转转矩最大转矩功率因数Y160M-411kw1500r/min1460 r/min2.2Nm2.3 Nm0.843 圆振动筛重要部件的设计与计算3.1 V带和带轮3.1.1 V带的设计与计算V带的设计原则：不仅要保证其在工作中不打滑，还要具有一定的疲劳强度和使用寿命8,9。V带的设计计算方法见文献8中的表14.1-11。(1)设计功率 (3-1)其中，是电机的功率；是工况系数，须在文献8中表14.1-12内根据实际的工作环境进行选取，此处取值。则可得kw。(2)带型的选定带型需要根据计算功率和小带轮的转速(即电机转速)在文献8内图14.1-2进行选取。在本次设计中，选取B型V带。(3)传动比的计算 (3-2)(4)带轮的基准直径首先在文献8中表14.1-18中选取小带轮的基准直径，在本次设计中取值mm。则大带轮的基准直径为：mm (3-3)根据带轮基准直径的参考值取值355mm。(5)带速的计算一般情况之下，带轮V带带速的计算公式如下： (3-4)将已知数据带入公式(3-4)可得m/s，可见此带速对于普通V带在合理的速度范围之内，可用。(6)轴间距的初步确定轴间距的范围如下： (3-5)带入已知数据可知轴间距的取值范围为，此处取值mm。(7)带的基准长度带的基准长度的计算公式如下： (3-6)将已知数据带入公式(3-6)可得，mm根据文献8给出的参考值，将带的基准长度选为1800mm。(8)实际轴间距计算公式如下： (3-7)将数据带入式(3-7)可得，mm。(9)小带轮包角小带轮包角计算公式如下： (3-8)代入已知数据可得，可知，小带轮包角在可用范围之内。(10)V带的根数V带根数的计算公式如下： (3-9)其中，是单根V带传递的额定功率，查文献8表14.1-17可得kw；是V带的额定功率增量，查文献8表14.1-17可得kw；是小带轮包角修正系数，查文献8表14.1-13可得；是带长的修正系数，查文献8表14.1-16可得。则，取整可得，应使用V带的根数为3根。(11)单根V带的预紧力单根V带的预紧力的计算公式如下： (3-10)其中，是V带单位长度的质量，查文献8中表14.1-14得kg/m。则，N(12)带作用在轴上的力其计算公式如下： (3-11)将已知数据代入上式可得，N。3.1.2 带轮的设计带轮带槽的结构形式及其尺寸见图3.1。图3.1 带轮带槽的结构形式图其中，mm；mm，此处取值4mm；mm，此处取值14mm；mm；mm，此处取值14mm；带轮宽mm。(1)小带轮结构设计对于小带轮而言，它需要直接安装在电机轴上，因此除了要使用键进行圆周定位之外，还需要考虑带轮的轴向定位，以防止带轮从周上脱出或错位。目前电机轴带轮的定位方式大致可以分为三种：(1)采用过盈联接，安装是对带轮毂孔预先热扩；(2)使用涨紧套实现带轮和电机轴之间的连接；(3)带轮孔加工成阶梯孔，再加上轴端挡盖和键实现带轮的定位。在本次设计中，采用第三种方案。小带轮结构如图3.2。图3.2 小带轮结构图(2)大带轮结构设计对于大带轮而言，其定位方式没有特别，采用键进行圆周定位，而轴向定位采用轴肩和轴套。但大带轮不像小带轮，其结构尺寸较大，若采用实心，其转动惯量会比较大，重量也会比较重，因此要采用辐板或者板孔方式轻化大带轮。参照文献8中表14.1-24，在此处选用板孔方式，则大带轮结构形式如图3.3。图3.3 大带轮结构图3.2 轴的设计3.2.1 主轴的设计对于主轴可以设计为偏心轴，因为偏心主轴在工作过程之中发生的弯曲要比同心轴小得多，另外偏心轴还可以提高圆振动筛的振动强度，从而提升振动筛的筛分效果。在圆振动筛中主轴主要是用来传递转矩，除了在主轴转动中所受到的偏心重的离心力和轴承的支撑力，其余受力很小，在计算过程之中可以忽略10,11。偏心轴的结构形式如图3.4。图3.4 偏心主轴的结构在本次圆振动筛的设计中，主轴的材料选用45号钢，加工完成之后进行热处理以增强轴的强度。轴的相关计算参照设计手册8,9。(1)主轴所受的转矩转矩的计算公式如下： (3-12)其中，kw (3-13)则Nm。(2)水平方向受力分析N (3-14)在水平方向上存在平衡关系式：， (3-15)代入数据计算可得，N，N。(3)垂直方向受力分析N (3-16)在垂直方向上存在平衡关系式：， (3-17)代入数据计算可得，N，N。(4)绘制的弯扭组合图如图3.5。由弯扭组合图可知，偏心主轴的危险界面位于C截面处。C界面处弯矩和转矩情况见表3.1。表3.1 偏心轴C截面处的弯矩及转矩载荷水平方向H垂直方向V支反力弯矩MNmNm总弯矩NmT112.23 Nm图3.5 偏心轴弯扭组合图(5)校核危险截面C校核公式如下： (3-18)其中，是危险截面的抗弯截面系数，此处mm。带入相关数据可得，MPa由此可知MPa，则轴的强度满足要求。3.2.2 联轴器轴的设计在工作过程中，联轴器轴主要是受转矩，其它力都比较小，为降低轴强度校核的难度，这些力是可以忽略不计的12。联轴器轴的机构如图3.6。图3.6 联轴器轴结构对于联轴器轴的校核方法与主轴的校核方法相类似，其校核过程不再在本说明书中给出。3.3 轴承的选用3.3.1 激振器轴承的选用根据圆振动筛的工作特点，圆振动筛轴承主要承受的径向力，而轴向力很小，于是可以选用调心滚子轴承。初选轴承22220C/W33。由表3.1，我们可以求的轴承的受力情况：N (3-19)N参考文献9对于该轴承，可知则轴向派生力计算如下：N (3-20)N由以上可知，轴承所受轴向力为N。对于轴承1，则N；对于轴承2，则N综上，轴承的寿命应该按轴承1进行计算，其计算公式如下： (3-21)带入数据可得轴承的使用寿命为64052.32h，满足使用要求。3.3.2联轴器轴的轴承选用该对轴承受到一定的径向力，主要来自于带轮预紧时对轴所施加的压力，其所受轴向力很小。在此对该对轴承的选用计算不再给出。本次设计中，联轴器轴的轴承选用6017型号的深沟球轴承。3.4 支撑弹簧的计算支撑弹簧是对振动筛起支撑作用的弹簧，此处弹簧选择的好坏会影响到实际生产中圆振动筛的运动轨迹，进而会影响圆振动筛的筛分效率。支撑弹簧不可以太短，太短的话，圆振动筛达不到预期的振幅；同时也不可太长，太长了就会使得弹簧在工作过程中容易变形。支撑弹簧的计算参照机械设计手册和矿山机械6,8。(1)弹簧刚度的计算在选用弹簧刚度时，不仅要控制弹簧传给地基的动载荷，还要使得弹簧具有足够的支撑能力。而弹簧的刚度一般通过强迫振动频率的自振动频率的比值来控制。对于坐式振动筛，该处取值为5。而弹簧刚度的计算公式如下： (3-22)其中，次/分，则，(2)弹簧钢丝直径的计算根据弹簧受载特性，选用钢丝，由文献8表7.1-4可知其切变模量GPa，=480MPa。弹簧钢丝直径的计算公式如下： (3-23)其中，是螺旋弹簧旋绕比，即弹簧中径与弹簧钢丝直径的比值，此处初选；是每个弹簧所承受的压力，N；是弹簧的曲度系数，。则，mm，在此处取值为20mm。(3)弹簧中径mm (3-24)此处就去180mm即可，180mm在设计手册所给出的参考值之中。(4)弹簧的节距mm (3-25)求出了弹簧节距，接下来就可以计算出弹簧的螺旋角，其计算公式如下： (3-26)将数据带入其中，计算可得弹簧的螺旋角为5.10。3.5 联轴器的选用联轴器用以联接两根周，用以实现转矩的传递，联轴器不能够承受轴向载。而且挠性联轴器允许相联接的两根轴存在一定的轴线偏差，这也是在本次设计中使用联轴器的原因，在圆振动筛工作过程中，主轴及其筛箱作圆形的振动轨迹，若直接使用带轮方式进行传动，V带需要设置张紧轮或者更大的预紧力。使用挠性联轴器之后，V带带轮相对位置是不会发生变化的13。本次圆振动筛的设计中选用胎式联轴器，其基本结构如图3.7。图3.7 胎式联轴器的基本结构而根据圆振动筛主轴的轴颈尺寸和联轴器所要传递的转矩，在文献8中表22.5-31选择UL12型胎式联轴器，其尺寸参数见表3.2。表3.2 UL12型胎式联轴器的尺寸参数型号dDDBLUL1280mm360mm160mm100mm84mm4 其它部件的结构设计4.1 筛箱支座的设计考虑到圆振动筛的工作形式，筛箱支座如果采用螺栓联结的话，其联结可靠性达不到预期的要求，因为在振动状态下，螺栓会脱松，因此筛箱支座采用焊接形式。同时为了增强支座的结构性，需增加横梁，横梁的根数根据支座结构尺寸的需要。筛箱支座的结构见图4.1。图4.1 筛箱支座结构4.2 筛箱的设计筛箱采用型材焊接或者铆接而成。4.2.1 筛箱横梁筛箱和筛箱支座一样，也需要衡量进行加固，而筛箱的横梁与筛帮焊接方式会影响到横梁的寿命14。以往横梁一般直接焊接在筛帮之上，这种情况下，横梁容易在筛箱的振动过程中发生断裂，这不仅会耽误生产，还会增高设备的维护费用。经过改进之后，横梁通过一段小套筒焊接在筛帮上，此时焊接处尺寸变化趋于平缓，大大减少了横梁断裂情况的发生。其焊接结构见图4.2。图4.2 筛箱横梁的焊接形式由于YA1536圆振动筛采用的编制筛网，因此筛面在中间位置需要一定的支撑，否则过大的筛面变形会引起筛面上物料产生异常的振动或者物料堆积，从而降低振动筛的筛分效率4。因此，可在筛箱横梁上添加一个橡胶圈来支撑筛网，橡胶圈可以考虑做成两半，对合后用攻丝螺钉紧固。4.2.2 筛面筛面之上大致可以分为以下三个区域15：(1) 受料区：对物料进行分层和粗筛分，此区筛面受物料冲击较强。(2) 主筛分区：筛分工作的主要完成区域，此区物料对筛面的磨损严重。(3) 补充筛分区：物料中块料居多，筛面受物料冲击很强。另外对于编制筛面，一般采用拉板或者拉钩形式将筛面绷紧16。在本次设计之中，选择使用拉板将筛面绷紧，其结构形式如图4.3。图4.3 筛面样式及其固定形式4.3 激振器轴承固定形式轴承座的设计好坏的选择直接影响到轴承的寿命，因此为了提高轴承的使用寿命，就必须提出一个良好的轴承座设计方案 17,18,19。由于圆振动筛的工作形式，轴承座有可能会脱松，失去对轴承的约束作用，这种情况下，轴在旋转过程中，轴承会承受很大的冲击载荷，这就会降低轴承的寿命。轴承座的结构如图4.4。图4.4 轴承座结构而在这种形式之下，防止轴承座脱松的方法主要就是防止紧固螺栓的松脱，因此可以使用双螺母进行紧固，或者在螺母圆周加上一圈钢圈防止螺母在振动状态下发生相对于螺栓的转动。5 结 论(1)在本次设计中，依据文献对筛箱横梁的焊接结构作了相应优化，降低了焊接所带来的集中应力，降低了振动筛断梁的可能性；(2)为了保护电机，在以往该型号圆振动筛的基础上加上了一个挠性联轴器，提高了振动筛工作安全性；(3)具相关文献，激振器主轴采用偏心轴，因为偏心轴所受弯矩比普通轴小，在校核过程中可以忽略不计；(4)由于时间原因，激振器轴承的润滑加油、放油结构未在本次设计中涉及到；(5)减振器即支撑弹簧及其弹簧座的机械结构安装方式可能设计不够完善，实际应用，该种结构设计可能存在一定的局限性；参 考 文 献1谭兆衡.国内筛分设备的现状和展望J.矿山机械,2004,01:34-372王峰.筛分机械的发展与展望J.矿山机械,2004,01:37-393唐敬麟.破碎与筛分机械设计选用手册M.北京:化学工业出版社,2001.54Bangchun WEN.Recent development of vibration utilization engineering.Front.Mech.Eng.China 2008，3(1): 195张建勋,宋彦,孙彦良.Z(D)DM圆振动筛激振器的改进设计J.煤矿机械,2001,(4):4-56周恩浦主编.矿山机械M.北京:北京冶金工业出版社,1979.77Stoicovici D.I., Dr. Eng., Lecturer, Ungureanu Mioria, Dr. Eng., Assoc. Prof.,Crciun Ioana, Eng. Lecturer, North University of Baia Mare, Dr. V. Babe str., Nr. 62, Ba