（机械工程专业论文）筛分机振动给料器失效分析及改进措施研究.pdf

筛分机振动给料器失效分析及改进措旌研究 摘要 筛分机振动给料器是复合肥厂造粒车间生产线上的输送设备，法国丘文公司进口，共有两台。 安装投用后仅2 个月两台振动给料器上连接激振电机的钢梁相继多次发生断裂情况。并且支撑振 动给料器的基础钢架及附近的楼板也一直振动很大，一个立柱处的楼板已经出现了裂纹，基础钢 架及楼板的剧烈振动也存在着巨大隐患，基础钢架可能被振垮，厂房的混凝土结构的楼板及水泥 粱可能断裂。 本文详细分析研究振动给料器的结构及工作原理，找出钢粱破坏的原因，建立力学及数学模 型，并进行理论研究，采取有效措施减少设备的故障率，减小基础钢架和厂房结构的振动，提 高设备的使用寿命，保证正常生产和厂房的安全，提高生产效率。通过分析校核，我们认为钢粱 是因为振动引起的交变动力产生疲劳引起破坏。基础钢架及混凝土楼板振动较大，是因为筛分机 自身的减振、吸振能力不足造成。原来的钢粱的结构不合理，存在严重应力集中情况，需要重新 设计钢粱，对结构进行设计的时候要避免应力集中的问题；由于振动给料器、基础钢架、楼板在 工作的时候分别成为振源，振动相互传递相互影响，使振动破坏加剧。通过加减振器进行隔振， 找出振源、振因，分别对不同的部位进行主动隔振与被动隔振，削弱振动的传递，改造后运行一 直良好。未发生损坏情况。 关键词：振动给料器钢梁断裂振动力学模型数学模型 i l 銮昼至鎏兰肇三耋翟圭至耋兰兰竺鎏兰 t h e d i s q u i s i t i o no t s c r e e n v i b r a t i o n f e e d e r f a i l u r e a n a l y s i s a r d i m p r o v e m e a s u r e s a b s l r a e l s c r e e nm a c h i n ev i b r a t i o nf e e d e r si si m p o r t a n tt r a m m i s s i o ne q u i p m e n t so fp r o d u c t i o nl i n ei n g r a n u l a t i o nw o r k s h o po fc o m p l e xf e r t i l i z e rp l a n t , i m p o r t e dat o t a lo ft w of r o mc h a u v i no ff r a n c e 。 i n s t a l l a t i o na f t e ro n l yt w om o n t h s tt w ov i b r a t i o nf c c d s t e e lg i r d e r sw h i c hc o n n e c t e dt ot l a ee l e c t r i c a l e x c i t a t i o n sh a v eb e e nr e p e a t e d l yb r o k e n 。v i b r a t i o nf e e d e rs u p p o r tt h ef o u n d a t i o na n ds t e e l 丘a m en e a r t h ef l o o rv i b r a t i o nh a sb e e ng r e a t ac o l u m no ff l o o rh a sac r a c k , r a c ka n df l o o ri n t e n s ev i b n t i o na l s o h a st r e m e n d o u sp o t e n t i a lh a z a r d sl i k e l yt ob eb a s e d0 1 1as t e e l 缸ev i b r a t i o nc o l l a l , e t h ep l a n t s c o n c r e l es t n m t u r ea n dt h eo 锄e n lf l o o rb e a m sm a yf r a c t u r e 。 i nt h i sp a p e r , d e t a i l e da n a l y s i so fv i b r a t i o nf e e d e ro ft h es l a u c l u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e , i d e n t i f y d a m a g e ds t e e lg i r d e r , s e ! u pm e c h a n i c a lm o d e la n dm a t l a c l l j a l i e a lm o d e la n dt h e o r e t i c a li n w s t i g a t i o n , a n dl a k ee f f e c t i v ei l l e u r c st or e d u c et h ef a i l u r er a t eo le q u i p m e n t s ，r a c ka n dp l a n t sr e d u c e dt h e v i b r a t i o na n di m p r o v et h cu s e f u ll i f eo fe q u i p m e n t s c n s u l t c ：n o l l l l l a lp r o a u e t i o na n dp l a n tm a t r i t y , e 血a n p r o d u c t i o ne j 五c i c l l c y c h e c ka n a l y s i s 眦b e l i e v es t e e lg i r c l e r sb e c a u s cv i b r a t i o n sc a u s e db y c h a n g e si nt h ep a yo ff a t i g u ed a m a g e 。b a s e d0 1 1as t e e lf l a m ea n dc o n c l r e | ef l o o rv i b r a t i o ni si t so w n s c r e e n i n gm a c h i n ev i b r a l i o n , t h ev i b r a t i o ni l l 镕o l b e l * c a p a c i t yi n “t f i e i e n t 。t h eo r i o n a ls t e e ls t m c l u r ci s i r r a t i o n a l , a n dt h e r em s e r i o u ss t r e s sc o n c e n t r a t i o n n e l $ t ob er e d e s i g n e dt os t r e n g t h e nb e a m , $ l i i l c t u f a ld e s i g no ft h et i m el oa v o i ds t r e s sc o n c e n t r a t i o n ：v i b r a t i o nf e e d e r , r a c k , f l o o ri nt h et i m et o w o r ki nd i f f e r e n ts o u i c b ，m u t u a lt r a n s m i s s i o no fv i b r a t i o na n dm u t u a li n f l u e n c e ，a g g r a v a l e dv i b r a t i o n d a m a g e 。p a s s i n gt h r o u g hf i l es h o c ka b s o r b e rl o ri s o l a t i o n ，i d e n t i f ys o i l r ，d u et ov i b r a t i o n ，t h ed i f f c l r l n | p a r t so fa c t i v ei s o l a t i o na n dp a $ i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o n ，r e d u c ev i b r a t i o nt r a n s m i s s i o n ，a n dl u l lw e l la n d h a sn o t d a m a g e di l f k rt r m s 五o t m a t i o nh a sb e e no p e r a t i n g a k e yw o r d s ；v i b r a t i o nf e e d e r s t e e lg i r d e rb r e a kv i b r a t i o nm e c h a n i c a lm o d e lm a t h e m a t i c a lm o d e l m 叁竺：些兰坚三堡些! ；竺垒兰茎丝篁兰 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表 或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确说明并表示谢意 作者签名： 学位论文使用授权声明 日期碰：兰 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学 位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论 文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文 的内容编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的 摊敝在蒌爱 学位论文作者签名：乃，臼! 蚁 日期：0 加，| ；， 导：谚彬岛 号期：矿口7 舌- ，2 剖新点播要 1 、重新设计钢粱改善应力集中情况； 2 、重新设计基础钢架改善刚性； 3 、增加减振措施。 创新点摘要 大庆石油学院工程硕上研究生学位论文 第一章概述 1 1 目前国内外研究概况、水平及发展趋势： 振动筛是工矿企业普遍应用的筛分机械，是利用振动的多孔工作面，将颗粒大 小不同的混合物料按粒度进行分级的机械。振动筛也用于物料的脱水、脱介及清洗物 料表面的污泥。近2 0 年来人们对振动筛的研究取得了一些可喜的成果。 近年来世界各国都在不懈探索，为发展筛分技术做了很多工作，开发了许多新 型筛分设备。国内开发了新的干法筛分设备，在常规脱水、脱介筛方面开发了水平滚 轴筛系列产品；在煤泥分级脱水筛方面，开发了曲面筛、高频振动筛和电磁共振筛等 等 i 1 i 国外筛分机械的发展概况： 由大小不同颗粒所构成的散碎物料用筛子按粒度进行分离已有悠久的历史。从英 国煤炭工业的文献记载，在1 5 8 9 年就已提到煤的筛分。但是由于市场需要，为了提供 各种粒级的商品煤，对煤进行广泛的粒度分级，是到1 9 世纪下半叶才盛行起来。 煤按粒度分级最早的办法是在矿井工作面上，使用耙子回收大块，细粒煤则弃弃 置于地下。煤运到地面后，倒在固定的铸钢筛板上，存留在筛网上的大块矸石用手拣 出来，而大块煤则用锤子打碎使其达到一定的粒度级别。所以说，固定筛是所有筛分 设备中资格最老的筛子。与此同时，有的固定筛的筛网是由若干根格条所构成，也叫 棒条筛。后来就出现有传动机构的棒条筛，这就是沿用至今的滚轴筛。 随着工业生产的发展，也促进了筛分机械和筛分工艺的进步。在生产实践的基础 上，对筛分过程理论研究也逐步深入。如圆筒筛，摇动筛、和振动筛等各种类型的机 械振动筛为了适应各种工业的需要而先后问世。 至今，许多行业( 冶金、煤炭、建材、食品加工、化工、化肥等) ，筛分作业成了 重要的生产环节，对筛分设备的要求也愈来愈高，要求筛分机械不但具有结构简单、 制造容易、安装维修方便等良好的机械性能，而且还要求它有更大的生产能力，更高 的筛分效率和脱水、脱介、脱泥的效果以及更低的动力消耗。因此目前筛分机由于滚 轴筛、圆筒筛和摇动筛性能较差，使用上受到限制便逐渐被工艺效果较好、结构简单 和维修方便的振动筛所替代。 筛分机械发展方向与目前大工业生产方向一样，积极开展大型设备的研制。筛分 机械大型化是提高处理能力的方法之一，许多国家都已经制造出大型筛分机。其中以 第一章概述 德国尤为突出。如下表所示： 国家( 公司) 宽( m ) 长( m ) 筛分面积( m 2 ) 德国筛分机技术公司 5 51 05 0 德国申克公司 48 53 4 德国洪堡特和伟达克公司4 5 6 7 53 0 日本神户制钢所 4 s7 1“0 8 美国3 7 7 32 7 日本j l l 崎重工 41 2 4 8 法国丘文公司( 双层筛) 2 5 65 3 51 4 4 另一方面，随着人们对筛分过程认识的深入，冲破了传统方法的框框，提出了新 的筛分原理。 1 9 5 1 年瑞典人弗古德里摩根生用统计学方法分析研究了物料在筛网上进行筛 分过程。致使摩根生筛分机( 概率筛) 问世。概率筛和普通振动筛基本结构是一样的， 但结构又具有层数多、倾角大、筛孔大和筛网短等特点。 1 9 6 5 年法国人e 布尔雷斯研究细粉物料的筛分，提出了4 薄层筛分法”。也就是 筛网上物科的厚度与分离粒度的比值不超过l ：卜2 ：l 的范围。随之出现了用电磁激振 器直接激振筛网的细筛筛分机。 在处理中、细粒高水分成粘土性物料时，筛孔易被物料堵塞，严重影响了筛分机 生产能力和筛分效率。为解决这个问题，某些国家在筛分机的结构和筛网上进行了创 新。“振网筛”就是一种除筛框振动外，筛网还第二次振动的筛分机械。 “冲击网眼筛”是把筛网安装在一个塑料框架上，在塑料框架与传动框架相对运 动的过程中，周期性地接受传动框架对它的冲击振动。该筛子在处理量达至l j 2 7 5 t h 时，整个筛分过程未发现堵塞筛孔现象。 还有一种弛张筛，它是利用弹性橡胶材质的特性，制成一种以5 0 0 8 0 0 次分钟 频率进行反复弯曲和张紧的筛网，消除了潮湿的、难筛分物料对筛网的粘结。 在科学技术的飞速发展下，人们开始探索新的激振方式，德国宝马公司研制了 一种新型的液压激振装置，其主要技术特点是采用换相阀控制油缸往复运动，换向阀 必须高频换向，必然使换向阀寿命受到影响，所以该项装置尚未得到推广使用。 1 1 2 国内筛分机械的概况： 我国筛分机械是在引进国外技术的基础上发展起来的。近2 0 年来，我们对振动筛 的研究取得一些可喜的成果。在常规脱水、脱介筛方面，开发了新的干法筛分设备。 在煤泥分级脱水方面。开发了曲面筛、高频振动筛和电磁振动细筛等产品：在筛网方 面也取得了可喜成就，开发了聚氨醋、超高分聚乙烯等非金属筛网以及多层筛网。 2 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 国内筛分机械大型化也取得了一定的成果，还陆续开发出了概率筛、弛张筛、等 厚筛、琴弦筛、棒条筛、离心筛、脱水、脱介筛、高频振动筛、电磁振动细筛、曲面 振动筛、复合频率筛等产品，形式多种多样，各有优缺点，不同的场合、不同的介质 使用不同的筛分机。 1 1 3 筛分机械的发展趋势： 大多数筛分机能够满足不同物料的筛分，但是没有一种筛分机是万能的，能够满 足所有筛分介质的筛分，随着工业的发展，各种新物料推陈出新。随着筛分介质的多 样化，目前国内外的发展趋势都是针对特种物料使用不同的筛分机械，并且随着大工 业的发展，筛分机械也向着大型化、巨型化发展。 现代设计理论的不断发展，许多符合时代潮流的新设计理论的提出都极大地推动 了生产制造技术的发展，其中尤以立体正交广智能设计法突出，它应用传统设计方法 中的经典知识与现代数学方法有机结合起来，可以说是试验优化技术最新的发展，极 具工程实用价值。 ， 而随着计算机全球的普及各种专业软件的出现，大大提高了工作效率，降低了工 作强度，并且使筛分机的安全性及可靠性得到了极大地保证。 1 2 复合肥装置振动筛使用情况简介 筛分机是大庆石化总厂复合肥厂造粒车间生产线上的输送设备，共有两台近距 离并列安装。其主要作用是将上游设备传送来的不合格物料筛选，将不合格物料按照 粒度加以区分，从而将不同粒度的物料分送给相应的下游设备。振动给料器的作用是 将上面导料槽输送过来的复合肥固体颗粒均匀分散开输送给下一流程的筛分机，使物 料均匀分布，达到良好的筛分效果。 该设备于2 0 0 3 年1 1 月2 6 日安装后正式投用，2 0 0 4 年1 月1 2 日两台筛分机振 动给料器中的一台( u 3 0 3 a ) 上连接激振电机的钢梁断裂，2 0 0 4 年1 月1 5 日另外一 台振动给料器( u 3 0 3 b ) 上连接激振电机的钢梁也发生了断裂。断裂的u 3 0 3 b 的钢 梁经焊接补强后运行了2 0 天又断了。除了两台振动给料器的钢梁断裂外，支撑振动 给料器的基础刚架及附近的楼板也一直振动很大，并且u 3 0 3 a 基础钢架的一个立柱 处的楼板已经出现了裂纹。振动给料器的损坏在很大程度上影响了整个复合肥生产线 的正常运行，严重地制约了生产的发展；基础钢架及楼板的剧烈振动也存在着巨大隐 患，即基础刚架可能被振垮，厂房的混凝土结构的楼板及水泥梁可能断裂。 3 第一章概述 1 3 重点要解决的问题 筛分机振动给料器钢梁断裂是我们在正常生产中遇到的重大设备损坏闯题，因该 设备属主生产车间的重要设备，一旦损坏，整条生产线无法进行，并且该设备整体从 法国丘文公司进口，在总厂也占有一定地位，因此大庆石化总厂领导对此十分重视。 本文重点研究的内容是筛分机振动给料器钢梁受力问题，重点分析两台振动给料 器钢梁在如此短的时间内先后折断，是否设计、制造、安装过程中存在重大缺陷，还 是操作人员在使用中造成损坏，是否与外方供货公司涉及索赔问题，都需要我们挖出 明确结论。 并且支撵振动给料器的基础钢架及附近的楼板也一直振动很大，并且一个立柱处 的楼板已经出现了裂纹，是否是因楼板引起钢梁断裂还是筛分机振动给料器自身原因 造成都是我们重点要解决的问题。 1 4 选题的实际意义和准备达到的目的 分析振动给料器破坏的原因，采取有效措施，减少设备的故障率，减小基础钢架 和厂房结构的振动，提高设备的使用寿命，对保证正常生产和厂房的安全，对提高生 产效率具有非常重要的意义，将大大降低生产车间员工和综合车间维修人员的劳动强 度，保证生产的连续性和平稳性，取得可观的经济效益和社会效益。 通过改造争取将筛分机振动给料器钢梁损坏的时间大大延长，争取在一个大修期 间( 三年) 不能出现断裂现象。 同时希望能够积累经验，为复合肥二期工程筛分设备的验收及安装提供意见。 4 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 第二章振动给料器 2 1u 3 0 3 a b 振动给料器的结构和安装 图。 图2 一l 为振动给科器的立体图，图2 2 为支撑振动给料器的原基础钢架的立体 图2 1 振动给料器立体图 图2 - - 2 振动给料器原有基础钢架 u 3 0 3 b 振动给料器由箱体、两台激振电机、连接激振电机的钢梁、前后支撑 横梁、四组弹簧、四个干摩擦阻尼器及内部下料托板等组成。 5 第二章振动给辩嚣 振动给料器的三视图如图：2 - - 3 所示： 剐l j0啉 ii j o o o o m i r 1 、h |r确 1 进料口 2 支撑横粱3 支撑弹簧4 千摩擦阻尼器 5 激振电机6 出料口7 下料托板8 钢梁 图2 - - 3 振动给料器三视图 箱体各部分由薄钢板用螺栓联接而成。箱体上部有进料口和观察口，进料口直接 与来料槽用水龙布软连接，观察口平时用橡胶盖子盖住，打开盖子即可对内部进行观 察，或者是对内部进行清理和维修。箱体下部有出料口。振动给料器的下一个流程的 设备即为振动筛分机。振动给料器的出口与筛分机的入口用软胶皮围成的导槽连接起 来，胶皮的上下端分别由螺栓固定，连接的胶皮允许产生较大的变形。当给料器与筛 分机工作时，二者之间的位置变化很小，不会对各自的运动产生很大的影响。 箱体内部下料托板如图2 4 所示。 图2 4 振动给料器下料托板示意图 6 慵视田 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 托板与水平面成a 角，从俯视图来看，托板为一楔形，是由长方形板切去较大一 角而成的，斜边的作用就是使物料均匀地洒落在下一个流程的振动筛分机上，这样就 避免了物料的堆积。振动筛分机通过两个筛网将大小合格的颗粒和不合格的颗粒( 较 大的颗粒和细面) 分开，合格的颗粒进入下一道工序，不合格的颗粒返回，再与新料 混合加工。 双驱动激振电机对称地位于箱体的两侧，通过一根加强横粱两端的法兰盘将两 个激振电机和箱体用螺栓连接起来。钢梁如图2 5 所示，钢梁跟箱体的连接方式如 图2 6 所示： 图2 5 振动给料器钢粱立体图 两茁曙懦 图2 6 振动给料器的电机、侧板、钢梁连接示意图 7 第二章振动给丰 器 正视图中所示的前后两个直径相同，中空的支撑横梁穿过箱体并与箱体焊接在一 起。这两根横梁承载箱体并承受弹簧的作用力。 与支撑横梁相连接的就是四组弹簧。振动给料器依靠这四组刚度系数相同的弹 簧支撑于基础钢架上，每组弹簧由两个直径不同的弹簧套在一起组成，形成主副弹簧。 弹簧与振动给料器和机座没用螺栓固定，仅靠给料器的重量保持运动的稳定性。 干摩擦阻尼器。每台振动给料器的两侧各装有两个干摩擦阻尼器。干摩擦阻器是 由摩擦块、橡胶筒、螺杆、固定套筒组成的，它起到阻尼、限位的作用。图2 7 为 该阻尼减振装置的简图。 l ：调整螺杆2 ：限位螺母3 ：套筒挡板4 ：橡胶筒固定板 5 ：橡胶筒6 ：电木7 ：摩擦板8 ：套筒 图2 7 摩擦阻尼器筒图 干摩擦阻尼器通过调整螺杆可以控制橡胶筒的变形，橡胶筒的弹性力作用于摩擦 块上，使摩擦块与摩擦板紧密接触。当箱体运动时，带动摩擦板一起运动，而摩擦块、 橡胶筒受到固定在基础钢架上的固定套筒的限制，与摩擦板产生相对位移，因而产生 摩擦力。摩擦块作用在摩擦板上的摩擦力始终与箱体的运动方向相反，阻止开机、停 机过程中越过共振区时振幅过大。该阻尼器还可限制振动给料器的横向摆动，减少无 功运动，减小连接激振电机加强横梁所受的轴向拉力。 振动给料器原有的基础钢架立体图如图2 - 2 所示。基础钢架上的四个凸台处放置 弹簧。基础钢架下的四根支柱直接立在水泥梁上，与预埋在水泥梁里的四块钢板焊接 8 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 在一起。 2 2 振动给料器的工作原理 振动给料器是由装在其上的两台激振电机直接驱动的。功率相同，转速相同的两 台电机相互反向旋转。激振电机为双出轴，即转轴对称外伸出电机的两端。激振电机 的两个外伸部分，各装有一对偏心块，如图2 8 所示，图2 9 为一个偏心块以及一 对偏心块的相对位置的示意图。 图2 8 激振电机立体图 图2 9 激振电机偏心块及其组装示意图 两个偏心块的形状、大小、质量完全相同。它们的重合部分可以调整。当两个偏 心块完全重合时惯性力最大，正常工作时重合范围在5 0 8 0 之闻。产品说明书上 规定，重合范围不能超过8 0 ，否n e p 为超出安全工作范围。偏心块的重合率小，激 9 第二章振动给料器 振电机的离心力就小，物料就会下落不畅，这时可以通过调整偏心块，使偏心块的重 合范围增大，现场对偏心块的调节甚至达到过7 5 。当下料非常流畅时，可以将重合 范围调小，如5 0 。而调整偏心块时需要停车，浪费时间耽搁生产，所以很少调整偏 心块。一般使其重合范围定在6 8 左右。由于原基础钢架刚性不好，经过长时间的振 动，基础钢架的四个立柱与水泥梁的固接处变得松动，并且其本身的变形也很大，因 此影响了振动给料器的工作性能，使下料不畅，所以在两台振动给料器连接激振电机 的钢梁断裂之前的一段时间内，偏心块的重合部分调整到7 5 7 9 之间。激振力大 了，下料就变得流畅，但同时也加速了振动给料器的损坏。 激振力的方向是由激振电机的安装方位决定的。u 3 0 3 a b 的电机轴与竖直方向的 夹角为1 5 。偏心块绕电机轴转动，偏心块所在的转动平面垂直于转轴，因而，转动平 面与水平面的夹角为1 5 4 。 两台激振电机的偏心块重合度完全相同，同时反向旋转，因此惯性力在钢梁的轴 线方向的分量相互抵消，在垂直于该轴线方向的分量大小、方向始终相同。具有叠加 效应。偏心块绕轴转动时惯性力的分析如图所示。 d 图2 一l o 激振电机工作原理示意图 又因偏心块的力始终垂直于电机轴，所以可以得出合力的方向垂直于电机轴和钢 梁所确定的平面。当振动给料器正常工作时就有垂直于电机轴和钢梁所确定的平面方 向的激振力，并且按照简谐规律变化。 2 3 振动给料器的力学模型 将振动给料器的振动体系统作为铅直面内振动的质量弹簧阻尼系统。激 振电机与箱体用螺栓连接，同箱体一起构成惯性单元，弹簧支承构成弹性单元，干摩 擦阻尼器提供阻尼作用。从俯视图上可以看出振动给料器相对于中间的纵向平面对 称。由于两台激振电机对称安装，因而偏心块的离心力的合力可以简化到此纵向对称 面内。振动给料器的运动可以简化为对称平面内的力学模型来研究。如图2 1 1 所示。 1 0 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 y 图2 一”振动给料器结构简图 。 事实上，振动给料器只在其下方布置4 组支撑弹簧，但作用于给料器的弹性力， 一般地，既有垂直方向的分量，又有水平方向的分量。所以在此模型中增加了水平弹 簧。在此模型中不考虑弹簧的直径大小，只计其刚度，并且假设是微幅振动，即模型 中的弹簧都是线性的。水平方向和竖直方向的弹簧相互独立，互不影响，即水平弹簧 只提供水平方向的弹性力，竖直弹簧只提供竖直方向的弹性力。在此模型中忽略了给 料器绕质心的转动，认为给料器只有水平与竖直方向的位移分量。 2 3 1 摩擦阻尼的等效处理 u 3 0 3 a b 振动给料器上的阻尼器为干摩擦阻尼器，直接按干摩擦计算出的阻尼 力分析给料器的振动会变得困难。因此，需要对作用在给料器上的摩擦阻尼作等效处 理。为了便于分析，工程中常将各种非粘性阻尼简化为等效粘性阻尼 1 1 。等效的原则 是令非粘性阻尼在一个周期内耗散的能量与等效粘性阻尼在同一周期内耗散的能量 相等。系统作简谐振动时，粘性阻尼在同一周期耗散的能量a e 可以用下式算出：其 中si b s i n ( a x + 妒) a e 一f c - 妇- r ：毋2 d t 一- c 山2 b 2r ：c o s 2 ( 耐+ 妒) d r 一- l x w b 2 s 给料器质点在空间的运动坐标 第二章振动给科器 c 粘性阻尼系数 也，激振力角速度 b 给料器的振幄 而干摩擦阻尼遵循库仑定律，即摩擦力与接触物体间的正压力目成正比，与运 动方向相反：bt 一峨s 印j ，其中为动摩擦因数，为激振力沿轴向方向的分 力，s g n s 为符号函数，其定义为： f l 当j 0 时 s 印j - j 0 当雪一明寸 i 一1当j ( 0 日寸 运动方向不变时，摩擦力为常值，所作的功等于摩擦力与运动距离的乘积，因此在同 一个周期内耗散的能量为：a e 一- - 4 z f m b 。 比较等效粘性阻尼耗散的能量得：c 兰鬯。 2 3 2 箱体运动微分方程 设电机偏心块总质量为m 。，一组偏心块质心旋转半径为e 。当两台电机同步 反向转动“相位时，偏心块旋转产生的离心惯性力的合力为：p ；y m 2 e s i n a t 。 忽略箱体横向自由振动，则在激振力p 的作用下，箱体在o x y 平面内作二自由 度受迫振动【2 1 。 系统受力如下： x 方向：偏心块惯性力： 罗_ i ，l o 2 e s i n “e o s 8 膏) ： 弹性恢复力： x k j x ； 阻尼力： q x ( c 为粘性阻尼系数) ； 箱体运动惯性力：v 材 ( 孓m 为振动体计算质量) 由达朗伯原理了f r 。0 ： ( 历。+ 加) 膏+ c - 贾+ 七一xt 小。m 2 e c o s 6 s i n “ 同理y 方向可得： ( ，n 。+ m ) l ；+ c ：】j + j | z y 一州。0 2 e s i n 6 s i n c a t 其中令m ；y m 。+ y 坍 ，1 ：7 m n t 0 2 e c o s 6 ，。x l 0 6 0 2 e s i n 6 方程两端同除以m ，得： 1 2 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 j + 皇j + 盟z 旦s i n “ mmm 矿+ 生p + 逛y 墨s i n “ mmm 椰厚，浮， 台一吾， _ 1 1 1 一鲁，h ：= f 肘2 得：膏+ 轨j + 彳x - i i is i n a r 矿+ 2 ，1 2 矿+ 斫y h 2s i n o c 】t 2 3 3 箱体的运动规律 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 方程( 2 1 ) ( 2 2 ) 相似。现以( 2 1 ) 为例求解。 方程( 2 1 ) 为单自由度系统有阻尼受迫振动微分方程的标准形式。是二阶线性 常系数微分方程，其通解由两部分组成。第一部分是衰减振动，第二部分是受迫振动： r = 4 e 一即s i n ( n f 一 ；f + 吼) + 以s i n ( a t 一) 同理： y 一 p 一睁s 血i ( n ，；一n ；f + 0 2 ) + 6 2s i n ( o x 一妒2 ) 其中： b l 一 同理： h h 2 c o s 妒2 d 2 。i i ( 2 3 ) ( 2 4 ) x ，y 方向激振力相对位移的相位差角为 吼一姆- l 百2 h 刁i m ( 2 - - 5 ) 仍一僖- i 虿2 n 了2 w ( 2 - - 6 ) 表达式中的衰减振动部分即为前半部分，在开机后随时间增加很快就衰减了。衰减振 第二章振动给料器 动有显著影响的这段过程称为过渡过程( 或称瞬态过程) 从岛、b ：的表达式司以看 出，当激振电机的角速度由零逐渐增加到正常转速的过程中，要经过m 一戤或者是 i ：的时刻，当脚i q 或i 山：时，系统将发生共振。虽然实际的振动给料器为 干摩擦阻尼，但是开机之初也要有非稳态过程，此时振幅较大，近乎“乱动”。这是 因为电机转速小的时候，惯性激振力小于摩擦阻尼，给料器不会运动，一旦惯性激振 力大于摩擦力，给料器突然振动，也必然经过t q 或吐，i9 0 2 的过程，必然产生共振。 一般来说，过渡过程是很短暂的，以后系统基本上按照第二部分受迫振动的规律 进行振动嘲，过渡过程以后的阶段称为稳态过程。因此我们可以忽略其中第一部分的 衰减振动部分，只考虑强迫振动分量。即： x - b ls i n ( t o t 一仍) ( 2 - - 7 ) y b 2s i n ( 耐一仍) ( 2 - - 8 ) 通过对运动方程的讨论，由( 2 - - 3 ) ，( 2 - - 4 ) ，( 2 - 5 ) ，( 2 - - 6 ) 式可求出沿振动 方向的振幅b 和实际的振动方向角芦： 。- 厢蜃 2 麓2 + 嚣2 嚣2 ( 2 - - 9 ) 芦- f g 1 i y - 曙_ r l i 百b 2 而s i n ( o r - p 2 ) 】( 2 - - 1 0 ) 由于实际系统中阻尼力较小，面相位角仍，仍常在1 7 0 1 8 0 。之间，所以，可认 为仍- 吼一矿，g c o s 2 吼一c o s 2 伊2 - 1 。 6 - 、厢- 1 | j ；( h 2 2 河( 2 - - 1 1 ) 卢f 9 4 鲁 叫1 露，券筹叫彩叫 q 。1 2 由( 2 - - 1 2 ) 式可见，实际振动方向角卢与激振方向角6 并不一致，二者不一致的 原因是因为支承的x ，y 向刚度不相等而产生的。 q 。犀和吐i 孕分别为系统的x y 向固有频率。对( 2 - - 1 1 ) 式进一 步分析，当擎或。雩争时，会发生共振，振幅b 显著增大。为避免这 1 4 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 种情况的矬实际上振动给料器选择在远超共振区谁辄) ) 厚， 妨，厚，故( 2 - - 1 1 ) ( 2 - - 1 2 ) 一为： 6 _，妞( 2 邗) m 芦1 6 ( 2 1 4 ) 由运动方程得振动体运动轨迹为： y 1x t g _ b1 xtg(2-15) 合成振动方程为： s - x 2 + y 2 - b s i n ( a f 一妒) 一( 2 - - 1 6 ) 结论： 在小阻尼且远超共振状态下工作的振动给料器的运动为简谐直线运动，振动的频 率等于振动电机的激振频率，振幅扫。逸m ，振动方向近似为激振力作用方向，系 统因阻尼而引起的相应滞后相位角为币，约为1 7 0 。一1 8 0 。之间。 2 3 4 对不同阻尼比情况下共振时振幅大小的讨论l 卅 根据前面的讨论，给料器将沿激振力的方向振动，沿该方向的振动用下面的模型 来表示： 第二章振动给辑器 1 6 固2 - 1 2 单自由度有阻尼受迫振动模型 微分方程： m s + c s + k s ( m e 础2s i n o x s e 。冲血( 雁+ ) + 雨丽m e w 2 s 呱“一咖 根据前面的讨论可知，前一项很快随时间衰减掉，后一部分为稳态解。 稳态解： s p ) 1 6 雌一谚。丽菰m e 丽0 7 2 s i 啦一力 一讹2 ) 2 + ( c 埘) 2 其中： 其中： s i n ( n _ 一妒) 咎旦 咖。南右 6 面菰m e 丽w 2 _ e 一组偏心块的偏心矩 m 8 个偏心块的总质量，1 5 4 8 x 8 k g = 1 2 3 8 4 k g k 4 组弹簧刚度之和，即总刚度k = 3 2 5 7 3 7 4 k n m 甜激振电机转动的角速度，= 2 7 r _ 。_ 1 0 0 0 1 0 4 7 2 r a d 5 o u 厂f 振动给料器固有角频率，2 、亩2 1 6 3 4 r a d s 振动给料器( 包括偏心块) 的总质量，m = 1 2 2 0 k g 亭阻尼比，反映系统阻尼特性的量 宇。三，。2 赢，。警 c c 肭 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 所以亭一兰 口动摩擦系数 目作用在摩擦板上的正压力 6 振动给料器的振幅 振动给料器开机时，激振电机的转速从o 增加到1 0 0 0 转，分，期问角速度从0 增 加到1 0 4 7 2 t a d s 。当一- 1 6 3 4 r a d s 时，振动给料器发生共振，其振幅在短时问 内迅速增大，振动给料器发生剧烈振动，共振会损坏机器和钢梁。 停机时，转速从1 0 0 0 转分减4 , 至j j0 ，也要越过共振区，也会发生共振。根据振 动力学的理论，阻尼对降低共振时位移峰值有显著影响，所以特定情况下需要选择不 同的阻尼。在这个机构中，干摩擦阻尼器起到了阻尼、限位的双重作用。以电木为材 料的压块预紧力可以通过螺杆来调整。预紧力过大，会消耗能量，不但不能够保护钢 梁，还会加速钢梁的疲劳破坏，后面会对此进行进一步的分析。根据该型号的振动给 料器的的相关数据计算可知，当阻尼比为o 3 7 5 时，给料器共振时( i t ) - t o o ) ，振幅 小于6 r a m 。 其计算过程见下： 当亭- o 3 7 5 时： 口- 当亭- 0 2 5 时： 当亭一o 1 5 时 b m e 。o d 3 4 4 9 9 。8 9 9 9 m ，挖 2 毒m2 亭 口竺生0 0 0 4 4 9 91 4 9 6 7 m m 口- 一i 斗，o ， 笛m 0 3 当阻尼比亭- 0 1 5 时，共振期间位移将接近3 c m 。此时给料器的安全性会变差。 根据等效阻尼比变换公式毒一兰可以雩导到振动给料器在工作时干摩擦阻 1 7 尼器对其产生的摩擦力的计算公式： 1 8 当孝一o 2 5 时： f s 一沁_ 2 b 厩学一堕型业半等盟型堕- 3 6 倒 当亭一0 3 7 5 时：b - 5 s k n 当亭- 0 5 时：b - 7 3 3 k n 当亭一0 7 5 时：b - 1 1 0 瑚r 当亭一1 时：最- 1 4 6 7 k n 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 第三章振动给料器的失效分析m 7 , 1 1 3 1 振动破坏现象 u 3 0 3 a b 振动给料器在投产后不到5 0 天相继发生连接激振电机的钢梁断裂破坏 的问题。而且破坏位置相同，都是横向断裂。破坏位置如图所示： 3 2 失效原因分析 图3 1 钢梁断裂位置示意图 加强横梁连接两台激振电机时承受沿横梁轴线的惯性力，保护箱体侧板免受破 坏。要研究该横梁断裂涉及到的是设计问题、制造问题、安装问题，还是其它方面的 原因，就必须结合受力情况，工作环境的振动情况，使用管理情况等全面地加以分析。 3 2 1 钢梁的疲劳强度校核 3 2 1 1 钢粱横截面图形的几何性质： 钢梁的横截面尺寸如图所示。它是由1 0 0 1 0 0 的h 型钢，在两侧焊接1 0 m m 厚 的钢板而成的。下图为横截面示意图。 至三茎耋垫竺兰兰箜查鍪2 望 围3 2 钢梁剖面图 x 横截面面积： 爿- 月钢面积+ 两平板面积 = 2 1 9 c m 2 + 2 0 匕m 2 4 1 9 c m 2 横截面对x 轴的馒性矩： ，。3 8 锄4 + 2 螋册5 4 9 6 7 a 4 1 2 横截面对x 轴的抗弯截面系数： 矸：土5 4 9 6 7 c m 4 1 0 9 9 3 c m 3 5 a n5 c m 横截面对y 轴的惯性矩： ，i - s 4 c m 44 - ( 警一警) c m 4 - 1 3 4 4 警- 7 4 0 6 7 c m 横截面对y 轴的抗弯截面系数： 矸：土7 4 0 6 7 c m 4 1 2 3 4 5 c m 3 7 6 c m6 c m 3 2 1 2 疲劳强度校核 钢梁沿轴向方向的受力如图所示： 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 图3 - - 3 激振电机工作原理示意图 钢梁的轴向力b 一c o s e c 为一交变载荷，因此梁沿轴线方向的应力为一交变 应力 ( 1 ) 因钢梁所受的载荷是等幅对称循环载荷，所以其安全系数计算公式为： ”一 方 ( 2 ) 疲劳极限： 钢梁的材料为q 2 3 5 钢， 屈服极限： 吒- 2 3 5 m p a 强度极限： o r b - 4 6 1 九p 口 根据疲劳极限的经验公式： 拉压疲劳极限为： o r _ ，一0 2 3 p ，+ 吼) 二1 6 0 0 8 m p a 弯曲疲劳极限为：盯一，- 0 2 7 ( o , + ) - 1 8 7 9 2 l 砌 ( 3 ) 有效应力集中系数： 钢梁的形状见图2 5 ，为方便起见可以将钢梁中的加强筋及其主体部分等效成 为倒角很小的阶梯轴的形式。 承受拉压作用时，根据机械设计手册图1 1q 一5 9 中取r d 趋近于零时，k 。一1 5 ； 承受弯曲作用时，根据机械设计手册图1 1 4 6 2 ，同样取，d 趋近于零时，k 。一3 2 。 ( 4 ) 尺寸系数： 根据机械手册图1 1 4 9 1 ( 锻钢疲劳极限尺寸系数) 查得直径为1 0 0 m m 的碳 素钢的尺寸系数：。一0 8 ( 5 ) 表面质量系数： 钢梁是由h 钢在两边焊上钢板加工而成的，其表面加工方法为锻造，故声一见， 查机械设计手册图1 1 4 9 2 ，当o r b u f f p a 时，芦10 6 8 。( 机械设计手册图1 1 4 - - 9 2 为钢试样弯曲或拉压循环载荷时的表面加工系数) 第三章振动给科器的失效分析 对称循环作用力下钢梁的强度条件为： 耳。皂n ，即横梁的工作安全系数n 。应大 于或者等于规定的安全系数p i ，根据手册查得该钢梁的安全系数可取2 。考虑到该梁 的表面情况，尺寸影响和应力集中情况，梁的强度条件为： 驴嘉2 正常工作情况下轴向拉压交变应力： 最大拉应力： 。生。塑坐l - 7 1 6 m p a 。彳4 1 9 1 0 - 4 仅考虑拉压交变应力时，工作安全系数： 露要型坠一8 1 b 2 。了一。l 二l 7 1 6 m p a 0 8 0 6 8 故钢梁的加强筋截止处截面在仅考虑拉压交变应力情况下的疲劳强度符合要求。 正常工作情况下弯曲交变应力，其最大弯曲正应力值的计算如下： 当箱体两侧的正压力相等时，作用在箱体上的摩擦力相等，方向与箱体运动方向 相反。应用达朗伯原理分析梁的受力，当两侧摩擦力相等时，如图所示： il | 叫1 。卜_ 4 呻 ， ， 其中e 是激振力用来平衡摩擦力的部分，一b ，在四个力的作用下，钢梁受纯弯 ，f 曲变形，弯矩图见上a 弯矩m f ，aa b 4 由于，与只都随时间进行周期性的变化， 因此梁会因为对称循环弯曲而产生疲劳破坏。 根据有关资料计算，出厂时给料器的阻尼比亭- 0 7 5 ，根据第二章的2 3 4 小节中的 对兄的总结： 大庆石油学鲩工程硕士研究生学位论文 f s = 0 5 厩一墅警- 0 7 5 x t x 1 0 4 7 2 x 4 可4 7 5 x 1 0 - 3x 1 2 2 0 x 1 6 3 4 - 5 5 0 5 k n 弯矩： m - b 4 5 5 0 5 1 0 3x 0 2 1 1 1 1 9 6 k n m 最大弯曲正应力： d 堕! ! ! ! ：9 4 1 m p a d - 一- _ 。 1 2 3 4 5