（机械设计及理论专业论文）悬臂筛网振动筛筛分理论及虚拟样机研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 悬臂筛网振动筛是为解决高炉槽下烧结矿筛分精度而出现的，其有效地解决 了物料堵塞筛孔的问题，筛分效率高，获得了广泛地应用本文基于目前对悬臂 筛网振动筛的理论研究较少，实际设计以经验为主的状况，在对悬臂筛网振动筛 结构和普通振动筛结构对比分析的基础上，利用传统振动理论和普通振动筛的筛 分理论，建立了悬臂筛网振动筛的筛分理论并将虚拟样机技术引入振动筛的设计 中，其主要内容包括： 1 在分析悬臂筛网振动筛筛面结构，并与普通振动筛进行对比的基础上，利 用现有理论创立了悬臂筛网振动筛的筛分理论模型，包括筛棒的二次振动的数学 模型、物料透筛概率数学模型和物料群分层透筛数学模型 2 分析了物料在悬臂筛网振动筛筛面上的运动过程，创立了单一粒度物料群 在筛面抛掷运动过程的数学模型，主要有物料在筛面的跳动次数数学模型、筛分 效率数学模型、物料的输送速度数学模型和生产率数学模型通过将试验数据与 理论分析进行对比，验证了理论模型的正确性和实用性。 3 分析了机械系统虚拟样机技术的发展状况，将虚拟样机技术引入了悬臂筛 网振动筛的设计中，建立了振动筛的虚拟样机，并进行了运动学和动力学方面的 分析与实际设计数据进行了对比，对样机进行验证，并不断地进行修正完善样 机，从而得到优化的样机设计。 关键词：振动筛；筛分；二次振动；虚拟样机 山东大学硕士学位论文 t h ec a n t i l e v e rs t i c kv i b r a t i n gs c r e e nh a sb e e ng r e a t l ya p p l i e dt os o l v et h es c r e e n i n g p r e c i s i o no ft i n t e ri nb l a s tf u r n a c es y s t e m ，w h i c hh a ss o l v e dt h ep r o b l e mo fs c r e e n h o l e s j a ma n dh a sg r e a ts c r e e n i n ge f f i c i e n c y b a s e do f ft h e l i t t l e t h e o r yo ft h e c a n t i l e v e rs t i c kv i b r a t i n gs c r e e nu n t i ln o wa n dd e p e n d i n go ne x p e r i e n c e si nd e s i g n , t h e a u t h o rh a ss e t t l e dt h et h e o r i e so ft h ec a n t i l e v e rs t i c kv i b r a t i n gs c r e e nt h r o u g ha p p l y i n g t r a d i t i o n a lv i b r a t i n gt h e o r i e sa n do r d i n a r yv i b r a t i n gs c r e e nt h e o r i e so nt h eb a s i so ft h e c o m p a r i n ga n a l y s i sb e t w e e nt h ec a n t i l e v e rs t i c kv i b r a t i n gs c r e e na n d t h eo r d i n a r y v i b r a t i n gs c r e e n ，a n dh a si n t r o d u c e dv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yi n t ov i b r a t i n gs c r e e n d e s i g n t h ef o l l o w i n g sa g ec o n t a i n e di nt h i st h e s i s 1 o nt h eb a s i so f t h ec a n t i l e v e rs t i c kv i b r a t i n gl “2 r e e n s t r u c t u r ea n a l y s i sa n dc o m p a r i n g t h i st y p es c r e e nw i t ht h eo r d i n a r yv i b r a t i n g $ c l e e n ，t h ea u t h o rh a ss e tu pt h ec a n t i l e v e r s t i c kv i b r a t i n gs c r e e nt h e o r i e sm a i n l yc o m p r i s i n gs t i c k s e c o n dv i b r a t i n gt h e o r y ， m a t e r i a lg r a i np e n e t r a t i n gp r o b a b i l i t yt h e o r ya n dm a t e r i a lg r a i nd e l a m i n a t i n ga n d p e n e t r a t i n gt h e o r yt h r o u g ht a k i n gu s eo f t h e t h e o r i e si ne x i s t e n c e 2 t h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h em a t e r i a lg r a i nm o v e m e n to nt h ec a n t i l e v e rs t i c kv i b r a t i n g s c r e e n ，t h ea u t h o rh a ss e tu pt h et o s s i n gm o v e m e n tm a t hm o d e l so ft h es i n g l e g r a n u l a r i t yg r a i n so nv i b r a t i n g s c r e e nm a i n l yc o n s i s t e do fg r a i n sj u m p i n gt i m e s ， s c r e e n i n ge f f i c i e n c y ，g r a i n st r a n s p o r t a t i o ns p e e da n dp r o d u c t i v i t y i tv a l i d a t e st h e c o l t e c t n e s sa n dp r a c t i c a b i l i t yt h r o u g ht h ec o m p a r eb e t w e e nt h ee x p e r i m e n t a t i o nd a t a a n dt h et h e o r ya n a l y s i s 3 t h ea u t h o ra n a l y z e dt h ed e v e l o p m e n to ft h em e c h a n i c a lv i r t u a lp r o t o t y p i n g t e c h n o l o g ya n di n t r o d u c e dt h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yi n t ot h ed e s i g no ft h e c a n t i l e v e rs t i c kv i b r a t i n gs c r e e n h eh a ss e tu pt h es c r e e nv i r t u a lp r o t o t y p ea n dc a r r i e d t h es c r e e n k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa n a l y s i s t h ev i r t u a lp r o t o t y p eh a sb e e nv a l i d a t e d t h r o u g ht h ec o m p a r et ot h ef a c td e s i g nd a t aa n db e e nm o d i f i e dc o n s t a n t l yt og e tt h e m o s to p t i m i z e dp r o t o t y p e i v 山东大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：v i b r a t i n gs c r 湖；s c r e e n i n g ；s e c o n dv i b r a t i o m v i a u a lp r o t o t y p e v 山东大学硕士学位论文 物理量名称及符号表 口唷液体桥两颗粒球距离；筛孔尺寸 口，物料颗粒尺寸 以- 相对粒度为x 的物料的质量 彳振动筛振幅 4 - 传递到第f 层物料的筛机振幅 6 ? 工作面宽度 屯一颗粒跳动系数 c 一筛层间距离 c 筛棒二次振动振幅；粘滞阻尼系数 e 一料层碰撞换算系数 ( i 一相对粒度为x 的物料颗粒透筛概率 d 前棒直径 西一筛棒直径 以筛捧直径 d 一振动筛的抛射强度 d 。一第f 层物料的抛掷指数 、 岛一固定偏心块质心旋转半径 岛嚆动偏心块质心旋转半径 已一连接轴质心旋转半径 一筛棒弹性模量 f 一弹簧力 r 一弹簧的预紧力 f h 一融薷如 一抖层厚度 卜一抛离系数 一物科颗粒在同层筛面的抛离系数 一物料颗柱相邻筛面的抛离系数 ，一筛棒的惯性矩 | 筛面开孔率 足振动筛振动强度：弹簧刚性系数 墨一第，层物料的振动强度 ，每层筛面长度 m ，物料颗粒质量 肼物料颗粒质量 彳振动筛振动体的总质量 肘一固定偏心块的总质量 毛。活动偏心块的总质量 厶连接轴的质量 栉物料层数：筛面层数 q 振动筛的生产率 ，一颗粒半径 r 一物料颗粒在筛面的总跳动次数 足液体桥曲率半径 匙液体桥曲率半径 s 一弹簧两端的相对位移 瓯弹簧两端的初始相对位移 f 一时间 一颗粒运动速度 ，一颗粒运动速度 h 一颗粒运动速度 v 2 一颗粒运动速度 k 一物料在筛面的平均输送速度 j 一相对粒度 一颗粒在同层缔面跳动的相对位移 岛一颗粒在层问跳动的相对位移 j ，一筛棒相对地面的振动挠度 山东大学硕士学位论文 儿筛棒相对筛体的二次振动挠度 j 0 萌机垂直于筛棒的振动挠度 一悬臂梁自由振动时的振型函数 a 一钳角 a ，筛面倾角 6 振动筛振动方向角 y 恢复系数 o 蔽体表面张力 6 一接触角 嗨振器的回转角速度 m 一筛棒第f 阶固有频率 叩j _ 跳动起始角 p 前棒的线密度 p 钳一物料松散密度 1 i ，物料与筛棒内侧碰撞仍能透筛系数 e 一抛离角 t l 嚆自料的总筛分效率 仉- 某一粒级物料的筛分效率 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：耍坌园1 日期： 2 d o r fi 亍 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：豆窒因导师签名：然日期：21 1 1 ：鲨 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的研究背景及意义 振动筛分机械是近2 0 年来得到迅速发展的一种新型机器，目前已广泛应用于 采矿、冶金、煤炭、石油化工、水利电力、轻工、建筑、交通运输和铁道等工业 部门中，用以完成各种不同的工艺过程。例如在冶金工业部门，选矿厂普遍采用 圆振动筛对矿石进行预先筛分和检查筛分，并用振动细筛对磨矿机的产品进行分 级，烧结厂采用直线运动轨迹和二次隔振原理，形成了热矿筛和冷矿筛，焦化厂 采用直线筛对焦炭进行筛分；在煤炭工业部门，采用圆振动筛、概率筛、等厚筛 和直线振动筛作为粗煤、精煤和末煤的分级、脱水和脱介质：在水力电力部门， 火电厂采用圆振动筛、等厚筛或直线筛对煤炭进行处理，在水电站的建设工作中， 如三峡工程需要各种大型筛机对砂石进行分级；在交通工业部门，采用概率等厚 筛和热石筛对石渣和石头分级、清沙和除泥；在化工部门，振网筛和化肥筛是关 键设备；在环卫部门的垃圾处理中，出现了新型筛机弛张筛和水煤筛。随着我国 建设事业迅猛发展和现代化建设的迫切需要，对这类振动筛分机械不仅在品种和 规格上，而且在产品质量上也提出了越来越高的要求。因此。振动筛分机械的研 究日益引起人们的注意。 炼铁高炉中粒度小于6 3 r a m ( 或5 r a m ) 的粉矿能急剧增大炉料的透气阻力，进 而影响到高炉的焦化指数，影响炼铁的质量和高炉的效率。为了有效去除对炉料 透气阻力有急剧增大作用的粉矿，需要对入炉前的炉料采取净化措旌，使这个指 标降至5 以下成为急需解决的问题。 国内的原振动筛的筛网都是采用固定的矩形筛孔，容易被难筛物料堵塞；筛 面的倾角在10 n 左右，使得物料流动速度太慢，料层太厚。在这种情况下，振动筛 设计师们突破传统的束缚，以独到的思路设计出了用于炉料净化、筛分的悬臂筛 网振动筛。它的关键创新点在于充分利用筛网的“二次振动”，成功解决了难筛物 料的“糊孔”难题。当相邻筛面筛棒在长度或直径参数不完全相同时，对于同样 的激振会产生不同的“二次振动”。悬臂筛网振动筛正是利用了相邻筛棒间的二次 振动的差异，使筛孔的间距不断变化，而且也起到加强筛网振动幅度的作用。这 山东大学硕士学位论文 就使粒度和筛孑l 尺寸相当的筛分颗粒( 难筛颗粒) 被顺利筛下，解决了振动筛的“糊 孔”问题，并且筛分效率获得很大的提高，达到8 0 n 以上，是普通振动筛筛分效 率的2 倍多，获得广泛应用。目前，对悬臂筛网振动筛全面系统的理论研究还很 少，在设计中存在盲目性，因此通过本课题的研究，建立悬臂筛网振动筛的筛分 理论，并应用虚拟样机技术对悬臂筛网振动筛进行研究，具有极高的理论与实际 应用价值。 首先建立悬臂筛网振动筛系统的筛分理论，填补了目前基于悬臂筛网振动筛 的理论模型的空白，为悬臂筛网振动筛设计提供指导，从而设计出性能最优的振 动筛来，促进其更广泛的应用。 其次通过应用虚拟样机技术于悬臂筛网振动筛的设计中，推动企业制造业数 字化，提高企业竞争能力，并带动相应行业进步应用虚拟样机技术旨在加快悬 臂筛网振动筛优化、创新速度，通过与企业合作完成此产品研发过程的数字化， 创建开放式筛孔振动筛理论系统，引发更全面的产品创新，使产品技术水平尽快 达到国际领先；减少创新产品的开发周期、费用及其盲目性，最终达到使企业具 备原始创新产品的前瞻性优势，这样既打击了低劣的产品剽窃，又积极主动地保 护了企业的自主知识产权，使创新产品市场处于良性循环这样也必将推动相应 行业的生产进步及技术革新，例如将带动高炉炼铁分级入炉的改革，迅速提升我 国炼铁技术的经济指标，加快我国赶超世界先进水平的步伐。 基于以上分析，对悬臂筛网振动筛进行研究，建立其理论体系并应用虚拟样 机技术建立该振动筛的虚拟样机，对于推动振动筛的创新设计和更广泛的应用具 有很现实的意义 1 2 振动筛研究的国内外现状 1 2 1 筛分理论的研究现状 国外从l6 世纪开始筛分机械的研究与生产，在l8 世纪欧洲工业革命时期， 筛分机械得到迅速发展。到本世纪，筛分机械发展到一个较高水平目前，人们 对传统振动筛的理论研究日趋成熟，逐步建立了物料在筛面上运动的基本理论模 型、物料透筛概率的理论模型，并出现了一些新型筛分理论和由此设计的新型振 2 山东大学硕士学位论文 动筛。 ( i ) 物料在筛面上运动的基本理论模型 物料在筛面上的运动，直接影响振动筛的筛分效率和生产能力。正确分析物 料在振动筛筛面上的运动状态，建立准确实用的物料筛分理论对合理选择振动筛 的各动力学和运动学参数，有效完成筛分工艺过程至关重要。对此，人们已经进 行了许多研究，其中较有代表性的理论有：单颗粒物料在振动筛面上的跳动模型 理论和料群在筛面上的碰撞模型理论i l 】。 单颗粒物料跳动理论以单个物料颗粒为研究对象，建立单颗粒在筛面上弹塑 性跳动动力学模型，导出单质点运动微分方程并求解，在此基础上得到单颗粒物 料在筛面上实现滑行或抛掷运动的条件，得到作滑行或抛掷运动时的速度、加速 度、正反向滑行指数、抛掷指数等1 2 】。单颗粒跳动理论的数学分析过程较为精确， 力学概念也较明确，因而在分析物料的运动状态时应用的较多，是物料在筛面上 运动分析的基本理论。但是，振动筛面上的物料是成层的，由无数颗粒堆积而成 的料层的运动与单个颗粒的运动状态是完全不同的。尽管单颗粒物料跳动的数学 过程较为准确，但物料颗粒间的碰撞摩擦影响这一重要因素被忽略了，导致了理 论分析所得结果与实验差异较大，需要根据试验得到的各种影响系数加以修正。 粒群碰撞理论以物料整体为研究对象，建立料群在筛面上运动的碰撞力学模 型进行求解分析，将筛分过程分为料群的分层和透筛两个阶段，认为物料的碰撞 是弹塑性过程，进而导出各层物料在料层碰撞中的速度、抛掷指数和透筛效率等 运动学参数 3 1 。料群碰撞理论考虑了物料颗粒间的相互影响，力学模型概念清晰， 数学方法也较为简单，因而较为实用。 ( 2 ) 物科在筛面透筛概率的理论模型研究 粒状物料的筛分过程是一个复杂的随机过程，其基本原理是物料颗粒的透筛 概率理论。影响颗粒透筛的因素很多，主要有物料的性质、筛分机的工艺结构和 运动学参数。 t a g g a r 和g a u d i n 从颗粒大小与筛孔尺寸的关系出发，提出了单个颗粒垂直投 射水平筛面时的透筛概率，奠定了粒状物料筛分的理论基础。 1 9 6 5 年瑞典人m o g e n s e n 提出了单颗粒透筛的较完整的透筛概率理论，他研究 了筛面倾角对颗粒透筛的影响，着重于排除难筛颗粒对透筛的阻碍作用，创造了 概率筛分法，并研究了物料透过多层筛面的过程，推导出了透过疗层筛面的颗粒 山东大学硕士学位论文 量的公式。 闻邦椿1 9 8 2 年对颗粒粒度相同的粒群进行透筛概率分析，给出了物料透过不 同倾角筛面的透筛总概率和物料透过多层筛面的透筛总概率公式。 陈清如根据实验室模拟概率筛分试验结果指出，概率筛分物料时，沿料流方 向筛面各段的物料透筛概率基本不变。他认为物料的筛分过程不是以单个颗粒进 行的，而是由众多颗粒组成的颗粒群呈层状在筛面上运动的。单个颗粒的运动都 要受到周围颗粒的干扰，颗粒之间产生很多碰撞，并交换动能。他通过应用概率 统计学的方法研究了物料的筛分过程，建立了料群沿筛面长度的透筛概率分布模 型【4 1 。 ( 3 ) 新型筛分方法的研究 振动筛的筛分过程可以分为不同粒度组成的物料随筛面的振动分层和小于筛 孔的物料接触筛面透筛两个阶段。在分层阶段，宏观上物料中较大颗粒因动量较 大而向上运动到达料层的上部，较小颗粒向下运动透过较大颗粒到达筛面。在透 筛阶段，小于筛孔的易筛颗粒透过筛孔称为筛下物，筛孔尺寸即物料的分离粒度。 传统的筛分方法，料层较厚，入料端的物料不能迅速均匀散开，影响分层速度和 小颗粒物料快速沉降。为了提高筛分能力和筛分效率，出现了一些新的筛分理论， 并研制出相应的新型筛分机械，主要有： 概率筛分法与概率筛分机。概率筛又叫摩根森筛，是由瑞典人m o g e n s e n 发明的。这种筛分方法将振动筛设计成多层变倾角。条形变尺寸筛孔。通常安装2 5 层筛网，筛网倾角从上到下逐渐增大，而筛网条形孔则从上到下逐渐变小根据 物料透筛的统计概率原理，采用多层大倾角和条形大网孔，可以使物料迅速分层 透筛，实现可快速筛分在相同的分级粒度条件下，其生产能力为普通筛分法的 1 0 倍。但这种筛分法的缺点是筛分精度较差【5 6 1 等厚筛分法与等厚筛分机关于等厚筛分原理的论述，在有关文献中是这 样的【7 8 1 ：一种是“等厚筛分法是在入料端给予料层一个比较大的加速度，使物料 运动速度加快，则料层迅速变薄并分层；对完成分层过程的料群，再按普通筛分 法的筛面加速度使物料透筛”；另一种则是“这种筛分法是在入料端给予物料的加 速度( 或倾角) 比普通筛分法大，使物料具有大的抛射强度和大的运动速度，致使 物料快速分层；对于已分好层的物料，再给以和普通筛分机相同的加速度( 或倾 角) 使小于筛孔的细粒物料有充分的机会透筛” 4 山东大学硕士学位论文 以上两种论述同时认为，为了实现等厚筛分，可采用两种方法，即大抛射强 度的等厚筛分法和大安装倾角的等厚筛分法，或不同抛射强度的等厚筛分法和不 同筛面倾角的等厚筛分法。 在实际设计中大多采用大安装倾角等厚筛分法，通常将筛面分成3 段。第l 段( 入料端) 筛面有较大倾角( 3 0 。3 2 0 ) ，以获得较大的物料运动速度，快速形成薄料 层。第2 段倾角为2 0 。2 4 ，第3 段倾角为1 0 。l6 0 【9 l o 】等厚筛分方法不管小于 筛孔的颗粒在入料中占的百分数是多少，筛面上物料层的厚度从入料端到排料端 保持不变或递增，而采用常规筛分方法，筛上物料层厚度是递减的。等厚筛分法 和普通筛分法相比，有以下优点：具有合理料层厚度，充分发挥透筛潜力，采用 等厚筛分法时。透筛能力达筛面理论透筛能力的8 0 ，使单位面积的处理能力提 高2 5 倍左右；实现等厚筛分法的等厚筛分机，分段采用合理的抛射强度，强化了 筛分过程；利用物料的快速流动，使筛面得到一定程度的净化实践证明，采用 等厚筛分法时，物料以l 2 m s 速度流动的情况下，能清除潮湿粉煤的附着，对 筛面起净化作用，筛面基本无堵孔现象。 1 2 2 筛分机械的研究现状 振动筛总体上主要有三部分构成：振动筛的激振方式、振动筛的振动轨迹、 振动筛的筛体筛面结构，这三方面的设计主要影响着振动筛的使用效果，影响着 振动筛的筛分效率和解决筛面堵孔问题的能力。 ( 1 ) 振动筛的激振方式 振动筛的激振方式目前主要有三种方式：偏心块激振、激振电机、电磁激振 器。 偏心块激振器主要由轴承座、轴承、主偏心块、副偏心块、轴、注油装置等 组成 1 1 , 1 2 , 1 3 1 。具有结构简单、成本低、激振力调节方便、油脂润滑不漏油、迷宫环 密封摩擦阻力小及易于实现通用化、标准化、系列化等优点。但是该激振器通常 体积大，传动装置复杂，传振体参振质量大，存在噪声大的弊端。为改进以上不 足，出现了一种振动源与动力源合为一体的电动激振器【l4 1 。这种激振器结构简单， 无需传动装置和传振支撑体，全封闭结构，激振器两端法兰通过铰制螺栓固定在 筛芯两绪板上，以简化筛机整体结构，降低参振质量，从而提高筛分效率和处理 山东大学硕士学位论文 能力。使用时。可根据处理能力、筛分效率、振型等选择直线运动型式或圆周运 动型式；安装位置可根据筛机结构设计为上振、下振、中振形式。 振动电机激振是通过振动电机直接驱动振动筛【l 习，筛体支承方式使用橡胶弹 簧支承方式用振动电机驱动的振动筛，其结构更简化，工艺调整及工艺适应的 柔性更强。同时，橡胶弹簧支承工作稳定、可设计性强，且在系统通过共振区或 受系统外扰动时，橡胶支承表现出变刚度特性、非线性特性、大阻尼特性以及多 维受载特性，故被广泛采用 电磁振动器激振振动筛使用电磁振动器产生振动，电磁振动器直接安装在筛 体上，具有驱动功率小、无转动零部件、无需润滑，设备重量轻、单位筛网处理 能力大、噪声小等优点，适用于高频进行细粒或极细粒级物料的分级、回收，隔 粗、脱水、脱泥的振动筛【l6 】 ( 2 ) 振动筛的运动轨迹 目前振动筛的运动轨迹主要有：直线轨迹、圆轨迹、椭圆轨迹、复合轨迹 直线筛的工作原理是在筛箱的左右侧板上各装一台激振电机或电机带动偏心 轴振动，两电机反向转动，电机转动产生惯性力，这样在两电机轴线方向产生的 惯性力相互抵消，只有与两电机轴线垂直的某方向的激振力，且该方向通过振动 筛的质心，这样振动筛就沿着这个方向产生直线振动直线振动筛筛上物料运移 速度快，具有较强的输送物料的能力，处理量大在直线振动筛的设计与使用中， 除要保证筛箱的强度、刚度外，通常要使筛机激振器产生的激振力作用线通过筛 机质心，以保证筛机上各点产生相同的直线运动，保持振幅一致。此种运动状态 的直线振动筛工作平稳，筛面上各点的物科均获得相同的抛掷运动，筛机具有高 筛分效率。然而，由于制造、安装及使用过程中各种因素的影响，经常出现激振 力作用线偏离筛机质心现象。此时，筛机工作时产生摇摆振动及横向摆动，筛机 上各点振幅及振动方向角亦发生变化，筛机的正常工作状态被破坏，筛面上物料 出现不同的抛掷运动状态，严重影响筛机的正常工作，尤其对大型直线振动筛， 影响更为显著【1 7 1 8 1 圆轨迹振动筛的工作原理是在筛箱的左右侧板上各装一台激振器，激振器轴 通过筛体质心，两激振器同向转动，在两个相互垂直的方向产生相同的激振力， 从而产生相同的振幅，整个振动筛的振动轨迹表现为圆轨迹。圆轨迹振动筛上物 料更易松散，颗粒不容易堵塞筛孔，但物料在筛面的运移速度较慢。为了解决这 6 山东大学硕士学位论文 一问题，通常在设计时加入新的筛分方法，如建立等厚圆振动筛【9 1 。筛机采用两 段折线型筛面，由入料端和出料端组成。入料端筛面倾角大于出料端筛面倾角， 出料端与进料端筛面物料厚度基本相同，克服一般振动筛进料端物料厚度大而出 料端物料厚度小的缺点，并且物料在筛面运移速度较快。 椭圆运动筛综合了圆运动和直线运动的优点，既有较高的输送速度，又能使 物料获得充分的筛分在给料量相同的情况下，椭圆筛需要的筛分面积较小，而 在给料量和筛分面积相同的条件下，椭圆筛具有较高的筛分效率。这一点对难筛 分物料尤其有利。椭圆轨迹振动筛综合性能较好，但结构复杂，使用不便，并且 不能在处理大排量高含砂量时实现快速排砂【2 0 】 复合轨迹振动筛基本工作原理为直线形轨迹和圆形轨迹的合成和分解。该振 动筛具有两组激振源，一组激振源产生直线轨迹，另一组激振源产生圆轨迹，利 用两种轨迹的合成和分解获得不同的运动轨迹。在两组激振源中产生直线形轨迹 的为主振源，产生圆形轨迹的为副振源。主振源由两台激振电动机组成，两台同 型号、同转速、激振力相同的振动电动机布置在筛箱上方，且使其产生的合力通 过参振质量的质心。副振源由两台布置在筛箱两侧并且激振中心与参振质量的质 心重合的位置上的辅助振动电动机组成，其产生的激振力将使筛箱产生圆形轨迹。 该振动筛可以产生3 种运动轨迹，可根据不同工况采用不同的振型，能充分发挥各 种振型的特点【2 捌。 ( 3 ) 新型筛面结构的振动筛 提高物料的筛分效率和解决筛孔堵塞问题是振动筛设计的主要要求，在对振 动筛的研究过程中出现了一些振动筛在一定范围内解决了这些问题，这些振动筛 的筛面都具有一定的弹性，主要有琴弦振动筛、驰张振动筛、振杆振动筛和悬臂 筛网振动筛。 琴弦振动筛的筛网是由多根柔性筛丝( 多股钢丝绳或单股钢丝) 顺筛机方向在 网托架上张紧装配而成。筛网丝在筛箱振动的激励下，自身由于弹性拉伸变形而 产生幅度较大的二次相对振动。它很好的解决了筛孔堵塞的问题。但由于其筛丝 处于强力拉紧状态，其寿命极短，有时一班就要换一套筛网，使用成本高。筛丝 容易松驰，筛分精度、限上率很低。主要用于煤炭深度筛分，不能满足化工、电力 等行业的要求田j 。 驰张振动筛筛面由若干段弹性筛板组成，相邻两横梁作周期性相对和相背运 7 山东大学硕士学位论文 动，从而实现弹性筛板的弛张运动，使筛面物料产生很大的抛射运动的加速度。 它较好地解决了筛孔堵塞的问题，对筛面材料要求很高，聚氨酯弹性筛面使用寿 命在半年以上。筛分效率高，在8 0 左右在欧美各国得到广泛应用，用于筛分 煤炭和其它矿物的筛分。由于我国关键技术和筛网材料不过关，未得到推广1 2 4 1 振杆振动筛筛面采用弹性振动杆，振动杆和筛板框架壁采用少约束的大孔隙 配合。当筛板随筛体主振频率和振幅振动时，振动杆与筛板框架在振动方向发生 碰撞，并随着物料的冲刷作用产生旋转运动。它较好的解决了筛孔堵塞的问题， 振动杆在筛板孔中处于自由梁状态，不受附加外力的弯曲和拉伸，寿命为半年左 右，筛分效率高，通常在8 0 以上在同等条件下，处理能力是普通筛杌的2 倍， 主要应用于煤炭、电力、化工等行业，应用不广泛【2 5 1 。 悬臂筛网振动筛为直线轨迹振动筛，采用偏心块或振动电机激振，筛面采用 由一端固定，另一端悬臂的弹性筛棒组成，将传统的封闭型筛孔变为开放型筛孔， 振动筛的开孔率高，冲刷率大，并且筛棒在随筛体进行振动的同时，本身还产生 二次振动，它很好的解决了筛孔堵塞的问题。筛面使用寿命长，是普通筛面的2 3 倍，在半年以上筛面更换非常方便，维修简单。筛分效率高达8 0 0 , 以上，筛分 精度高。在同等条件下，处理能力是普通筛机的3 4 倍。己广泛应用于冶金、矿山 行业中，正向煤炭、化工、发电等行业推广【2 6 , 2 7 1 。 1 3 虚拟样机技术发展的国内外现状 1 3 1 虚拟样机技术概述 随着2 l 世纪世界经济和科学技术的飞速发展，全球性的市场竞争日益激烈。 面对无法预测、持续发展的市场需求，企业为了提高竞争力，必须尽快改变产品 种类，更新设计，缩短新产品的研发周期，提高产品的设计质量，降低产品的研 发成本，进行创新性设计，这样才能对快速多交的市场需求做出敏捷响应，从而 在市场竞争中获得相当的市场份额和利润虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n g t e c h n o l o g y , v p ) 就是在这种迫切需要的驱动下产生的 虚拟样机技术是基于集成化产品和过程开发的新的产品设计、开发和评估手 段，它应用了分布交互仿真、计算机可视化、计算机支持的协调工作等多种虚拟 山东大学硕士学位论文 环境新方法和新技术，将建模和仿真扩展到新产品研制开发的全过程。它是一种 全新的技术，孕育着先进的设计和开发理念。它充满了机遇和挑战，现已引起了 世界各国各领域研究人士的高度重视，并在一些先进的企业和武装系统研制单位 中得到应用 2 5 , 2 9 。 波音公司7 7 7 飞机的设计和制造采用虚拟样机技术使飞机的开发周期从普通 的8 年减少到5 年，设计、装机、测试等工作均是在虚拟样机环境下完成的，初 步做到了无图纸化设计，是虚拟样机技术应用于产品开发的典范。 在我国，虚拟样机技术正在引起重视，通过深入研究虚拟样机的关键技术， 进一步探讨虚拟样机的有效开发模式必将促进这一先进制造技术的推广应用。 1 3 。2 虚拟样机关键技术 虚拟样机技术的开发与实施涉及许多关键技术与相关研究领域，如系统总体技 术、建树仿真技术、虚拟现实( v r ) 技术、产品建模技术、模型w & a ( 校验、验 证和确认) 技术和支撑平台框架技术等。下面着重谈谈系统总体技术和建模仿真技 术这两类关键技术 ( 1 ) v p 系统总体技术 v p 系统总体技术从全局出发，解决涉及到系统全局的问题，考虑构成v p 的 各部分之间的关系，规定和协调各分系统的运行，并将它们组成有机的整体，实 现信息和资源共享，实现总体目标。总体技术涉及规范化体系结构和采用的标准、 规范与协议，网络与数据库技术，系统集成技术和集成工具，以及系统运行模式 等 虚拟样机技术的核心是工程设计技术、建模仿真技术和v r 可视化技术这三类 技术的集成技术它包括：产品工程设计环境、产品功能行为建模仿真环境与 v r 可视化环境之间的集成技术；多领域产品开发环境之间的集成技术；多领域 分布建模集成技术；多领域分布协同仿真技术；c a d c a e c a m d f x 的集成 技术；建模仿真工具的集成技术等 ( 2 ) 系统建模仿真技术 在产品建模技术上，虽然经历了二维几何建模、三维几何建模、特征建模、 集成建模和智能建模等阶段，但还主要集中在产品的几何信息描述上。对虚拟样 9 山东大学硕士学位论文 机这类复杂系统，模型类型与种类被大大地拓宽了，包含了许多非几何的信息， 尤其是系统的动态行为信息 近年来，先进仿真技术得到飞速发展，建模技术已从对实体的建模，发展到 对环境的建模和对人类自身行为的建模；仿真计算机从专用仿真机发展到通用个 人计算机、大型机、并行机及基于i n t e m e t w e b 技术的网络计算系统；人机交互 由初期的图形支持，到动画，交互式仿真，进一步发展到基于矢量的图形支持， 并向虚拟现实发展；仿真环境从支持数学仿真、半实物仿真和人在回路仿真发展 到能支持构造仿真、虚拟仿真和实物仿真的并发、分布、交互、综合仿真环境。 其中，尤其是以h l a 为代表的分布交互仿真技术、综合仿真环境技术和虚拟现实 技术的发展，为虚拟样机技术的实现提供了良好的技术基础。随着系统模型的复 杂程度的越来越高，为提高建模质量和有效性。层次化建模和模型抽象技术( 复杂 模型的集成与分解技术) ；多模式建模技术；并行和分布式建模技术；基于w e b 的 建模仿真技术；基于知识的建模技术等将是未来建模技术的发展方向。 1 4 本课题的来源和主要研究工作及创新点 本课题是在济南市科技发展项目“悬臂筛网振动筛虚拟样机技术”( 项目号： 0 4 1 0 2 9 ) 的资助下，通过企业、学校合作研究，完成悬臂筛网振动筛的理论建模和 研发过程的数字化，促进更全面的产品创新，使该产品技术水平尽快达到国际领 先。本文所作的主要研究工作内容及创新性成果有： ( 1 ) 通过对悬臂筛网振动筛结构分析，结合传统振动理论和振动筛的理论， 创立悬臂筛网振动筛筛棒的二次振动理论、物料颗粒的透筛概率理论和物料群在 筛面的分层透筛理论。 ( 2 ) 分析单一粒度物料群在筛面上的运动透筛过程，建立了某一粒度物料群 在筛面上的抛掷强度、跳动次数，筛分效率、输送速度和生产率等数学模型；分 析振动筛的运动和结构参数对振动筛振动的影响，并通过与现场试验数据作对比 分析，验证和修正相关数学模型 ( 3 ) 应用三维几何虚拟造型软件对“单层双网自清理悬臂筛网振动筛”进行 虚拟造型及装配，并应用a d a m s 软件做该振动筛的虚拟样机系统，进行运动学和 动力学分析，并与实际设计进行对比，验证和完善虚拟样机。 1 0 山东大学硕士学位论文 第2 章悬臂筛网振动筛的结构及筛分机理 2 1 悬臂筛网振动筛的结构和工作原理 2 1 1 潮湿细粒物料在普通振动筛筛面上粘附的机理 ( 1 ) 粘附模型 潮湿细粒物料由于表面吸附水分而形成水化膜，当表面水多到粒子接触点处 形成透镜状或环状的液相时，开始产生液桥力而导致粒子间附着力的增大，形成 二次、三次粒子，促使颗粒团聚【3 0 1 。 对于两个球形颗粒之间的液体桥( 图2 1 ) ，弯曲液面由曲率半径为冠的凹面 和曲率半径为r ：的凸面构成，若接触角为零，则附着力为p i ； i 叫盯陪一爿：盯啦盯降 协t ， 式中：足= ，( 素l _ 一1 = ，s e c 口一1 ) ，r ：= ，t a r l 口- r i = r ( 协o r - s e c c t + i ) ，乓为 附着力，盯为液体表面张力，r 为颗粒半径，口为钳角。 将r 。，r ：代入式( 2 1 ) 可得： = 高( 2 - ( 2 - 2 )，一2 再丽 式( 2 - 2 ) 清楚地表明了附着力与粒度、含液量的关系。 著棒触角占不为零( 图2 2 ) 。b a t e l 导出的公式为： 山东大学硕士学位论文 图2 - 2 接触角为j 的液体桥 f h = 2 m o s i n 8 s i n ( a + 8 ) + 扣( 击一i 1 涵s ， 式中：。胄- = 舞，r ：= ，s i n 口+ r 。【s i n ( 口+ 占) 一l 】 对两球相距为口时的液体桥( 图2 - 3 ) ，p i e t c h 求得的附着力为： 图2 - 3 两球间距为口的液体桥 f m = m 2 0 s i n 2 a l r 击一书+ ：万盯m i 啦埘 c 2 4 ， 式中：r t = 二g 筹，r ：= r s i n 口+ r 【s i n ( 口+ 艿) 一l 】 表面潮湿的物料在其团聚状态，除了受液桥力的作用外，还要受到范德华力 和粘土类矿物德粘附力等作用，潮湿细粒物料的团聚是一个综合作用的结梨3 2 川。 ( 2 ) 堵孔机理 在直线振动筛上，湿颗粒的受力情况如图2 4 所示刚。颗粒跳离筛面的必要条 件是对筛面的法向压力n = 0 ，即 山东大学硕士学位论文 ? r i c 0 2 a s i n , b s i n c o t = m g c o s a i + 昂 ( 2 5 ) 式中彳筛机振幅； 激振器的回转角速度； t 时间； 。 筛面倾角； 振动方向角； 日附着水分所产生的附着力。 由此可得颗粒跳动系数： 。：。；n 伊。：g c o s a ；f i + f 坐h ：二! ：釜 ( 2 6 ) 钆s m = 1 葡= 1 茹 旺6 ， 式中：足振动强度( 我国矿用振动筛的振动强度为3 4 5 ) ； 钆跳动起始角 式( 2 - 6 ) 有解的条件为 c o si + 盟k s i n p ( 2 - 7 ) 公式在临界状态下取等号。直线振动筛的抛射强度d 指最大振动加速度的筛 面法向量与重力加速度的筛面法向量的比值，即 d = 4 由2 s i n ，g c o s a l ( 2 8 ) 没有粘附力的情况下，只需d l 就能保证物料在筛面达到被抛起的临界状 态但如果有附着水分引起的粘附力的存在，则d l 时，物料仍然不会被抛起， 为此将式( 2 7 ) 写成 山东大学硕士学位论文 d l + 二l ( 2 9 ) m g c o s 口l 因此问题转为液体桥引起的粘附力和重力沿筛面法向分量的对比关系决定物 料在何时被抛起。抛射强度与筛机振动的振幅、激振频率和筛机结构参数有关， 粘附力与颗粒粒度、物料的密度、液体的表面张力、物料的亲水性能和筛面对水 的亲和力有关 当物料颗粒不能满足式( 2 9 ) 时，潮湿细粒物料就粘附在筛面上。对于潮湿细 粒物料覆盖膜堵孔的情况来说，它的形成过程可分为两个阶段1 3 5 1 ：由于细粒粘性 物料牢固粘结在筛面上，使透筛面积减少；细粒物料相互粘结在筛面上，形成 覆盖膜，这种覆盖膜的性质已接近于薄膜的性质，如图2 5 。细颗粒物料比表面积 大，当外在水分超过7 时，则颗粒表面形成一层薄薄的水膜，如图2 5 a ) 所示，而 相邻颗粒在液桥力和水膜表面张力作用下互相粘结成团，如图2 5 b ) 所示；随着筛 分过程的进行，一些潮湿细粒粘性物料相互粘结并粘附在筛网上，如图2 5 e ) ；随 着筛分时间的逐渐加长，粘附到筛网上细小颗粒越来越多，最终与筛面上的潮湿 细泥一起在液桥力和水膜表面张力的作用下，形成一张覆盖膜，将筛孔堵塞，如 图2 5 d ) 。一旦筛孔被堵，筛分过程就无法进行因此，必须研究解决覆盖膜破裂 的方法和途径。 b 、 睾零窜 c ) m 图2 - 5 潮湿细粒物料堵孔过程 山东大学硕士学位论文 2 1 2 悬臂筛网振动筛的结构和工作原理 图2 6 为悬臂筛网振动筛的结构简图。 图2 - 6 悬臂筛网振动筛结构简图 隔振弹簧 激振器系统 从图2 6 我们知道，悬臂筛网振动筛主要由机架、筛箱、激振器系统、筛面和 隔振弹簧等组成。激振器系统由带有偏心块的转动轴组成，偏心块在随转动轴转 动时，由于其质心偏离转动轴线，从而产生了激振力，可以通过增减偏心块的数 量来改变激振力的大小 图2 7 为悬臂筛网振动筛的筛面结构图。筛面由弹簧钢材料的棒条组成，图2 7 a ) 为两层筛面的主视图，图中筛面层与层之间呈阶梯分布，为筛面倾角， c 为上 层筛面与下层筛面在垂直筛面方向的距离：图2 7 b ) 为单层筛面的俯视图，图中筛 面由相同直径不同长度的悬臂筛棒组成，在振动过程中，筛棒在随筛体振动的同 时自身产生二次振动，并且相邻筛棒产生不同的振动。 矿垂 a )b ) 图2 7 悬臂筛网振动筛筛面结构 在以往振动筛的设计中，振动筛的筛孔通常是固定的，单层筛面，物料在同 一层筛面作滑动或抛掷运动而透筛。但人们在长期使用这种按常规思维制造的振 山东大学硕士学位论文 动筛时，发现固定筛孔制约着振动筛的广泛应用及迅速发展，其缺点有：固定 筛孔在筛分湿料时极易堵孔，无法实现定粒度筛分，功能差；固定筛孑l 同样条 件下开孔率低，筛分效率低；固定筛孔振动筛无法充分利用筛网结构单元的二 次振动耦合，无法创造出不同的筛分效果，创新性差；固定筛孔无法应用不同 物料在筛网上的振动概率及冲刷作用，无法挖掘筛网的减磨新结构，寿命短总 之，筛孔尺寸固定，限制了振动筛的发展空间。 悬臂筛网振动筛突破了传统振动筛的设计思路，将封闭型筛孔变为开放型筛 孔，筛面是由一层层相互平行的弹性筛棒和安装弹性筛棒的固定梁组成，弹性筛 棒的一端安装在固定梁上，另一端悬臂，筛面在顺物料流方向里阶梯分布这样， 筛棒在随筛体振动的同时自身还产生二次振动，提高了物料在筛面上的抛射强度： 筛面开孔率高，物料在筛面透筛概率高，减小了粘湿细粒物料在筛面上团聚机会： 并且物料在筛分时是从上一层筛面跳跃到下一层筛面，进一步增加