（机械设计及理论专业论文）香蕉形直线振动筛参数化建模与动力学特性分析.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y p a r a m e t e r i z e dm o d e l i n ga n d d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i so f b a n a n al i n e v i b r a t i n gs c r e e n b yj i a n gj i n g h u a s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n g y i m i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：江多至华 日 期：加罗年旧) a 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：江季垄华 签字日期：2 0 0 l j ia ) 日 导师签名： 签字日期： j ；砒 炒卜 东北大学硕士学位论文摘要 香蕉形直线振动筛参数化建模与动力学特性分析 摘要 振动筛是一种广泛应用于石油、煤炭、冶金、化工、粮食等行业的筛分机 械。随着我国经济发展、技术进步，各行业迫切需要大处理量、高效率的振动 筛进行筛分、脱水、脱介作业。2 0 0 2 年鞍山市重型矿山机器厂开发出了大型香 蕉形直线振动筛，在生产中取得了显著的应用效果。在这种情况下，进一步研 究香蕉形直线振动筛有着重要的现实意义。 香蕉形直线振动筛在强大的周期载荷下做受迫振动，很容易发生疲劳破 坏，由于筛箱的结构形状复杂，传统的设计方法不能充分考虑到筛箱的动态特 性。因此，在实际生产过程中经常发生筛箱横梁断裂、侧板撕裂等事故。随着 计算机和a n s y s 软件的发展，有限单元法为解决复杂结构的强度问题提供了 一种行之有效的方法。 本文以大型香蕉形直线振动筛z x t 4 3 9 2 为研究对象，以有限元法和机械动 力学为理论基础，运用参数化技术和有限元分析软件a n s y s ，对其动力学特性 进行了分析研究。具体研究工作如下：( 1 ) 以z x t 4 3 9 2 为原型，对香蕉形直线振 动筛主要参数进行了设计计算，利用v i s u a lb a s i c 编程语言初步实现了振动筛主 要参数的可视计算。( 2 ) 运用a n s y s 参数化设计语言( a p d l ) 建立了振动筛的参 数化板壳模型，实现了各板壳单元厚度、材料和部分尺寸、位置的参数化。( 3 ) 振动筛模态分析，确定振动筛的振动特性，固有频率和各阶振型。( 4 ) 振动筛谐 响应分析，分析振动筛在周期激振力作用下的频响情况。重点关注在工作频率 下和停开机过共振区时的振动筛动应力、动位移。通过以上工作，得到了香蕉 形直线振动筛的动态特性，为振动筛以后的改进和优化提供了依据。 关键词：振动筛，a n s y s ，a p d l ，模态分析，谐响应分析 塞j 垦墨鲎塑茎焦盐叁 一坠旦型 p a r a m e t e r i z e dm o d e l i n ga n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so f b a n a n al i n ev i b r a t i n gs c r e e n a bs t r a c t v i b r a t i n gs c r e e ni sas o r to fs i e v i n gm a c h i n ew h i c h i sw i d e l ya p p l i e dt op e t r o l e u m ，c o a l ， m e t a l l u r g y , c h e m i c a li n d u s t r y , g r a i n , e t c a l o n gw i t he c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t e c h n o l o g i c a l p r o g r e s s ，t h ei n d u s t r yu r g e n t l yn e e d sl a r g ev o l u m e ，h i g he f f i c i e n c yv i b r a t i n g s c r e e n sf o r s c r e e n i n g ，d e h y d r a t i o n ，d e l i n k i n gi m p u r i t i e s o p e r a t i o n s a n s h a nh e a v yd u t ym i n i n g m a c h i n e r yf a c t o r yd e v e l o p e db a n a n a l i n ev i b r a t i n gs c r e e ni n2 0 0 2 ，w h i c hh a sm a d e r e m a r k a b l er e s u l t si nt h ea p p l i c a t i o n i ns u c hc a s e s ，f u r t h e rs t u d yo fb a n a n a - s h a p e dl i n e a r v i b r a t i n gs c r e e n sh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e b a n a n al i n ev i b r a t i n gs c r e e ni sp r o n et of a t i g u ed a m a g ew h e n i ti sd o i n gf o r c e dv i b r a t i o n w i t has t r o n gc y c l el o a d b e c a u s eo fc o m p l e xs t r u c t u r ea n ds h a p eo fs t r a i n i n gb o x ，t r a d i t i o n a l d e s i g nm e t h o d sc a nn o tf u l l yt a k ei n t oa c c o u n tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs t r a i n i n gb o x s o t h er u p t u r eo fs t r a i n i n gb o xc r o s s b e a m sa n ds i d ep l a t e si sf r e q u e n t l yh a p p e n e di np r a c t i c a l p r o d u c t i o np r o c e s s f i n i t ee l e m e n tm e t h o dp r o v i d e sa ne f f e c t i v em e t h o d t os o l v et h ei n t e n s i t y p r o b l e m so f t h ec o m p l e xs t r u c t u r e ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n da n s y s s o f t w a r e t h i sp a p e ru s e st h ez x t 4 3 9 2 ，al a r g eb a n a n al i n ev i b r a t i n gs c r e e n , a st h eo b j e c t ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o da n dm e c h a n i c a ld y n a m i c sa st h e o r y ，p a r a m e t e r i z e dt e c h n o l o g ya n da n s y s s o f t w a r ea st o o l st oa n a l y z ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so fb a n a n al i n ev i b r a t i n gs c r e e n t h em a i ni o ba sf o l l o w i n g ：( 1 ) m a i np a r a m e t e r so fb a n a n al i n ev i b r a t i n gs c r e e na r ed e s i g n e d a n dc a l c u l a t e d ，a c c o r d i n gt ot h ez x t 4 3 9 2 t h ev i s u a lc o m p u t i n go fv i b r a t i n gs c r e e nm a i n p a r a m e t e r si sp r i m a r i l yr e a l i z e db yu s i n gt h ev i s u a lb a s i cp r o g r a m m i n g l a n g u a g e ( 2 ) c r e a t e p a r a m e t e r i z e ds h e l lm o d e lo fv i b r a t i n gs c r e e nt h r o u g hu s i n gt h ea n s y sp a r a m e t r i cd e s i g n l a n g u a g ea n da c t u a l i z ef r e ec h a g eo fm o s tm o d e lp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gt h et h i c k n e s s e s ，t h e m a t e r i a l p a r ts i z e sa n dr e l a t i v ec o o r d i n a t e so ft h es h e l lu n i t s ( 3 ) d e t e r m i n et h ev i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s t h en a t u r a lf r e q u e n c i e sa n da l l - o r d e rv i b r a t i o nm o d e so fv i b r a t i n g s c r e e n t h r o u g hm o d a la n a l y s i s ( 4 ) r e s e a r c hf r e q u e n c yr e s p o n s es i t u a t i o no fv i b r a t i n gs c r e e nu n d e r c y c l ee x c i t i n g f o r c eb yh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s f o c u s o nd y n a m i cs t r e s sa n d d i s p l a c e m e n to fv i b r a t i n gs c r e e nw h e n i ti sw o r k i n gi nt h eo p e r a t i n gf r e q u e n c ya n di sp a s s i n g t h r o u g hr e s o n a n c ea r e a t h r o u g hu p p e rw o r k ，w eg e td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f b a n a n al i n e v i b r a t i n gs c r e e na n dt h e yp r o v i d et h eb a s i sf o r t h ef u t u r ei m p r o v e m e n t a n do p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：v i b r a t i n gs c r e e n , a n s y s ，a p d l ，m o d a la n a l y s i s ，h a r m o n i ca n a l y s i s i i i 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录- i v 第1 章绪论1 1 1 筛分机械的现状和发展趋势”1 1 1 1 筛分机械的应用1 1 1 2 国内外振动筛的发展现状一2 1 1 - 3 振动筛的发展趋势3 1 2 振动筛的基本原理5 1 2 1 振动筛的组成5 1 2 2 振动筛的工作原理6 1 3 选题的背景和意义7 1 3 1 参数化设计概述7 1 3 2 香蕉形直线振动筛8 1 3 3 选题的意义9 1 4 课题主要研究内容”9 第2 章香蕉形直线振动筛参数选择与计算1 1 2 1 振动筛运动学参数选择1 1 2 2 振动筛动力学参数计算1 2 2 2 1 计算隔振弹簧刚度k 1 2 2 2 2 计算振动筛计算质量l3 2 2 3 计算振动筛所需激振力一l3 2 2 4 计算振动筛所需电机功率1 4 2 2 5 计算振动筛传给基础的动载荷一1 4 壅皇垦盘堂墅堂焦迨塞目丞 2 3 基于v b 编程的振动筛参数计算1 5 2 3 1v i s u a lb a s i c ”l5 2 3 2 振动筛参数计算界面和窗体介绍“1 6 2 3 3 程序执行过程和结果“1 9 2 4 振动筛参数设计计算结果2 0 第3 章a n s y s 参数化建模21 3 1 有限元法的基本理论2 1 3 1 1 有限元法的基本思想2 1 3 1 2 有限元法的特点。2 2 3 1 3 有限元法分析过程2 3 3 2a n s y s 软件介绍2 5 3 2 1a n s y s 的发展2 5 3 2 2a n s y s 的特点2 6 3 2 3a n s y s 的分析步骤2 7 3 3a n s y s 参数化建模2 9 3 3 1a p d l 概述2 9 3 3 2a p d l 功能描述2 9 3 3 3 编写a p d l 程序方法”31 3 3 4 振动筛模型简化。31 3 3 5 单元与材料选择。31 3 3 6 建模结果3 3 3 4 本章小结一3 4 第4 章香蕉形直线振动筛动力学特性分析3 5 4 1 模态分析原理3 5 4 1 1 模态分析的理论基础3 5 4 1 2 模态分析的步骤3 6 4 2 振动筛模态分析3 8 4 2 1 振动筛模态分析意义一3 8 4 2 2 模态分析模型3 9 4 2 3 模态计算结果4 0 4 2 4 振动筛模态结果分析4 4 4 3 谐响应分析方法4 5 4 3 1 谐响应分析介绍4 5 4 3 2 谐响应分析方法4 5 4 4 振动筛谐响应分析4 6 4 4 1 振动筛谐响应分析目的4 6 4 4 2 谐响应分析模型4 7 4 4 3 正常工作时的谐响应分析4 8 4 4 4 过共振区时的谐响应分析5 0 4 4 5 谐响应分析结论5 2 第5 章结论与展望5 3 5 1 结论5 3 5 2 展望5 4 参考文献5 5 致谢5 9 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 筛分机械的现状和发展趋势 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 在交通工业部门，针对铁路石碴的清砂和除泥，采用概率等厚原理的概率 等厚筛效果很好；用热石筛可对沥青混凝土的石头分级，在高速公路建设中起 着重要作用。 在化工部门，对于化工原料和产品的筛分，化肥和复合肥分级，振网筛和 化肥筛是关键设备。此外，针对环卫部门的垃圾处理、水煤浆在电厂的应用， 又出现了新型的筛机一驰张筛和水煤浆筛。 1 1 2 国内外振动筛的发展现状 我国煤炭资源丰富，储量多，品种齐全。煤炭占能源的7 5 以上，是当今 和未来几十年内我国最主要的能源。随着我国煤矿采掘机械化程度的不断提 高，泥煤含量加大，原煤水分增高，所生产的煤炭质量不断恶化。在我国提出 的洁净煤炭战略，煤炭洗选是龙头，因而发展煤炭的洗选加工工业是目前提高 煤炭质量的重要措施。 我国的筛分机械是在引进国外技术的基础上发展起来的。近二十年来，我 国对振动筛的研究取得了一些可喜的成果。筛子大型化已取得了一些成就。在 常规脱水、脱介筛等方面，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；在筛面方面也取得了可喜 成就，开发了聚氨脂，超高分子聚乙烯等非金属筛面和多层筛网。 由于我国的工业基础比较薄弱，理论水平和技术水平落后，我国的筛分机 械的发展只有近6 0 年的历史，大体可以分为三个阶段。 ( 1 ) 仿制阶段。这期间，仿制了前苏联的系列圆振动筛、m z 型摇动筛； 波兰的w k 15 圆振动筛，w p l 、w p 2 型吊式直线振动筛。这些筛分机仿制成 功，为我国筛分机械的发展奠定了坚实的基础，培养了一批技术人员。 ( 2 ) 自行研制阶段。从19 6 6 年至19 8 0 年研制了一批性能优良的新 设备，有1 5 0 0 m m x 3 0 0 0 m m 重型振动筛系列，1 5 m 2 、3 0 m 2 共振筛系列 单轴、双轴振动筛系列，自同步直线振动筛系列，等厚概率筛系列，冷 系列。这些设备虽然存在着故障较多、寿命较短的问题，但是他们的研 基本上满足了国内的需要，同时也标志着我国的筛分机走上了独立发 路。 ( 3 ) 提高阶段。在8 0 年代，我国的筛分机走上了一个新的发展里程 功研制了振动概率筛系列，旋转概率筛系列，完成了箱式激振器等系列 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 步等系列振动筛。例如驰张筛、螺旋三段筛、物料直线振动筛，琴弦振动筛， 立式圆筒筛的研制取得了一定的成功。 国外从16 世纪开始筛分机械的研究与生产，到了l8 世纪欧洲工业革命时 期，筛分机械得到了迅速的发展，使筛分机械发展到较高的水平。 德国的申克公司能提供2 6 0 种筛分设备；s k t 公司生产的筛分设备系列品 种较全，技术水平较高；k h d 公司生产2 0 0 多种筛分设备，通用化程度较高； k u p 公司和海因曼公司都研制了双倾角的筛分设备。美国r n o 公司新研制了 d f l l 型双频率振筛，采用不同的速度激振器。d r k 公司研制成三路分配给料， 一台高速电机驱动。英国为解决从湿原煤中筛出细粒末煤，研制成功了旋流概 率筛。前苏联也研制了一种多用处兼有直线振动筛优点的自同步直线振动筛。 下面是国外著名振动筛公司生产的大型振动筛情况。 表1 1 国外公司生产的大型振动筛 t a b l e1 1t h el a r g es c r e e n sm a d ei nf o r e i g nc o m p a n i e s 1 1 3 振动筛的发展趋势 振动筛分机在工程中广泛应用，对国民经济起着重要作用。从目前国外的 研究动向看，一方面致力于现存筛分机的运动分析和结构调整；另一方面瞄准 新颖的设计目标，探求合理的结构型式，动力配置和动力学参数，以便进一步 推动筛分机的应用。 综合国内外筛分机械状况，筛分机械应向以下几个方向发展【2 3 】： ( 1 ) 筛分机大型化 筛分机大型化是提高处理量的方法之一。近十年来，许多国家都在设计大 筛子，其中以西德最为突出。1 9 7 6 年西德已能制造单机处理量为1 0 0 0 吨时的 预先筛分振动机。西德筛子技术公司制造5 0 m 2 振动筛，宽5 5 m ，为了加大激 - 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 振力，将四个激振器并联安装。筛子用耐疲劳、耐腐蚀能力强的材料制成。生 产实践证明，其使用效果良好。 ( 2 ) 应用等厚筛法 这种筛分法的特点是，不管入料中小于筛孔的颗粒所站百分比如何，在筛 分过程中筛上分法平均单位筛面透筛能力仅是筛面实际透筛能力的2 5 左右。 而等厚筛分法，小颗粒和筛面接触的概率大大增加，平均单位筛面透筛能力约 为筛面实际透筛能力的8 0 。 ( 3 ) 惯性振动筛迅速发展 上世纪6 0 年代，共振筛曾受到各国重视，发展很快。但生产实践证明， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 这样，选择的轴承可比标准轴承降低两个规格型号，降低了筛机重量和生产成 本。 ( 7 ) 向标准化、系列化、通用化发展 提高标准化、系列化、通用化的水平，有利于组织专业生产，保证质量， 降低生产成本，提高企业效益。 ( 8 ) 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，国内对细和超细物料 的分级还存在问题。我们应发展特殊用途筛分设备，满足国民经济建设发展的 需要，并担当对外出口的任务。 1 2 振动筛的基本原理 1 2 1 振动筛的组成 d 振动筛通常由激振器、工作机体及弹性元件三个部分组成。 ” ( 1 ) 激振器：产生周期变化的激振力使工作机体产生持续的振动。常用的 激振器有惯性式、弹性连杆式、电磁式、液压或气压式等形式。 ( 2 ) 工作机体：筛箱。 ( 3 ) 弹性元件( 弹簧) ：包括隔振弹簧、主振弹簧和连杆弹簧。 ( 4 ) 隔振弹簧的作用：支承振动机体，使机体实现所要求的振动，并减小 传给基础或结构架的动载荷。 振动筛的筛箱由钢板与型钢焊接或用高强度螺栓连接而成的筛型结构，在 两侧的钢板之间用带发兰的无缝钢管或型钢连接，筛箱内固定有筛网或筛板。 激振器按照不同的工作形式有两种安装形式；( 1 ) 在筛箱的中上部；( 2 ) 在筛箱 的底部。激振器是产生振动的主要部件，其布置形式将直接影响振动筛工作面 的运动轨迹和筛分效果。 筛网是振动筛中承受冲击最大的构件，在它的上面，物料进行分级、脱水、 脱介，因此也是最易损坏的零件，筛孔的形状和布置直接影响筛分效果。为了 减少振动对地基的冲击，振动筛利用弹簧的振动而进行工作，在工作中产生的 振动和噪音非常大，造成环境污染，布置合理的弹簧能减少振动对地面的冲击， 提高振动筛的使用质量，延长振动筛的工作寿命。 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 2 振动筛的工作原理 ( 1 ) 工作过程 振动筛的工作过程：进行振动筛分的主要区域是筛箱，物料从入料端进入 筛箱筛面，在激振器的激振下，筛面按照一定的轨迹运动，迫使物料沿着筛面 向前运动，通过筛网分级、脱水、脱介。振动筛的稳定振动工作状态、正确的 安装、简单的维护性能等是一台优良的振动筛的要求，为了设计合理、经济的 振动筛，须对振动筛工作面的运动轨迹进行研究。几十年来，人们对筛网的运 动轨迹进行了许多研究。从直线到曲线，从线性演变为非线性，从平面曲线到 空间曲线，逐步适应各种不同特性的被筛物料要求。振动筛筛分轨迹有许多种： 直线振动，圆振动，椭圆振动等。对于直线振动筛，它有较高的物料抛出速度， 然而它的加速度矢量作用在一个方向上，使被筛物料不能充分的松散和重新排 列，因此小物料颗粒不能快速穿过物料层到达筛孔，同时堵塞在筛孔内，很难 向空中抛出，产生堵孔现象。为了达到足够的输送速度，筛面必须有一定的倾 斜角度。 ( 2 ) 物料的运动理论 在不同形式的激振器作用下，振动筛按照不同的轨迹振动，使物料沿着工 作面运动，进行筛分。当振动筛采用不同的运动学参数时，物料按照不同的轨 迹运动【4 1 。( a ) 相对静止：物料随工作面一起运动，无相对运动。( b ) 正向滑动： 物料与工作面接触，一道沿着输送方向运动。( c ) 反向运动：物料与工作面接触， 在输送方向作相对的反向运动。( d ) 抛掷运动：在工作面上物料被抛起，沿着工 作面向前作抛物线运动。相对于不同的物料，采用不同的运动轨迹进行筛分， 这是振动筛分研究的重要内容。在给定的振动强度下，振动筛振动，物料在工 作筛面上作抛掷滚动或移动，获得了一定速度的物料颗粒，具有一定的动能。 动能越大，运动越剧烈。首先克服与筛面及其它物料之间的摩擦，逐渐进入料 层的上层。反之，小的颗粒下降，向筛面及筛孔靠近。在同一个振动系统中， 物料的动能与质量成正比，物料颗粒的大小差距越大，动能差距越大，因此能 使物料在筛面上分层。到达筛面的小颗粒与筛孔进行大小比较后，小者透过筛 孔，大者留在筛面上，从而实现粗细物料的分离、分级。从以上的筛分过程的 描述，可以推出，筛面的振动强度和料层的厚度是直接影响分层效果的主要原 因，也是提高筛分效率的先决条件。 当参振质量、偏心距、振动频率和弹簧刚度确定后，则整个筛面的振幅是 6 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 一个恒定值。在入料端，物料颗粒的颗粒度分布较宽，筛面传给物料的动能损 失严重，因而大量的物料由于没有足够的能量向筛面中部移动，只能在筛面入 料端很短的范围内分层，物料的透筛也仅在的筛面范围内，导致不仅加大了入 料端的筛分负荷，影响筛分效果，而且降低整个振动筛的处理能力。此后，随 着细粒物料的分层，在筛面上接近或大于筛孔尺寸的物料逐渐增加，透筛效率 迅速下降；在普通的振动筛上，入料端的物料一直较厚，出料端的厚度较薄。 以上的物料运动形式造成了透筛量沿着筛面长度的分布不均匀，致使筛面的透 筛能力下降，影响振动筛的筛分效率和处理能力。因此比较理想的筛面运动形 式：在筛面垂直方向，入料端的振幅应该大于排料端相同方向的振幅；沿着筛 面的长度方向上，从入料端开始，物料运动速度为递减状态。 1 3 选题的背景和意义 1 3 1 参数化设计概述 企业成败的关键问题之一是能否快速开发出新产品并缩短产品的上市周 期。因此产品的设计要有充分的柔性，并且设计过程模型要能准确地反映设计，象 的实际活动，同时又能够迅速地重构，使产品的设计信息能够重用。几乎所有 产品的设计都是改进型产品设计，而且大约7 0 的原来产品的设计信息在新产。 品的设计时被重新利用【5 ，6 j ，参数化设计技术就在这样的背景下应运而生。设 计师可以根据自己的意图很方便地勾出设计草图，系统同时自动建立设计对象 内部各种元素之间的约束关系，以便设计者更新草图尺寸时，系统通过推理机 能自动更新校正草图的几何形状并获得几何特征点的正确位置分布。 多年来，众多学者为参数化技术的发展做了不懈的努力，并取得了丰富的 成果，但也有其局限性。该文就是在此背景下，对参数化技术的研究现状、各 种参数化方法的思想机理及优缺点、存在的问题以及参数化技术的未来发展趋 势做了较为全面的分析与探索。 参数化方法的本质即是基于约束的产品描述方法。这是由于产品的整个设 计过程就是约束规定、约束变换求解以及约束评估的约束求精过程。参数化研 究工作最早可追溯到6 0 年代早期，s u t h e r l a n d 在他开发的s k e t c h p a d 系统中， 首次将几何约束表示为非线性方程来确定二维几何形体的位置。后来l i g h t 、 g o s s a r d 7 ，8 】进一步发展了这一思想，并使其实用化。在应用此方法( 数值迭代法) 7 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的过程中，人们也发现了该方法的诸多弊端如迭代收敛性问题等等。由此人们 又提出了符号法”】用以克服这些问题，但符号法的计算量很大，在实用中受到 了很大的限制。另外，人们也提出了一种应用人工智能思想的方法一几何推理 法p 1 ( 或称规则法) 。这种方法把约束集及所约束的几何元素用图论的方法表示 出来，然后对约束图进行几何推理以确定各几何元素的参数值。这种方法由于 简洁、计算量小，因而在实际应用系统中得到了广泛的应用。 通常，参数化设计是指零件或部件的形状比较定型，用一组参数约束该几 何图形的一组结构尺寸序列，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应，当赋予 不同的参数序列值时，就可驱动达到新的目标几何图形，其设计结果是包含设 计信息的模型【1 0 】。参数化为产品模型的可变性、可重用性、并行设计等提供了 手段，使用户可以利用以前的模型方便地重建模型，并可以在遵循原设计意图 的情况下方便地改动模型，生成系列产品，大大提高了生产效率。参数化概念 的引入代表了设计思想上的一次变革，即从避免改动设计到鼓励使用参数化修 改设计。 目前，参数化设计的研究范围已由最初的二维图纸参数化设计发展到了覆 盖产品的整个生命周期参数化设计，研究的对象除了传统的二维图纸、三维 零件实体等以外，还包括零部件间的装配关系i l l , 1 2 ，产品特征【13 1 ，产品变型 设计【1 4 】等产品层次的参数化表示模型。这使得参数化自身的含义得到了进一步 的拓宽。这些研究无疑将会进一步提高产品的设计和生产效率，同时也是将来 一段时间的热点问题。 1 3 2 香蕉形直线振动筛 为满足市场上单位面积处理能力大，筛分效率高，不易堵孔的振动筛的需 求，2 0 0 2 年6 月，鞍山市重型矿山机器厂针对传统筛的物料分布，筛面倾角， 振动指数，处理能力，筛分效率等几个关键技术参数，通过实验，应用现代振 动理论和技术技能，经过分析对比，研制香蕉形多段筛面直线振动筛。申报国 家专利并获得批准。这种振动筛是在直线振动筛上注入香蕉形多段筛面的专有 技术设计而成的，并在生产中取得了显著的应用效果l l 引。 该成果主要应用于煤炭、冶金、矿山、建材等行业的物料分级和脱水、脱 介。其技术原理是利用多段筛面上的薄层物料快速分层、沉降，达到快速透筛 的目的，以提高单位面积处理量和筛分效率。本成果技术创新性、先进体现于 - 8 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 “香蕉形多段筛面直线振动筛专利技术，利用该技术开发出z x 系列香蕉形 直线振动筛具有生产能力大，筛分效率高，筛面耐磨等突出优点。主要技术性 能指标和生产能力高于传统筛的1 5 2 倍，筛分效率提高到9 0 9 5 。技术性能 指标与国外同类技术相比，优于澳大利亚约翰芬雷工程有限公司的h o n e r 筛和 德国申克公司的香蕉筛。 香蕉形多段筛面直线振动筛科技新成果2 0 0 4 年8 月通过了省级成果 鉴定，专家一致评定该成果的先进性、创新性体现于自行研究的“香蕉形多段 筛面直线振动筛 专利技术。筛机采用多段筛面，倾角递减，矩形筛孔的长宽 比随倾角递减，并对筛面倾角和筛孔长宽比进行了优化。 1 3 3 选题的意义 随着我国经济发展、技术进步，冶金、煤炭、矿山、建材、水电等各行业 迫切需要大处理量、高效率的振动筛进行筛分、脱水、脱介作业。发展国产大 型振动筛和香蕉形振动筛势在必行。进入2 1 世纪，国内一些振动筛制造厂采 用了新技术、新结构、新材料和新工艺，相继研制出大型冷矿筛、热矿筛，用 于冶金烧结矿粒度分级；大型直线振动筛，用于选煤厂的脱水、脱介。鞍山市 重型矿山机器厂开发出了大型各种规格的振动筛和香蕉筛，在生产中取得了显 著的应用效果。 在这种情况下，随着参数化设计的日益成熟，尝试运用a n s y s 参数化设 计语言( a p d l ) 建立香蕉形直线振动筛的有限元模型，并对其动力学特性进行分 析有着重要的现实意义。 1 4 课题主要研究内容 香蕉形直线振动筛是一种新型直线振动筛，已经用于生产实践，并取得了 很好的效果。在这样的背景下，本文以鞍山市重型矿山机器厂生产的大型香蕉 形直线振动筛z x t 4 3 9 2 为原型，对香蕉形宜线振动筛参数进行了设计计算；并 运用a n s y s 参数化设计语言( a p d l ) 建立了振动筛的参数化模型；最后对振动 筛模型进行了模态分析和谐响应分析。具体设计分析过程如下： ( 1 ) 以z x t 4 3 9 2 为原型，对香蕉形直线振动筛主要参数进行了设计计算， 结合v i s u a lb a s i c 软件，利用v i s u a lb a s i c 编程语言初步实现了振动筛主要参数的 9 舻 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 可视计算。 ( 2 ) 运用a n s y s 参数化设计语言( a p d l ) 建立了振动筛的参数化板壳模 型，实现了各板壳单元厚度、材料和部分尺寸、位置的参数化。 ( 3 ) 振动筛模态分析，确定振动筛的振动特性，固有频率和各阶振型。它 们是结构承受动力载荷设计中的重要参数，也是其他各类型动力学分析的基 础。分析振动筛的共振区，判断振动筛正常工作时，筛框是否共振。 ( 4 ) 振动筛谐响应分析，分析振动筛在周期激振力作用下的频响情况。重 点关注在工作频率下和停开机过共振区时的振动筛动应力、动位移，并分析振 动筛是否安全可靠，并为振动筛以后的改进提出建议。 一1 0 东北大学硕士学位论文第2 章香蕉形直线振动筛参数选择与计算 第2 章香蕉形直线振动筛参数选择与计算 振动筛主要有两方面的参数：运动学参数和动力学参数。运动学参数包括 抛掷指数、振幅、频率、安装倾角、振动方向角、物料运动速度、生产率等； 动力学参数有弹簧刚度、参振质量、激振力力幅、传给基础动载荷、所需电机 功率等。下面以鞍山市重型矿山机器厂生产的大型香蕉形直线振动筛z x t 4 3 9 2 为原型，进行香蕉形直线振动筛的参数选择与计算。 2 1 振动筛运动学参数选择 鞍山市重型矿山机器厂生产的大型香蕉形直线振动筛z x t 4 3 9 2 部分技术 特征如下表所示。 表2 1z x t 4 3 9 2 部分技术特征 t a b l e2 1t h ep a r t i a lt e c h n o l o g i cd a t a so fz x t 4 3 9 2 论文涉及的其它运动学参数选择如下： ( 1 ) 振幅的选择 振幅和频率是振动筛的重要参数。振动筛的振幅值必须足够大，以便将接 近筛孔尺寸的颗粒抛离筛面，减少堵孔；但振幅又不宜太大，否则牵制频率， 甚至因其太大会提高振动强度，降低构件使用寿命【l6 1 。通常采用低频大振幅， 高频小振幅，对于惯性式振动筛一般采用中频中幅，少数的也采用高频小振幅。 直线振动筛振幅彳= 4 6 r a m ，筛孔大者a 取大值，筛孔小者么取小值。即当用 于细筛时，宜采用小振幅；粗筛时宜采用较大振幅。这里取a = 4 r a m 。 ( 2 ) 安装倾角的选择 筛面安装倾角的口。的大小决定于所要求的生产率和筛分效率。当其它参数 确定后，筛面倾角大，则生产率高而筛分效率下降，反之则生产率低而筛分效 率高，所以当产品质量要求一定时，就应该选择一个合理的安装倾角1 4 j 。根据 实践经验，分级用惯性直线振动筛a 。= 0 0 一1 0 0 。香蕉形直线振动筛在入料端有 较大的斜坡筛面，随后紧接着以一定数目的角度逐级下降，直到出料口为止， - l l 东北大学硕士学位论文第2 章香蕉形直线振动筛参数选择与计算 入料端的斜坡筛面可使更多的物料通过筛面时有较高的筛分速度和较薄的物 料分层。因为大块物料较快地穿过陡坡，这种较早地使细的颗粒更快的接近筛 面，能相对不受阻碍地通过缝隙，所以，香蕉形直线振动筛具有较高的筛分效 率。本文中的香蕉形直线振动筛为三段筛，即有三个安装倾角，自入料端到出 料口三段安装倾角分别为2 5 0 、1 6 0 、6 0 。 ( 3 ) 振动方向角的选择 振动方向角6 的选择，主要根据机器的用途，用作筛分时，应保证有较高 的筛分效率和较高的质量。其次，应考虑所处理物料的性质，如物料的密度、 水分、粘性、易碎性和磨琢性等1 4 1 。经验表明，处理难筛分的物料时，振动方 向角选用6 0 0 ，对于易于筛分物料则可采用6 = 3 0 0 一4 0 0 ，我国的直线振动筛多 采用6 = 4 5 0 。这里振动方向角6 取为4 5 0 ( 在香蕉形直线振动筛中指振动方向与 水平方向的夹角) 。 2 2 振动筛动力学参数计算 直线振动筛动力学参数的计算步骤如下： ( 1 ) 确定隔振系统的频率l g ( 减振比) ，计算隔振弹簧刚度； ( 2 ) 计算振动筛计算质量； ( 3 ) 计算振动筛所需激振力力幅； ( 4 ) 计算振动筛所需电机功率； ( 5 ) 计算振动筛传给基础的动载荷。 2 2 1 计算隔振弹簧刚度k k = m l 。2 = m l 斜白) 2 ( 2 1 ) 式中：m ，为振动筛的参振质量，m 。= 3 2 0 0 0 k g ； 为振动筛的工作角频率，= 等= 7 6 4 4 r a d s ； z 。为振动筛频率比，对于非共振筛一般可取= 2 - 1 0 ，此处取为4 5 ； 则由公式( 2 1 ) 可得： k = 3 2 0 0 0 x ( 7 6 4 4 4 5 ) 2 = 9 2 3 3 4 9 9 n m 该振动筛共有四个弹簧座耳，2 8 个弹簧，则每个弹簧刚度为： 1 2 东北大学硕士学位论文第2 章香蕉形直线振动筛参数选择与计算 k ：k 2 8 ：