（材料加工工程专业论文）双振动电机激振模型及其在铸造中的若干应用研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 ，p、) 摘要 f 畸 ) 。 f 、0 振动机械在现代铸造生产中的运用越来越广，振动铸造设备的结构形式也多种多 样，但在振动铸造设备的设计及开发中，大多采用类比设计或经验设计，缺乏严谨的理 论指导。) 本文就铸造生产中采用的双振动电机驱动的若干振动设备：振动紧实台、振动 再生机、振动砂水分离及提升脱水设备的力学及数学模型进行了系统的理论探讨和实验 研究，试图为这些振动设备的开发设计提供理论依据。主要工作如下： 对常用的两种双振动电机的激振模式：平面双轴式激振和空间交叉双轴式激振，进 行了系统研究和测试。设计了双振动电机激振的多功能实验台，通过改变实验台的振动 模型和振动参数，对不同条件下不同方向上的加速度、速度、振幅等进行了大量的测试， 得出了不同振动模型和振动条件下加速度、速度、振幅的分布图，为新型振动设备的设 计与开发提供了理论和技术依据。 采用双振动电机平面双轴式振动模式，设计了新型消失模振动紧实装置。通过采用 不同的振动参数组合，可以达l r j - 维振动紧实的目的。孩振动装置电气线路简单、成本 低、容易操作和控制，可用于大多数消失模铸件的振动紧实7 7 采用双振动电机空间交叉双轴式振动模式，研制了一种新结构自摩擦旧砂振动再生 装置。相对于国内外的同类产品，本装簧具有结构紧凑、设备磨损小、再生率高、投入 少等优点。 采用双振动电机空间交叉双轴式振动模式，研制了一台振动砂水分离及湿砂脱水与 垂直提升设备该设备集湿法再生系统中的砂水分离、湿砂脱水与提升输送于一体，大 大简化了旧砂湿法再生系统。户刁 关键词：双振动电机激振振动模型砂粒紧实l e t 砂再生湿砂脱水 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t v i b r a t i n gm a c h i n e sh a v eb e e nw i d e l yu s e di n t h em o d e mf o u n d r yi n d u s t r y , a n dt l l e s 劬c 1 ：u r ef o r m so f f o u n d r yv i b r a t i n ge q u i p m e n t s a r ed i f f e r e n tw a y s h o w e v e r ，m a n y v i b r a t i n g m a c l l i l l e si no u rc a s t i n gi n d u s t r y a r e d e s i g n e da n dd e v e l o p e db ya n a l o g yo re x p e r i m e n t m e 也o d a n dt h e r ea t en o ts c i e n t i f i cd i r e c t i n gp r i n c i p l e si nt h ef o u n d r yv i b r a t i n ge q u i p m e n t s d e s i g n i n go rd e v e l o p i n g t h i sd i s s e r t a t i o na i m sa tp r o v i d i n gs o m e t h e o r e t i cd i r e c t i n gw a y s f o r 恤d e s i g n o rd e v e l o p m e n to f t h ef o u n d r yv i b r a t i n ge q u i p m e n t sw h i c ha d a p t t w o v i b r a t i n g m o t o r s ，i n c l u d i n gv i b r a t i n gc o m p a c t i o nt a b l e ，v i b r a t i n g u s e ds a n dr e c l a m a t i o ne q u i p m e n t ， a n dv i b r a t i n gd e h y d r a t i o ne q u i p m e n t m a i n w o r k sa r ef o l l o w i n g ： t w ok i n d so f v i b r a t i n gm o d e s u s e du s u a l l y , t h et w oa x e si nh o r i z o n t a lp a r a l l e lt y p ea n d t h et w oa x e si ns p a c e w i s ec r o s st y p e ，a r es y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e da n d t e s t e d i no r d e rt o t e s tt h ed i f f e r e n tv i b r a t i n ge f f e c t si nd i f f e r e n tm o d e s ，am u l t i f u n c t i o n a lv i b r a t i n ge x p e r i m e n t t a b l ei sd e s i g n e da n dm a d e t h r o u g hc h a n g i n gt h ev i b r a t i n gm o d e sa n dt h e i rp a r a m e t e r so f t h ee x p e r i m e n tt a b l e ，al a r g ea m o u n to f t e s t sa r em a d e t og e tt l l ev i b r a t i n ga c c e l e r a t i o n ，s p e e d ， a n da m p l i t u d eu n d e rd i f f e r e n tv i b r a t i n gc o n d i t i o n s t h ed i s t r i b u t i o nm a p so ft h ev i b r a t i n g a c c e l e r a t i o n ，s p e e d ，a n da m p l i t u d eu n d e r d i f f e r e n tv i b r a t i n gc o n d i t i o n sh a v eb e e nd r a w n ；t h e t h e o r e t i ca n dt e c h n o l o g i c a lm e t h o d sf o rt h ed e s i g n i n ga n dd e v o p i n go fn e w t y p ef o u n d r y v i b r a t i n ge q u i p m e n t s h a v eb e e n g e t 、 a n e w t y p ev i b r a t i n gc o m p a c t i o nt a b l ef o rl o s tf o r mc a s t i n g ( l f c ) i sd e s i g n e db y u s i n gt h ev i b r a t i n gm o d eo ft h e t w oa x e si nh o r i z o n t a lp a r a l l e lt y p e t h r o u g ha d o p t i n g d i f f e r e n tv i b r a t i n gp a r a m e t e r sa n dw a y s ，i t sv i b r a t i n gc o m p a c t i o nr e s u l tf o rs a n dp a r t i c l e si s e q u i v a l e n tt ot h er e s u l to f at h r e e d i m e n s i o n a lv i b r a t i n gc o m p a c t i o nt a b l e t h ec o n s t r u c t i o n o ft h en e wv i b r a t i n gt a b l ei ss i m p l e r , i t so p e r a t i o na n dc o n t r o la r ee a s i e r , a n di t sc o s ti sa l s o l o w g rt h a nt h r e e d i m e n s i o n a lv i b r a t i n gc o m p a c t i o nt a b l e t h en e w m a c h i n ec a nb eu s e di n m a j o r i t yl f cp a r t s a n e w t y p er e c l a i m i n gd e v i c ef o ru s e ds a n dw h i c hb a s e so ns e l f - w e a r i n gr e c l a i m i n g p r i n c i p l ei sd e v e l o p e db ya d o p t i n gt h ev i b r a t i n gm o d e o ft h et w oa x e si ns p a c e - w i s ec r o s s t y p e c o m p a r e dw i t hs i m i l a rp r o d u c t sb o t hi n d o m e s t i ca n da b r o a d ，t h i sd e v i c eh a ss o m e s p e c i a la d v a n t a g e s ，f o re x a m p l e ，s t r u c t u r es i m p l e r a n dm o r ec o m p a c t ，w e a rp a r t s l e s s ， r e c l a i m i n gr a t eh i g h e r , c o s tl e s s a n ds oo n p r a c t i c eu s es h o w s t h a tt h er e c l a i m i n gr a t ef o r w a t e r - g l a s su s e ds a n d i sv e r y h i 9 1 1 。a 。n e w - t y p e e q u i p m e n t f o r w e t s a n d d ，e h y d r a t i n g , a n d p e r p e ，n d i c u l a r h o i s t i n gi sa l s o 1 i 华中翌兰查竺垒! 兰兰二 i 忑焉忑ii 妇啭t h e d e v c l o p e db ya d o p t i n g v i b r a t i n g m 出a o d t e d e 兰兰二孟：= 磊磊a n di t ：函i i e ： 州邮m i n t e g r a t e s w e t 。s 。a n dd e h y 出删篙? n ；= ：嚣瑟淼也e ，唧。s e 。r 二盎y t h ew e tr e c l a m a t i o ns y s t e m o fu s e d8 a n d r r a c t a 洲”“ k 妒。r d s ：t w o v i b r a t i n g m o t o r sd r i v i n g s a l l v i d b r d a c h y t i n g d 耐m o o n d e s s a n dp 删。l 。8 。m p 8 。t 1 。n u s e ds a n d r e c l a m a t i o n w e ts a l l do e n y u l 4 u u u 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的目的及意义 1绪论 振动在现代工业生产中的应用越来越广泛，振动设备越来越多，如振动紧实台、振 动输送机、振动筛分设备、振动破碎机、振动清砂机等等。由于以上振动设备结构简单、 磨损件少、环境适应性强，在铸造工业中得到了广泛的应用，大大提高了铸造车间的生 产效率，降低了工人的劳动强度，并取得很好的经济效益【j l 。 回顾国内外振动机械的发展，经历了由偏心轴驱动到振动电机驱动的发展历型2 1 。 以往许多振动机械通常采用偏心轴产生激振力。这类机械通过皮带轮传递电机产生的动 力，整个机械结构复杂，体积庞大，动力利用率不高，噪声也很大。近年来，随着人们 对振动机械研究的深入，以及振动电机技术的进步，越来越多的振动设备采用振动电机， 使得振动机械的结构大大简化，而工作性能大幅提高，呈现出机构向简洁化、功能多样 化的发展趋势。 在铸造行业中，振动机械的应用十分广泛，采用双振动电机激振的铸造设备越来越 多，比如：振动落砂机【3 l 、振动i b 砂再生机 4 1 、振动输送机口】等等。其实质是通过改变 振动电机的安装位置、安装角度、振动电机运转的速度、振动电机运行的数量( 一台运 行或两台运行) 等工艺参数，实现不同的使用功能。在铸造振动设备的设计和开发中， 我国的设计人员多采用类比设计和经验设计，缺乏较严谨的理论指导，其理论研究也比 较薄弱。因此，深入研究双振动电机的激振模型，对于合理设计及开发新型高效的双振 动电机铸造振动机械。具有十分重要的意义。 本文将系统研究和测试双振动电机激振下不同振动模型的振动参数，就铸造生产中 采用的双振动电机驱动的若干振动设备：振动紧实台、振动再生机、振动砂水分离及提 升脱水设备的力学及数学模型进行系统的理论探讨和实验研究，试图为这些振动设备的 开发设计提供理论依据和试验数据支持，并在此基础上，研制开发出若干种新型、高效、 实用的铸造用振动设备 1 2 振动在铸造中的若干应用及其研究概况 1 2 1 振动应用及激振方式 在日常生活中的大多数情况下，振动是一种不必要的、有害的现象，需要加以消除。 但在某些场合，如许多工程中，振动又是有益的，可以加以利用。对振动的利用途径， 有以下几方面【6 】： 华中科技大学硕士学位论文 1 ) 利用振动可以有效地完成许多工艺过程，提高某些机器的工作效率，这些利用 振动而工作的机械统称为振动机械。在矿山、冶金化工、发电、铸造、水泥、建筑工 地及粮食和食品加工等行业中，振动机械都得到了广泛应用。例如：振动输送机、振动 筛、振动离心摇床、振动球磨机、振动造型机、振动落砂机、振动夯土机、振动压路机 等。 2 ) 人为地实现需要的振动，达到特定的目的。如对机械进行动态特性试验、环境 模拟试验，以及振动切削、振动加工、振动时效，甚至对人体进行振动治疗等。 3 ) 利用机器设备运行过程中产生的振动信号，借助记录、分析、显示仪表，实现 运转过程的监控、故障的预测和诊断，甚至对于人体生理信号进行分析1 7 j ，以确诊病情 等。 在铸造企业中，各种形式的振动机械应用十分广泛。这些常用的振动机械按驱动装 置的型式，可大致分为电磁式、气动式、液压式和机械式p j 。 电磁式振动是根据通电导体在磁场力的作用下能形成运动的原理而制成的。当线圈 流过交变或脉动电流时，电磁铁产生的周期变化的电磁吸力带动台面上下运动。其主要 特点为：振动力和振动频率调整范围大，振幅小：振动波形不稳定，漏磁对台面的振动 有影响。 气动式振动是将压缩空气的流动转换成振动台台面的往复运动。其工作原理是利用 阀或特殊气缸控制气体的流量和方向来实现台面的振动。主要优点为：压缩空气振源易 得，控制方便，台面在振动过程中有一个压缩接触过程，台面工作频率调节范围大。其 缺点是：台面振动的波形直接受压缩空气性能影响，振动波形失真大，振动噪声大。 液压振动是将高压油液的流动转换成振动台台面的往复运动。其工作原理是利用控 制阀和功率阀控制高压油进入油缸的流量和方向来实现台面的振动。主要结构特点是： 能较方便的提供大的激振力，台面能承受大负载，故能做成大型设备；工作频率调节范 围大，台面由高压油驱动，避免了漏磁对台面的影响，台面振动的波形直接受油压及油 的性能影响，压力的波动和油液的温度变化等对其影响较大，故波形失真相对较大。 机械式振动又可分为直接驱动式机械振动台、冲击式振动台和离心式机械振动台。 其工作原理是：利用机械装置产生冲击，形成振动激振源；工作频率一般在l o o h z 内， 振幅可做得较大，但最小振幅不能太小，一般在l m m 左右：振动台需安装在坚固的基 础上。 这些振动机械的应用，大大提高了铸造车间的生产效率，降低了工人的劳动强度。 在这些振动装备中的物理模型、振动设备设计的结构形式等方面，发达的工业化国家已 经或正在进行了深入的研究【。 采用双振动电机激振，属于机械式振动中的一种形式，它具有结构简单紧凑、功能 多样、性能优良等特点，目前正在被广泛采用。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 消失模振动紧实 干砂的振动紧实是消失模铸造工艺的关键技术之一，它不仅要求要求砂子快速到达 模型周围形成足够的紧实度，而且在紧实过程中应使模型变形较小，以保证浇注后形成 轮廓清晰、尺寸精确的铸件【1 0 1 。干砂在振动状态下的充填紧实过程，是一个极其复杂 的散粒动力学过程【1 1 也】，一直为许多国家的铸造工作者所重视。 1 砂箱夹紧装置：2 振动台：3 , 4 振动电机( 共六个) ： 5 缓冲空气弹簧( 共四个) ；6 支撑：7 台面高度控制阀( 共四个) ；8 底座 图1 一l 三维振动台结构简图 消失模铸造的振动紧实一般采用高频振动电机进行多维微振紧实i l ”】，振幅在 0 3 一1 3 m m ，经过3 4 m i n 振动，完成散砂的流动、充填和紧实过程【1 5 叫州。在振动紧实 过程中，若振击力过大，砂箱中的砂粒将会对泡沫模样造成较大的冲击，有可能使泡沫 模样变形甚至断裂；振击力太小，又会导致紧实不足，达不到支撑涂料和抵抗液压头冲 击的作用，在浇注时会产生渗漏，夹砂等缺陷【1 7 叫9 】。国内外研制出了各种形式的三维 ( x 、y 、z 轴) 振动台【2 0 】，其结构之一如图1 1 所示。其结构特点为【2 1 l ：振动台支承 在四个缓冲空气弹簧上，并在其四边垂直方向和台面下水平方向分别安装6 台振动电 华中科技大学硕士学位论文 机，在振动台四角装有四个台面高度控阀，此外还有砂箱夹紧装置、支撑、底座以及气 动装置、控制装置等部分。x 、y 、z 轴方向的振动电机转轴采用自同步无强制性连接， 以不同的振动工艺启动振动电机( 包括启动振动电机的个数、位置、旋转方向、顺序、 阶段等) ，使砂子得到不同的运动形貌，满足各个方向干砂充填紧实的要求。三维振动 台采用单片机系统，编制程序进行控制。实验表明田j ，这种形式的振动台能满足多个 方向上的充填紧实。但这种类型的振动台因为采用编制程序进行控制，使得操作比较复 杂，而且设备结构较庞大，成本较高。国外近期的研究资料表明【2 ”，对大多数铸件， 三维振动的紧实效果并不比一维振动明显。最近，日本研究者a i k e n a g a 采用双振动电 机，通过改变电机的位置及电机转动相位，初步研究了一、二维振动紧实的机理。初步 的试验表明，一、二维振动也能实现干砂的紧实，甚至可以达到三维振动台的振动紧实 效果【2 4 】。 国内对千砂紧实振动的研究在这几年取得了一些进展，清华大学和华中理工大学先 后在国内刊物和专题会议上，发表了一些关于散砂振动紧实方面研究成果的论文【2 扣2 ”， 这些文章主要针对三维振动紧实机理和振动台紧实效果进行了一些研究，取得了一些成 果，但对采用双振动电机的振动紧实台实现一、二维振动紧实却鲜有研究。实践和研究 表明，对大多数铸件，三维振动的紧实效果与一维振动紧实的效果相比，没有太明显的 差别。实际生产中，国内外许多铸造车间在采用三维振动台的同时，也使用一维振动台， 而有的铸造工厂甚至将已有的三维振动紧实台改造成单维的双电机振动台进行使用。对 一维振动紧实的紧实机理和模型进行深入研究，并将其紧实效果与二维或三维振动比 较，用双振动电机单维振动取代六振动电机的二维或三维振动j 是消失模铸造中型砂紧 实的理想选择。 1 2 3 旧砂振动再生 我国年产铸件量超过1 0 0 0 万吨( 1 9 9 9 年已达1 2 0 0 万吨) 。生产吨铸件需要补充 一吨新砂，又将排放一吨旧砂，因此我国每年要排放旧废砂1 0 0 0 多万吨，废弃旧砂不 仅使资源消耗量增大，而且污染环境口2 1 。因此，旧砂再生已成为现代铸造生产中不 可缺少的组成部分。 振动再生是旧砂再生方式中的一种。其原理是利用振击力对旧砂块实施小幅度、高 频冲击，产生摩擦、剪切等作用，使旧砂块破碎成单一的散砂粒，并在此过程中，去除 旧砂粒表面残留的粘接剂膜 振动再生技术起源于国外，于1 9 7 5 年开始发展【2 9 1 。旧砂振动再生的过程【2 9 】是：将 打箱后的旧砂块投入振动的机体里，在振动电机的作用下，整个机体不停地振动，而引 起砂块之间的冲击、摩擦，以及砂块和振动体内壁、筛板之间的冲击、摩擦而破碎早 期的振动再生设备主要功能为破碎，仅带有甚少的再生作用。在振动再生技术的逐步发 展中，再生设备不断改进，已具有除破碎外还兼有初级再生的功能。铸造旧砂如呋哺树 4 华中科技大学硕士学位论文 脂砂的树脂膜由于具有脆性，在过筛破碎成粒之后的相互摩擦作用和强力除尘抽风，灼 烧量去除率可从3 5 增加到1 5 ，在铸件质量要求不高的情况下，已可满足生产 的需要。目前常用的振动再生设备如图1 - - 2 、图1 3 所示2 9 1 。 1 振动电机：2 开门装置：3 后墒扳；4 格筛 5 反转电机：6 抽风口；7 栅格；8 筛网 9 弹簧：1 0 机座 图1 2 具有破碎再生筛分除尘再生机 1 振动电机：2 减振垫座：3 冷却水排山口； 4 砂团输送螺旋：5 带冷却再生砂输送螺旋 6 抽风口；7 缈团反同口：8 内螺旋； 9 排出金属物解槽：1 0 冷却水入口 图1 3 多功能破碎再生机 图1 2 所示的再生机，为四方形结构。由位于再生机底部的两个振动电机相向转 动产生振击力，通过再生机机体将能量传递给旧砂块。旧砂在振击力的作用下相互摩擦、 碰撞、破碎，从1 日砂块上脱离的散砂粒通过栅格和筛网漏入砂斗，而金属杂物的去除由 位于再生机顶部的振动电机反转完成，再生过程中产生的灰尘由抽风口去除。该设备具 有破碎再生、筛分、除尘及去除金属等功能。我国有厂家生产类似设备。从该设备的结 构形式可以看出，其再生过程仅实现了旧砂块的破碎，对粘附于砂粒上的粘接剂膜没有 进行深入的处理再生的旧砂粒上的粘接剂膜并没有去除，再生砂的质量较差，对其回 用有很大的影响，与理想的再生效果仍有很大的差距。 图l 一3 所示为多功能破碎再生机，为圆筒形结构。它集破碎、再生、筛分、冷却、 螺旋输送向上排出、去除金属及除尘等多功能于一体，是一种较先进的振动再生设各。 破碎后的砂粒通过筛网落入再生机锥形底部，在振击力和旋转力矩的作用下，进入机体 外部相互重叠的螺旋输送槽，再生砂由一层螺旋槽向上输送，同时被槽底部的冷却水冷 却；在输送过程中，使砂粒表面的残留粘结剂进一步得到去除，而再生砂送至卸砂口时 排出。 以上两种再生机结构。图l 一2 所示的再生机结构虽然简单，但再生效果差，砂粒 s 华中科技大学硕士学位论文 表面的粘接剂膜去除不明显。图1 3 所示的再生机相对较复杂，结构形式较前一种先 进，但制造时加工精度要求较高。 由于振动再生的去膜率偏低，提高振动再生的去膜率是振动旧砂再生研究的主要方 向。 1 2 4 砂水分离与湿砂振动脱水 振动设备在砂水分离、湿砂脱水工艺中也有应用。湿砂中的水存在状态有三种：粘 结水、毛细水和自由水。粘结水是指牢固地粘结在砂粒表面的水分，这种水数量少( 一 般与砂粒的粒度大小有关) ；毛细水是指存在于砂粒隙缝之间的水分，其数量也不多( 其 数量与砂粒的粒形、粒貌有关) ；自由水存在于砂粒之间，数量大。湿砂的脱水一般是 指去除湿砂中的自由水和毛细水。常用的脱水方法有p 3 j ： 1 ) 自然脱水是使砂粒之间的自由水在重力作用下自然下落，最后通过透水介质流 出。透水介质是允许水通过而能将砂子截住的多孔物质。自然脱水法可靠易行，不消耗 动力，结构简单，维护方便。缺点是脱水速率慢，砂子残留水量高，设备体积大。 2 ) 压力脱水是借助空气的压力来增加水通过透水介质的能力，并借空气通过砂子 间隙所起的冲刷作用，使水加速沉降。此法脱水速率高，周期短。但脱水是在压力罐内 完成，设备成本高。 3 ) 机械脱水是以机械运动所产生的外力加速水砂分离，提高脱水速率。常用的有 螺旋脱水机、振动脱水筛、离心脱水机等。 螺旋脱水机【3 4 】主要由半圆形的长槽体、螺旋轴、端轴承、中间轴承、进料口、卸 料口，以及驱动装置等部分组成。螺旋脱水机的工作原理是：当螺旋轴转动时，由于物 料的重力及其与槽体壁所产生的摩擦力，使物料不与螺旋轴上的螺旋叶片一起旋转，而 只能在叶片的推送下沿着输送机的槽底向前移动。所以，物料在螺旋输送机中的运送， 完全是种滑移运动。槽体呈倾斜安装，物料向上输送，而水从槽体底部排出。这种脱 水装置结构简单，造价便宜；但输送单位物料功率耗量大、生产率低、槽体和螺旋叶片 有严重磨损、物料在输送途中会被轧碎、脱水率较低等等。 振动脱水筛【3 5 l 【3 6 】的工作原理是：利用过筛的原理，将水和细砂筛去或滤除。其脱 水效果仍很低，而且筛网容易堵塞，砂与机械零部件之间磨损严重。 离心脱水机【37 】为筒状结构，在脱水机的外简内，有与外筒同轴的筛网，筛网的 两端固定于旋转轴上将湿物料倒入脱水桶内后，开动脱水机，物料在离心力的作用下 紧贴予筛网上，物料上的水分在离心力的作用下与物料分离。以上三种脱水设备由于性 能较差，生产实际中使用较少 自然脱水和压力脱水这二种脱水方式由于没有足够的外力加速砂水分离，脱水后砂 子含水量在1 7 2 0 左右，只能用于再生砂初步脱水。而机械脱水存在的问题是：砂与 机械零部件之间磨损严重，某些关键问题，如振动机械在什么样的结构形式、振动模型 6 华中科技大学硕士学位论文 下脱水效果最好，并没有解决。 在本课题组研制的水玻璃旧砂湿法再生系统【3 8 】中，采用机械式脱水方式对湿法再 生的湿砂进行脱水。整个系统采用了三台设备：湿法再生机、砂水分离机、提升输送机。 旧砂在湿法再生机中经湿法擦洗再生后，送入砂水分离机将砂粒从水中分离出来，然后 送入振动提升脱水机进行初步脱水，并提升输送到后续工部进行干燥处理。分析认为， 可将砂水分离机和提升输送机集成为一体，这样有利于降低整个系统的成本。本课题的 目的之一是试图研制一种新型砂水分离与脱水提升设备，它集砂水分离、湿砂预脱水及 提升输送等功能于一体，简化水玻璃旧砂湿法再生系统，并确保该设备出口处湿砂的含 水量减为1 肚1 5 甚至更低。 1 3 本研究的目标及内容 本位将系统深入的研究双振动电机的激振模型及参数，并在此基础上开发三种新型 振动设备，具体研究内容如下： l 、针对两种振动模型：平面双轴式激振和空间交叉双轴式激振，设计双振动电机 激振的多功能实验台，通过改变实验台的振动模型和振动参数，对不同条件下不同方向 上的加速度、速度、振幅等进行测试研究，力图得到不同振动模型和振动条件下加速度、 速度、振幅的分布图，为新型振动设各的设计与开发提供理论和技术依据。 2 、采用双振动电机平面双轴式振动模式，设计新型消失模振动紧实装置双振 动电机振动紧实台。力图通过多种不同的振动参数组合，从理论上对一些典型消失模铸 件的振动紧实方法进行归纳总结，为其实际生产提供参考。 3 、采用双振动电机空间交叉双轴式振动模式，研制一种新结构自摩擦旧砂振动再 生装置，力图实现再生机结构简单、再生效果好等优点。 4 、采用双振动电机空间交叉双轴式振动模式，研制一台集湿法再生系统中的砂水 分离、湿砂脱水与提升输送于一体的振动砂水分离及湿砂脱水与垂直提升设备，简化水 玻璃旧砂湿法再生系统。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 多功能试验台设计及不同振动模型下振动参数的测试 根据双振动电机激振的特点，设计研制了一台多功能试验台，在该试验台上对双电 机驱动的不同振动模型及其振动参数，进行测试研究。 2 1 双振动电机激振模型 铸造生产中，双振动电机激振模型如图2 一l ，图2 2 所示。图2 1 为平面双轴式 激振模型，图2 2 为空问交叉双轴式激振模型。 澍试舒体 a ) 电机安装于振动台底部b ) 电机安装在振动台两侧 图2 1 振动电机轴线水平布置、 澈i 体 澈雠。 吼 罄匀 a ) 电机安装于振动台底部b ) 电机安装于振动台两侧 图2 2 振动电机轴线空间交叉布置 2 1 1 平面双轴式振动 平面双轴式振动模型中的双振动电机转轴采用自同步无强制性连接，故两振动电机 之间的相位差巾仅存在两种情况：即由= o 。和巾= 1 8 0 。相对于这两种相位差角，振 动的力学模型分别为1 2 4 l ： 3 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 当相位差巾= o 。时，平面双轴式振动的力学模型为： 0 = 二 其中：i t i o 为偏心块质量；u 为偏心块角速度；y 为偏心距。 该力为圆周径向力，即在水平方向和垂直方向都有力的作用p ，、p 。与此同时， 振动电机产生的力存在力梯度，它是水平方向上的力和垂直方向的力相互连接的桥梁。 ( 2 ) 当相位差巾= 1 8 0 。时，平面双轴式振动的力学模型为： r 只，= 4 m 。盯2 r k 。 即在水平方向上，振击力p ；= 0 ，振击力主要作用在垂直方向上，p 。即为垂直方向 的作用力。 其中：m o 为偏心块质量；u 为偏心块角速度；y 为偏心距。 根据以上的相位差角分析，振动形式可组合为两电机同向、两电机反向、单电机旋 转运动三种情况。 2 1 2 双电机交叉双轴式振动 图2 - - 2 所示的双电机交叉双轴式振动的力学模型如图2 3 所示。当双振动电机运 转时，偏心块水平方向的力互相抵消而为零，只存在铅直方向上的力只和绕铅直方向 的力矩肘。其数学描述如公式所示f 3 9 】： ( 1 ) ( 2 ) 其中：m 。指偏心块质量： 为电机角速度； y 为偏心矩： b 为两电机主轴线之间的距离； 0 是指电机主轴与铅垂方向的夹角。 从上式可以看出，当b 取不同的值而0 不变时，铅直方向上的振击力只不变，而 绕铅直方向的力矩肘：将发生变化：当0 变化而b 不变时，铅直方向上的振击力p ，随0 地变化而变化，绕铅直方向的力矩m ：不变。因此不同的b 和0 值可产生不同的振击力 只和力矩m ：，这为实现不同的设计要求提供了理论依据。 9 口 臼 l 宝 细 椰 慨 4 = 驴 丝 r j 、l l 华中科技大学硕士学位论文 图2 3 空间交叉双轴式振动力学模型示意图 2 2 多功能试验台设计 为了便于研究在相同物理条件下、不同振动模型的特点，本课题所有与振动有关的 试验都计划安排在同一振动试验台上进行。为了能同时实现平面双轴式振动模型和空间 交叉双轴式模型，必须对试验台进行合理的设计。振动台设计，必须考虑以下几个方面： 能保证所选用的振动电机同时满足各个试验的需要，各试验装置的满载重量要相当；便 于设计加工，各试验装置与试验台紧固部位的尺寸必须一致；为了将振动电机产生的能 量传递给试验装置，振动台必须具备一定的刚性。 2 2 1 振动电机的选取 要在同一试验台上做三个不同的试验，必须保证各个试验所用到的试验装置重量相 当。根据试验和有关资料介绍，消失模铸造用振实台的振动加速度a 宜在1 0 9 2 0 2 ( g 为重力加速度) 之间【4 0 l 。过小，效率低：过大，会造成振动紧实试验中泡沫模样损坏 或者上浮。当a 1 5 9 时，其充填密度增加缓慢。本设计选用乜= 1 o g 。鉴于我国生产 的振动电机最大转速为30 0 0 r m i n ，所以选用振动频率为5 0 h z 。有效负荷g ( 砂箱、 砂子等重力之和) 根据实际工艺要求设定，本试验台设计时选g = 2 5 0 n 。振动台架自 重g 自为7 5 0 n 因为本设计对振动电机采用两振动电机自同步无强制性连接，故各项激振力为两台 振动电机的激振力之和，初选激振力与参振重力之比【2 2 】为：1 ：5 ，则每台振动电机的 激振力p # 一5 ( g + g 自) ，2 这里，p # = 25 0 0 n 初选两台新乡新兰贝克振动电机 有限公司生产的x v m 2 5 - 2 型o 2 5 k w 的振动电机，其技术参数如表2 一l 所示。 表2 1x v m 2 5 2 通用型振动电机技术参数 1 0 华中科技大学硕士学位论文 多功能试验台上将进行散砂紧实、旧砂再生和湿砂提升脱水等三个试验。 在散砂的紧实过程中，由于振动的作用，导致散砂在砂箱中产生局部的流动，散砂 中的空气随着紧实度的增加而排出，混入散砂粒中的粉尘随着振动的作用散逸到空气， 产生大量的灰尘。 旧砂再生试验属于机械式干法振动再生，试验用旧砂采用的是水玻璃旧砂。在旧砂 再生的过程中，不可避免会产生大量灰尘。 而湿砂提升脱水试验中脱掉的水分，虽然绝大部分从排水1 2 1 排掉，仍有一些水分附 着在提升脱水设备上，因而工作环境比较潮湿。 综合以上所述的情况，设备将工作在多灰、潮湿和碱性的工作环境中。因此，所选 用的振动电机必须具备防尘防潮的功能【4 ”。从所选用的振动电机的铭牌可以看出振动 电机的防护等级为i p 5 5 级，满足设计要求。 2 2 2 多功能试验台弹簧的设计计算与选用 根据相关的设计资料【4 2 】，对多功能振动试 验台所用的弹簧设计如下。由振动电机的技术 参数知道：振动电机单机的最大振击力为 2 5 0 0 n 。而振动试验台可能的最大载荷是 1 0 0 k g 。因此，振动台的最大和最小工作载荷为： f o m a x - 1 0 0 1 0 + 2 5 0 0 2 = 6 0 0 0 n f o m i n = 1 0 0 1 0 - - 2 5 0 0 2 = - - 4 0 0 0 n 这里，f o 咖取为0 。 根据振动台面的形状，拟采用4 个弹簧， 对于每个弹簧，其受到的最大和最小的工作载 荷为： f 。= 6 0 0 0 n 珥= 1 5 0 0 n f m i n = 0 选用6 5 m n 钢作为弹簧材料，该材料的强 度参数为： 【t 】= 4 5 5 m p a 【o 】b = 5 7 0 m p a g = 7 9 x1 03 m p a e = 2 0 6 x1 03 m p a ( 1 ) 初选材料直径为：d = 5 m m ( 2 ) 初选弹簧参数为：c = 8 ( 3 ) 求取弹簧丝的直径d ： 图2 4 弹簧参数示意图 华中科技大学硕士学位论文 k ：竺+ 业堕；1 1 8 4 4 c 一4c d 扎6 望赶：1 6 ，1 1 8 4 x 1 5 0 0 x 8 ：5 7 7 珊所 、【r 】 v 4 5 5 圆整尺寸，d 取6 m m ，则d 2 = d c = 6 8 = 4 8 m m ，取d 2 = 5 0 r a m 。 ( 4 ) 求弹簧的有效圈数n ： = 一芒苌划器- z o 盯：竺：! ! ! ! ! ：! ! ! 登：1 5 4 8 f m 。c 3 8 1 5 0 0 8 3 圆整，考虑到实用性及制造的要求，取n = 3 ，总圈数为n 1 = n + 2 = 5 圈。 ( 5 ) 弹簧压紧时相邻簧丝间距6 ，弹簧节距p ，自由高度h o ，螺旋升角y ，簧丝 长度l ： 8 0 1 d = 0 1 6 = 0 6 ，取8 = l 。 p = d + 。n + 6 = 6 + 2 0 3 + 1 = 1 3 6 7 h o = n p + 1 5 d = 3 1 3 6 7 + 1 5 6 = 5 0 m m 圆整，取h o = 5 0 r a m 。 无载荷作用下的螺旋升角y = 口r c 噜去= 口r c 喀黑、亍5 1 。满足螺旋升角 ，= 5 。9 。的范围。 弹簧簧丝展开长度：三= 盟= 掣= 7 5 6 6 9 m m 。 c o s yc o s ) j ( 6 ) 稳定性计算：b = h o d 2 = 5 0 5 0 = 1 5 3 ，故不会失稳。 根据以上计算所得，选用如下参数的弹簧：d = 6 m m ，d 2 = 5 0 m m ，h o = 5 0 m m 。 2 2 3 振动台结构设计 振动台各个部件必须具备一定的刚性，以便将振动传递给振动设备。为此，振动台 采用角钢为框架，振动台台面用厚度为5 m m 的钢板焊接而成，在上下台面之间焊以加 强筋，对大台面进行支撑，确保其刚性。 固定振动电机的基础根据强度计算，采用5 m m 的钢板按照振动电机的技术要求， 采用m 1 2 的螺钉进行固定 整个振动台如图2 5 所示。后续的试验将在其上进行。振动台的装配图见附录3 所示。 华中科技大学硕士学位论文 2 3 振动试验方案 根据平面双轴式和空间交叉双轴式两种 振动模型，设计如下几组试验方案。 2 3 1 采用平面双轴式振动模型的振动试验 在此振动模型下进行如图2 6 至2 1 1 所示的6 种振动组合试验。 2 3 1 1 当振动电机安装在振动台底部时 ( 1 ) 双振动电机反向转动，此时两电机 之间的相位差为1 8 0 。( 如图2 6 所示) 图2 5 多功能振动试验台照片 图2 - - 6 双振动电机反向转动示意图 从图中力的分解可以看出，振击力的水平分量相互抵消，而垂直方向上的分量相互 叠加。振击力只要作用在垂直方向上。 ( 2 ) 双振动电机同向转动，此时两电机之间的相位差为0 。( 图2 - - 7 所示) ： 图2 - 7 双振动电机同向转动示意图 从图中可以看出，振击力在水平方向和垂直方向的分量的指向是相同的，振击力在 这两个方向上相互叠加，振动台的运动形式为摇振。 ( 3 ) 双振动电机采用一台振动电机运转，而另一台振动电机停转( 图2 - 8 所示) ： 华中科技大学硕士学位论文 歹。 融 图2 - - 8 单振动电机转动示意圈 从图中的振击力分解可以看出，振击力在水平和垂直方向都有力的作用，但是，在 振动台不同地方，其作用强度是不一样的。 2 3 1 2 当振动电机安装在振动台两侧时 ( 1 ) 双振动电机反向转动，此时两电机之间的相位差为1 8 0 。 ( 图2 9 所示) ： ， 瞻 图2 9 双电机反向转动示意图 ( 2 ) 双振动电机同向转动，此时两电机之间的相位差办p 。( 图2 一1 0 所示) ： 、 聪 f 图2 1 0 双电机同向转动示意图 ( 3 ) 双振动电机采用一台振动电机运转，而另一台振动电机停转( 图2 1 l 所示) ： 图2 1 1 单电机转动示意图 1 4 华中科技大学硕士学位论文 当振动电机的安装位置不同( 振动台底部和振动台侧面) ，振击力的作用强度是不 一样的，有必要对之进行试验测试，并找出导致差异的原因。+ 为今后的设计提供参考。 2 3 2 空间交叉双轴式振动模型时的振动组合 在此振动模型下进行如图2 一1 2 至l 1 3 所示的2 种振动组合试验。 ( 1 ) 振动电机安装在振动台底部( 图2 1 2 所示) ： 綦自台台霹 一一 图2 1 2 振动电机安装在振动台底部示意图 b ) 振动电机安装在振动台两侧( 图2 1 3 所示) 图2 - 1 3 振动电机安装在振动台两侧示意图 两振动电机空间交叉安装时，安装位置的不同，体现在公式( 3 ) 中的b 不同，即 两振动电机之间的距离不同。b 的不同，使得旋转力矩不一样，这为设计采用同一类振 动模式、而对振动效果要求不同的设备提供了方便。 、 2 4 不同振动方案下振动参数的测试方案及测试位置 针对上述振动试验方案，在振动台台面上不同点对振动参数进行测试。这些振动参 数包括振动加速度、速度及振幅。测试内容包括垂直于振动台台面的振动参数和平行于 振动台台面的振动参数垂直于振动台台面参数的测量点如图2 1 4 所示，平行于振动 台台面的参数的测量点如图2 1 5 所示 对振动加速度、速度和振幅，采用北戴河无线电厂生产的z c y 一1 振动测量仪进行 测量，如图2 1 6 所示。传感器为压电式加速度计，它可测量机械振动与冲击的加速度、 速度、振幅的峰值与真有效值，这些测量值在数字显示器上以数值的形式显示出来。根 据操作说明书知道【4 3 】：z c y 一1 振动测量仪按配用1 0 1 0 0 p c m s 2 灵敏度的传感器进 行刻度、计算在本试验中，传感器的灵敏度采用1 2 5 p c m s 华中科技大学硕士学位论文 可，i 隔订 l 刨【纠【!l j 幽监 团圆医 虱团区 = 刁石习ea 矗习而芦 生，j 世纠世划世刿世生 刃固匝虱圈匮 司网聒习同厨 l 攘嗣 电机i i 一 _ j 一 鼠加 一 图2 - - 1 4 垂商丁振动台台面参数的测量点位置示意图 山 团 囱 l 塑i 一 面 一 图2 1 5 平行于振动台台面的参数的测量点位置示