（工程力学专业论文）基于MATLAB的选矿用振动筛振动特性研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 选矿用振动筛是振动机械的一种，是选矿设备中的关键设备之一。近年来，一种新 型的选矿用振动筛一梯流棒条筛研制成功，并逐渐被推广，但是目前有关梯流棒条筛 扳动特性方面的研究成果很少。 本文从工程实际出发，应用振动理论和计算机软件对梯流棒条筛的振动特性进行综 合研究。研究的目的及主要内容包括：研究梯流棒条筛的工作原理、力学模型、结构的 固有特性，特别是激振力及激振点的选取对振动特性的影响；应用m a t u 蛆软件分析 梯流棒条筛的振动特性，建立梯流棒条筛振动的力学模型，编制仿真程序：基于振动分 析原理，动用测试手段及数字分析系统对梯流棒条筛进行试验模态分析，从而为计算机 仿真提供试验依据；根据试验依据修改及完善计算机仿真程序。 本文的研究成果及结论有：以z r b f1 3 0 0 * 3 0 0 0 * 6 5 0 振动筛为切入点，进行了橡胶 弹簧压缩、剪切弹簧刚度的测定实验，应用i n v 3 0 3 智能信号自动采集处理分析系统对 振动筛的固有特性进行了测试。通过理论分析和实验验证建立了z r b f1 3 0 0 3 0 0 0 t 6 5 0 振动筛的线性振动理论力学模型，力学模型包括铅直平面内的竖直、水平和摆动三个自 由度。根据振动筛力学模型建立了m a t l a b 仿真程序，并且仿真分析了各个基本参数 的改变对振动筛筛面运动轨迹的影响。其中筛体总质量、转动惯量、筛体质心的位置、 激振中心相对筛体质心的位置等基本参数都对筛面运动轨迹有直接的影响，振动筛的非 对称结构及激振点位置的广泛选择可以得到更合理的筛面运动轨迹，合理设置相应的基 本参数可以得到比较理想的筛面上各点的仿真运动轨迹。其中激振中心距质心的位置也 就是激振点的选取对筛面运动轨迹影响撮大，当激振中心距质心的左上方( 或右下方) 等位置时，可以实现进料端椭圆长轴向中间位置倾斜( 基本直立) 的周时出料端椭圆长 轴直立( 远离中间位置) 等有应用价值的多种组合，从而满足不同的工艺需要。 本文的独特之处在于：在建立振动筛力学模型的时候考虑橡胶弹簧的压缩和剪切两 个方向的弹簧刚度，同时充分考虑竖直、水平和摆动三个自由度之间的耦合；在仿真分 析激振点、激振力的选取对振动筛振动特性的影响时，不局限于筛体质心位于两个支撑 点的中间位置，也不局限于激振中心位于质心的正上方和正下方，而是全面综合考虑筛 体质心前置或后置以及激振中心相对质心位于任何位置时对筛面运动轨迹的影响；应用 m a t l a b 软件的强大功能对振动筛筛面的运动轨迹进行仿真分析，分析总结各个基本 参数的改变对进料端和出料端椭圆轨迹长轴指向的影响，为优化设计提供了仿真数据。 内蒙古科技大学硕士学位论文 s t u d y0 nt h ev i b r a t i n gc h a r a c t e ro fv i b r a t 烈g s c r e e n sf o r o r eb e a s dm a t l a b a b s t r a c t v i b r a t i n gs c r e e n sf o ro r e i sav i b r a t i n gm a c h i n e ，a n di ti sap i v o t a le q u i p m e n tf o rm i l lr u n an e w t y p ev i b r a t i n gs c r e e n sf o ro r e - - 一- - s t i c k ss c r e e n sh a db e e nd e v e l o p e da n ds p r e a d e d g r a d u a l l yi nr e c e n ty e a r s b u tr e s e a r c h i n gr e p o r t si nv i b r a t i n gc h a r a c t e ro f s f i c k ss c r e e n sa r e v e r yf e wa tp r e s e n t t h i st h e s i ss t u d i e sv i b r a t i n gc h a r a c t e ra b o u ts t i c k ss c r e e n sg e n e r a l l yb a s e do na c t u a l e n g i n e e r i n gb yv i b r a t i o n a lt h e o r ym a dc o m p u t e rs o f t w a r e ，t h es t u d y i n ga i m sa n dm a i nc o n t e n t s i n c l u d i n g ：s t u d y i n gw o r kp r i n c i p l ea n dm e c h a n i c sm o d e lo f s c r e e n s ，s t u d y i n gm a c h i n e r y s i n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c ，e s p e c i a l l yf o c u so nd r i v i n gp o w e ra n di t sp o s i t i o nh o wt oi n f l u e n c e v i b r a t i n gc h a r a c t e ro f s t i c k ss c r e e n s ；a n a l y s i sv i b r a t i n gc h a r a c t e ro f s t i c k ss c r e e n sb a s e do n m a t l a b ，e s t a b l i s h e dm e c h a n i c sm o d e lo fs t i c k ss c r e e n s ，w r i t ec o m p u t e re m l u a t o r ；d o i n gt e s t m o d ea n a l y s i so ns t i c k ss c r e e n sb ym e a s u r em e a n sa n dn u m e r i ca n a l y s i ss y s t e mb a s e do n v i b r a t i o n a la n a l y s i sp r i n c i p l e ，f o rc o m p u t e rs i m u l a t i o no f f e r e de x p e r i m e n t a ld a t a ；a m e n d i n ga n d p e r f e c t i n gc o m p u t e re m l u a t o rb a s e do ne x p e r i m e n t a ld a t a ， t h i st h e s i s sf r u i t sa n dm a i nc o n c l u s i o n ：f o c u so nz r b f1 3 0 0 4 3 0 0 0 + 6 5 0s t i c k ss c r e e n s t e s t e dc o m p r e s sa n dc u tr i g i d i t yo f r u b b e rs p r i n g , m e a s u r e di n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i co fs t i c k s s c r e e n sb yi n v 3 0 3b r a i n p o w e ra u t o m a t i cs i g n a lc o l l e c ta n da n a l y s i ss y s t e m t h r o u g ht h e o r y a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lp r o v i n ge s t a b l i s hl i n e a rv i b r a t i o nt h e o r ym e c h a n i c sm o d e lo f z r b f 1 3 0 0 + 3 0 0 0 + 6 5 0s t i c k ss c r e e n s ，m e c h a n i c sm o d e l c o m p r i s ep l u m b ，l e v e la n ds w i n gf r e e d o m d e g r e ei np l u m bp l a n e w i l t e dc o m p u t e re m l u a t o ri nm a t l a bb ym e c h a n i c sm o d e lo f s t i c k s s c r e e n sa n ds i m u l a t i n ga n a l y s i se v e r yb a s i cp a r a m e t e rh o wt oi n f l u e n c em o v e m e n tf f a c ko f s c r e e n s ss u r f a c e t h eb a s i cp a r a m e t e rs u c ha ss t i c k ss c r e e n s st o t a lm a s s ，m o m e n to f i n e r t i a , c e n t e ro f m a s s ，d r i v i n gp o w e r sl o c a t i o nt oc e n t e ro f m a s sa n ds oo nh a v ed i r e c ti n f l u e n c et o m o v e m e n t t r a c k o f s c r e e n s s u r f a c e a d o p t n o n - s y m m e t r ys t r u c t u r e o f s c r e e n s a n d a l t e r d r i v i n g p o w e r sl o c a t i o nc a ng e tm o r er a t i o n a lm o v e m e n tt r a c ko f s c r e e n s s u r f a c e ，o p t i m i z i n g c o r r e s p o n d i n gb a s i cp a r a m e t e r e a r lg e tm o r eu s e f u ls i m u l a t i n gm o v e m e n tt r a c ko f s c r e e n s s s u r f a c e t h e d r i v i n g p o w e r s l o c a t i o n t oc e n t e r o f m a s s t h a t h o w t os e l e c t d r i v i n g p o w e r s l o c a t i o nh a s t h em o s ti n f l u e n c et om o v e m e n tt r a c ko f s c r e e n s ss u r f a c e ，w h e nd r i v i n gp o w e r s l o c a t ea tl e f t - u pt oc e n t e ro f m a s s ( o rr i g h t - d o w n ) e t c ，l o n ga x i so f e l l i p s eo f e n t r yl e a nt oc e n t e r o f m a s s ( o re n d u p ) w h i l el o n ga x i so f e l l i p s eo f e x i te n d u p ( o ra w a yf r o mc e n t e ro f m a s s ) w h i c h i su s e f u li na c t u a la p p l i c a t i o n 一2 内蒙古科技大学硕士学位论文 t h i st h e s i s so r i g i n a lp o i n t ：w h e ne s t a b l i s hm e c h a n i c sm o d e lo f s c r e e n sc o n s i d e r c o m p r e s sa n dc u tr i g i d i t yo f r u b b e rs p r i n ga n dc o u p l i n gi np l u m b ，l e v e la n ds w i n gf r e e d o m d e g r e e ；w h e ns i m u l a t i n ga n a l y s i st h ei n f l u e n c eo f d r i v i n gp o w e ra n di t sl o c a t i o nt ov i b r a t i n g c h a r a c t e ro f s c r e e n sa r en e i t h e rl o c a l i z a t i o nt oc e n t e ro f m a s sa tm i d s tn o rl o c a l i z a t i o nd r i v i n g p o w e rl o c a t eu po rd o w nt oc e n t e ro f m a s s ，b u tg e n e r a l l yc o n s i d e rt h ei n f l u e n c et om o v e m e n t t r a c ko f s c r e e n s ss u r f a c eb yc e n t e ro f m a s sf o r w a r do rb a c ka n dd r i v i n gp o w e rl o c a t ee v e r y l o c a t i o nt oc e n t e ro f m a s s ；u s em a t l a b sp o w e r f u lf u n c t i o nt os i m u l a t i n ga n a l y s i sm o v e m e n t t r a c ko f s c r e e n s ss u r f a c e ，a n a l y s i se a c hp a r a m e t e r sc h a n g eh o wt oi n f l u e n c el o n ga x i s d i r e c t i o no f e l l i p s eo f e n t r ya ne x i t ，o f f e r e ds i m u l a t i n gd a t af o ro p t i m i z i n gd e s i g n k e yw o r d s ：v i b r a t i n gs e r e e n s 、l i n e a rv i b r a t i o n 、m a t l a b 、s c r e e n e do r e 一3 独刨性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加阻标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名：日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位i 仑文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：导师签名：日期 内蒙古科技大学硕士学位论文 引言 振动机械在国民经济中占有重要的位置，振动筛是振动机械中的重要一员。一直以 来有许多人对振动筛进行设计和研究，但是，振动筛的动态设计和计算机辅助设计近年 来刚刚起步。同大多数其它生产设备一样，我国振动筛的设计生产与发达国家相比，存 在着一定的差距。振动特性是振动筛非常重要的有别于非振动机械的一+ 个本质特点，却 往往被设计者和制造者简单化。客观的说，一般的振动都是非线性的，但在许多情况下 可以近似看作线性来处理。线性振动理论不论从基础理论还是实验技术方面近年来都有 很大的发展，特别是应用现代化振动测试仪器测量振动信号以及应用计算机软件来分析 处理振动信号，为从事振动研究的科技人员带来了极大的方便。 把振动的理论应用到工程实际中去，切实解决工程中遇到的实际的振动问题是研究 振动理论的根本目的。针对梯流棒条筛在生产实际中存在的出料不快的问题，应用线性 振动理论和振动测试仪器对梯流棒条筛的振动特性进行综合分析，从而找到解决问题的 办法是本文的目的。为了这一目的，需要通过实验测定橡胶弹簧的弹簧刚度，需要建立 准确的振动筛理论力学模型( 由实验验证) ，需要对该力学模型进行深入的分析( 借助 m a t l a b 软件进行仿真分析) 。 为了确保所做的研究符合工程实际，本文以z r b f1 3 0 0 3 0 0 0 6 5 0 振动筛为对象进 行了相关的研究，找出了各个基本参数改变后对筛面运动轨迹的影响规律，找到了解决 出料不快的问题的办法。对于其它的选矿用振动筛，可以根据具体的情况进行具体的分 析，把本文的研究方法应用到具体的问题中去。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 绪论 机械振动是- - f 既古老又年轻的科学，随着人类科学技术的不断进步振动理论得到 不断的发展和完善。机械振动在许多情况下是有害的，人们想方设法避免它：另一方 面，人们利用机械振动原理制造了各种机械或仪表来为人类服务。振动机械是2 0 世纪 后半期得到迅速发展的类机械，它是利用振动原理来完成各种工艺过程的机械设备。 选矿用振动筛是振动机械的一种，是选矿设备中的关键设备之一。随着我国经济建设和 科学研究事业的发展，新用途的振动筛将会不断涌现，使用也会越来越多。近年来，梯 流棒条筛研制成功，梯流棒条筛很好地解决了湿粘物料难筛分的问题。又由于这种振动 筛处理能力大，能耗低，性能价格比和其它振动筛相比较具有绝对优势，市场前景非常乐 观，对它迸行振动特性分析有着重要的理论意义和应用价值。现代科学技术，诸如模态 分析技术、线性振动理论与方法，为应用最新的科学技术，对选矿用振动筛的振动特性 进行全面和系统的研究，提供了坚实的理论基础。计算机技术的高速发展为振动研究提 供了功能强大的操作平台，并且多种工程计算软件纷纷被开发出来。其中，m a t h w o r k s 公司推出的 i a t l a b 以其强大的功能和易用性受到越来越多科技工作者的欢迎。它把计 算、可视化、程序设计融合到了一个交互的工作环境中，可以实现工程计算、算法研 究、建模和仿真、数据分析及可视化、科学和工程绘图、应用程序开发( 包括图形用户 界面程序设计) 等功能。它在美国等发达国家的大学里已经成为一种必须掌握的基本编 程语言，而在国外的研究设计单位和工业部门，更是旱已成为研究和解决工程计算问题 的一种标准软件。在国内也有越来越多的科学技术工作者参加到学习和倡导这种语言的 行列中来。应用m t l a b 软件对选矿用振动筛的振动特性进行研究，可以充分发挥计算 机技术的优势，为选矿用振动筛振动特性研究探索新的途径。 1 1 机械振动理论的发展状况及应用现状 振动理论是力学的个重要组成部分【1 1 ，人类对振动现象的认识有悠久的历史。振 动力学的物理基础在1 7 世纪已经奠定，到了1 8 世纪，振动力学已从物理学中独立出 来。最主要的成就为线性振动理论的形成，它是与数学中的常微分方程和偏微分方程同 步发展的。目前，振动及系统按运动微分方程的形式分为： 线性振动：描述其运动的方程为线性微分方程，相应的系统称为线性系统。线性振 动的一个重要特性是线性叠加原理成立。 非线性振动【2 】：描述其运动的方程为非线性微分方程，相应的系统称为非线性系 统。对于非线性振动叠加原理不再成立。 一2 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 在实际的振动机械或振动系统中，严格的讲，都是非线性的。但是，建立振动系统 的非线性力学模型难度大，求解困难，有些问题甚至无解可求。在实际的工程应用中， 很多情况下在误差允许的范围之内用线性的方法解决复杂的近线性问题。线性振动有确 定的力学模型一一线性微分方程，可以求得准确的解，能够描述出振动系统的主要特 征。由于用线性振动的方法能够解决众多的工程实际问题，线性振动的理论直倍受关 注，并且在理论和实验方面已经得到很大的发展和成熟。特别是多自由度系统的振动的 理论，可以说既是振动力学的核心又是应用得最广泛的振动理论。 线性振动在当今不仅是作为基础科学的力学的一个重要组成部分，而且正走上向工 程科学发展的道路，它在航空、机械、船舶、车辆、建筑、水利等工业技术部门中占有 愈来愈重要的地位。线性振动的应用可分为两个方面：一个方面是减少由于振动而造成 的危害，目的在于减振甚至于避免有害的振动；另个方面利用振动，如工业上常采用 的振动筛选、振动沉桩、振动输送以及按振动理论设计的测量传感器、地震仪等等就是 这方面的典型例子。 选矿用振动筛是振动筛选设各中的一种，线性振动理论在选矿用振动筛的设计制造 及生产运行中有着广泛的应用，有关这方面的内容将在下一节中详细介绍。 线性振动的理论在发展过程中产生了一个重要分支，那就是模态分析理论。 在对选矿用振动筛进行分析时，需要通过实验来验证理论的正确性，振动实验则需 要用到模态分析技术。模态分析技术从2 0 世纪6 0 年代后期发展至今已趋成熟【3 】。它和 有限元分析技术一起，已成为结构动力学中两大支柱。模态分析是结构动力学中的种 “逆问题”分析方法，它与传统的“正问题”方法( 主要是指有限元方法) 不同，是建 立在实验( 或实测) 的基础上，采用实验与理论相结合的方法来处理工程中的振动问 题。目前这一技术已发展成为解决工程中振动问题的重要手段，在机械、航空、航天、 土木、建筑、造船、化工等工程领域被广泛应用【4 j 。近十年来，模态分析理论吸取了振 动理论、信号处理、信号分析、数据处理、数理统计及自动控制理论中的有关“营 养”，结合自身内容的发展，形成了一套独特的理论为模态分析及参数识别技术的发展 奠定了理论基础。模态分析的基础理论概念主要包括：机械阻抗、导纳、传递函数( 或 频响函数) 、实模态、复模态等。模态测试技术主要采用同时测量输入及输出的方法， 对一个振动系统来说，可以表示成图1 1 所示的框图。 卜l 卜 统f 图11 模态分析框图 一3 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 通过测量激励和响应，进行模念分析可以确定系统。自从f f t 问世以来，目自u 广泛 采用宽频带激振技术。其中主要有脉冲、阶跃激励，快速正弦扫描等瞬态激励和纯随 机、伪随机、周期随机、瞬态随机等激励方法。此外，由于f 弦慢扫描技术测试精度 高，它仍不失为重要激励手段。模念参数辨识的频域方法有：分量分析法、导纳圆辨识 方法、正交多项式曲线拟合、非线性优化辨识方法等。模态参数辨识的时域方法与模态 参数辨识的频域方法不同，它无需将所测得的响应与激励的时间历程信号变换到频域中 去，而是直接在时域中进行参数辨识。它与频域法相比，两者所采取的分析路线不同， 如图l _ 2 所示。 频域法： l 时域 f f t l 频域l 传递函l 传递 l 参数l 模态 l 信号h信号劂函数矧参数 时域法 图1 2 模态参数辨识分析路线框图 时域法比频域法发展较晚，但近几年来有长足的进展。自7 0 年代以来主要有： i b r a h i m 时域法( 简称l t d 法) 、最小二乘复指数法( l s c e 法) 、多参考点复指数法 ( p r c e 法) 、特征系统实现算法( e r a ) 。模态分析技术在动态载荷识别、模型修正与 结构动力修改中有广泛的应用，结构动态特征灵敏度分析是非常重要的方法之一。模态 综合技术主要有组合系统法和模态综合法。随着电子技术与计算机技术的迅速发展，模 态分析已成为解决复杂结构振动问题的主要工具，并与计算机辅助设计( c a d ) ，计算 机辅助实验( c a t ) 相结合，进入产品设计阶段，作为计算机辅助工程中的重要环节， 有着广泛的应用。 1 、评价现有结构系统的动态特性 在处理结构的振动问题时，必须对其动态特性有全面的了解。结构的动态特性通常 用各阶模态参数如模态频率、模态振型及模态阻尼比等来描述。通过对结构的模态分析 可以求得上述动态特性参数，从而评价结构的动态特性是否符合要求，并校验理论计算 结果的准确性。结构的动态特性虽然可用有限元方法计算，但是，由于实际结构的复杂 - 4 - 内蒙古科技大学硕士学位论文 性，在建立有限元模型时所引进的一系列人为假设往往很难与实际结构相符，因此，计 算结果与实际情况往往不相吻合。模态分析是建立在实验基础上的，因此，所得到的动 态特性参数比较准确，特别是可以识别系统的阻尼。 2 、在新产品设计中进行结构动态特性的预估及优化设计 在新产品设计中，通常采用有限元分析方法计算结构系统的动态特性，但是，正如 上面所指出的，由于在建立有限元模型时，在边界条件的处理及力学模型的简化上，往 往预实际结构相差较大。用模态分析得到的模态参数对有限元模型进行修改，使其更能 符合实际，从而提高有限元分析的精度。用模态分析的结果进行结构动力修改，使动力 特性达到预定的要求，并使其优化，这亦是模态分析的目标之一。模态分析进入产品的 设计阶段，并与有限元分析、c a d 、c a t 、c a e 相结合构成所谓“理想设计过程” ( i d e a ld e s i g np r o c e s s ) ，是模态分析技术的一个发展方向。 3 、诊断及预报结构系统的故障 近年来结构故障技术发展迅速，而模态分析已经成为故障诊断的一个重要方 法。利用结构模态参数的改变来诊断故障是一种有效的方法。例如根据模态频率的变 化，可以判断裂纹的出现；根据振型的分析，可以确定断裂的位置；根据转予支承系统 阻尼的改变，可诊断与预报转子系统的失稳等等。 4 、控制结构的辐射噪声 结构辐射噪声是由于结构振动所引起的。结构振动时，各阶模态对噪声的“贡献” 并不相同，对噪声贡献较大的几阶模态成为“优势模态”。抑制或调整优势模态，便可 以降低噪声。而优势模态的确定，必须建立在实验模态分析的基础上。 5 、识别结构系统的载荷 某些结构在工作时所承受的载荷很难测量，这时，可以通过实测响应和由模态分析 所得到模态参数来加以识别。此方法在航空、航天及工程中应用较广。 1 2 选矿用振动筛的发展状况及应用现状 选矿用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。近2 0 年来，人们对选矿用振动筛的研究 取得了一些可喜的成果【5 】【6 j 【”。 选矿用振动筛机械动力学：选矿用振动筛机械系统的振动特性和动力学参数对筛分 工艺有重要影响，近几十年来选矿用振动筛的研制己取得了长足的进步【8 卜【2 9 】。选矿用振 一5 内蒙古科技大学硕士学位论文 动筛力学模型：选矿用振动筛按机械系统结构的力学原理，主要分为单质体和双质体两 大类。对以往工程中常用的选矿用振动筛，大都采用单质体集中质量力学模型，对有二 次隔振功能的选矿用振动筛和弹性连杆式选矿用振动筛，通常采用双质体集中质量力学 模型。在研究选矿用振动筛摆振问题时，需要考虑振动筛几何尺寸和质量分布，从而采 用连续体力学模型。目前已有的研究，一般采用刚性平板力学模型进行解析求解，研究 选矿用振动筛结构强度、刚度和各阶固有模态时，也采用连续体力学模型。对于大型选 矿用振动筛结构的弹性体力学模型，目前大都采用离散化数值方法，例如有限元模态分 析法。 选矿用振动筛筛分理论：科学有效的筛分方法，能提高振动筛筛分效率和生产能 力，在这方面的研究工作主要有两个方面。( 1 ) 物料在筛面上运动的理论模型，建立准 确实用的物料筛分理论，对合理选择选矿用振动筛的动力学和运动学参数至关重要，物 料在筛面上运动比较有代表性的理论有：单颗粒物料在筛面上的跳动模型理论；物料群 在筛面上的碰撞模型理论；物料群振动理论和单元层理论。( 2 ) 物料在筛面上的运动分 析，物料在筛面上的运动分析方法一般有两种，一种是以单颗粒跳动理论为依据，求得 物料理论平均速度的运动学参数，然后根据实验结果引入物料群相互影响系数加以修 正；一种是采用碰撞理论，提出物料群运动学参数。为了防止物料堵塞筛孔，人们也进 行了不懈的研究。针对选矿用振动筛目前所存在的强度低、使用寿命短、噪声大、共振 振幅大、工作动负荷大、轴承温升大等问题，多年来国内外研究人员一直在进行研究， 但却没有从根本上得到解决，为降低噪声，采取在侧板上加阻尼或约束阻尼板等，这样 处理造价昂贵，实际应用的不多，为抑制共振，采用橡胶弹簧。使共振有了明显的抑 制，但由于橡胶弹簧的高阻尼、散热性能差、弹簧的较大压缩量使横向稳定性差，引起 了选矿用振动筛能耗大、弹簧寿命低及选矿用振动筛产生了较大的横向摆动，所以实际 上应用橡胶弹簧的不多，大多采用阻尼消振装置，这又使选矿用振动筛结构复杂，造价 提高。对于工作动负荷问题，更是无法解决，如果采取两次隔振系统，又引起高的造 价。如何从根本上消除或减少选矿用振动筛所存在的这些问题，应该是今后选矿用振动 筛研究的主要课题。通过目前选矿用振动筛的理论研究和研制过程及选矿用振动筛所存 在的问题，可以看到：( 1 ) 选矿用振动筛向特大型化方向发展的可能性不大，在一段时 期内，将重点研究和研制结构新颖受力状态良好的选矿用振动筛，突破传统选矿用振动 筛结构的设计模式。由于经济发展的需要，将迫使人们研制较大型选矿用振动筛。( 2 ) 选矿用振动筛振动机理将突破传统的选矿用振动筛振动形态，而采取新的振动形式，从 根本上解决振动筛目前所难以解决的一些主要问题。( 3 ) 选矿用振动筛动力参数的确定 一6 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 也将有所突破，将采用概率统计的分析方法来确定动力参数。为此计算机辅助设计手段 和先进的测试实验技术将得到进一步的应用。( 4 ) 调液阻尼器( t l d ) 减振理论有可能应用 于选矿用振动筛通过共振区减振。 总的来说，选矿用振动筛力学模型方面以线性为主，在非线性方面大多是一种弹性 力为折线变化的硬特性非线性振动筛，目前混沌振动筛的研究有见报道【3 0 】。振动筛动力 学参数的的设计及计算方面解析法和有限元法并用。在选矿用振动筛设计方面以静态设 计为主，动态设计开始起步。 1 3m t i 肺软件的发展状况及应用现状 e t l a b 软件概述：m a t l a b 的名称源自m a t r i xl a b o r a t o r y ，是一门计算语言j 。 在工程计算领域，计算机技术的应用正逐步将科技人员从繁重的计算工作中解放出来。 在科学计算和工程应用的过程中，一些技术人员尝试用b a s i c ，f o r t r a n 以及c 语言编 制程序来减轻计算的工作量，但编制程序不仅要掌握所用语言的语法，还要对有关算法 进行深入分析。为了满足用户对工程数学计算的要求，一些软件公司相继推出了批数 学类科技应用软件，如m a t l a b 、x m a t h 、m a t h e m a t i c a 、m a p l e 等。其中，m a t h w o r k s 公司推出的m a t l a b 以其强大的功能和易用性受到越来越多科技工作者的欢迎。m a t l a b 以矩阵运算为基础，其基本数据结构是无需定义维数的矩阵。它把计算、可视化、程序 设计融合到了一个交互的工作环境中，可以实现工程计算、算法研究、建模和仿真、数 据分析及可视化、科学和工程绘图、应用程序开发( 包括图形用户界面程序设计) 等功 能。m a t l a b 的语法规则简单，编程方法更贴近人的思维方式，用m a t l a b 写程序犹如在 便笺上列公式和求解。而且m a t l a b 提供的软件工具箱为各行各业的用户提供了丰富而 实用的资源。由于m a t l a b 有这些优势，它在美国等发达国家的大学里已经成为一种必 须掌握的基本编程语言，而在国外的研究设计单位和工业部门，更是早已成为研究和解 决工程计算问题的一种标准软件。在国内也有越来越多的科学技术工作者参加到学习和 倡导这种语言的行列中来。 经过不断的发展，m a t l a b 现己自成体系。m a t l a b 系统包括五个部分：m a t l a b 语 言、i n t l a b 工作环境、m a t l a b 图形处理系统、m a t l a b 数学函数库、m a t l a b 应用程序 接口。 m a t l a b 的功能、特点、应用范围：m a t l a b 越来越广地被人们应用是源于它在求解 方程、数值计算、程序编写上的优点，而它的这些优点是由它的功能和特点决定的。 一7 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 m a t l a b 的主要功能：( 1 ) 数值计算功能，一条m a t l a b 语句相当于几十条c 语言 或f o r t r a n 语言的语句。( 2 ) 符号计算功能，利用m a t l a b 的符号计算功能可以清晰地 获得解的表达式，对于避免出错和提高程序的可读性均有很大的帮助。对于符号计算， 一些高级语言对此要么无能为力，要求必须将符号赋予具体数值才给与计算，应用非常 烦琐。而m a t l a b 将符号运算变得非常容易，就如同在草稿纸上演算式子一样方便。 ( 3 ) 数据分析和可视化功能，在科学计算和研究工作中，技术人员经常会遇到大量的 原始数据，而对数据的分析往往难于入手。m a t l a b 能将这些数据以图形的方式显示出 来，不仅使数据间的关系清晰明了，而且对于揭示其内在本质往往有着非常重要的作 用。h a t l a b 提供了良好的用户界面，许多函数本身会自动绘制出图形，而且会自动选 取坐标刻度，绘制出直角坐标、极坐标、对数坐标下的二维和三维图形，以及条形图、 直方图、等高线图、饼形图、离散数据图和瀑布图等专用图形。 ( 4 ) 文字处理功能。 m a t l a b 的主要特点：( 1 ) 功能强大，m a t l a b 不但在数值计算和符号计算方面具有 强大的功能，而且在计算结果的分析和数据可视化方面也有着其它类似软件难以匹敌的 优势。n o t e b o o k ，s i m u l i n k 功能以及各种专业工具箱将m a t l a b 的应用扩展到非常广的 领域。( 2 ) 界面友好、编程效率高，w i t l a b 的指令表达方式与标准教科书的数学表达 式非常相近，用户不需要有较高的计算机编程基础，只要按照计算要求输入表达式， m a t l a b 将为用户计算出结果。同时使用m a t l a b 语言设计的程序，其编译和执行速度都 超过了传统c 和f o r t r a n 语言设计的程序，在工程计算方面的编程效率也高于其它编程 语言。( 3 ) 扩展性强，m a t l a b 的最重要特点之一就是它的可扩展性。这个特点使得用 户能够自由地开发自己的应用程序。这些年来，许多使用m a t l a b 的科学家、工程师和 技术人员已经开发出相当多的不同领域的应用程序。 m a t l a b 的应用范围：m a t l a b 由主包和各种工具箱组成。主包是m a t l a b 的核心，工 具箱是扩展的有专门功能的函数。例如，控制系统工具箱应用于连续和离散系统设计、 频域和时域响应等控制领域；信号处理工具箱应用于自适应去噪和压缩、谱分析和估计 等信号处理领域：通信工具箱应用于信号编码、调制解调等通信领域。应用m a t l a b 的 各种工具箱可以在很大程度上减小用户编程时的复杂度，因此m a t l a b 在很广的领域内 得到了应用，其典型应用有：自动控制、图像信号处理、生物医学工程、语音处理、雷 达工程、信号分析、振动理论、时序分析与建模、化学、统计学、经济学等。 1 4 基于i 喱a t l a b 的选矿用振动筛振动特性研究现状 m a t l a b 软件的在工程上的应用非常广泛，在振动仿真方面的应用很多。在国外， p a r k ， j e o n gg y u 利用m a t l a b 作过振动仿真的研究d 2 1 ，对单自由度、多自由度振动系 一8 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 统，弦、杆、梁、板的振动进行了基本力学模型的振动仿真。也有许多人应用计算机对 选矿用振动筛的振动特性进行数值分析，但是m a t l a b 在选矿用振动筛上的应用却很少 见。有人使用m a t l a b 软件作过双质体振动筛的参数优化与仿真分析口3 1 ，对双质体结构 振动筛的降噪原理进行了阐述，并且对代用结构进行了监测，验证了双质体结构控制振 动筛噪声的有效性。研究中解决的关键问题是弹性元件的参数优选，该参数选择的自u 提 图1j系统简化图 条件是振动筛正常工作不受影响，也就是要保证工作频率下的激振力能够正常传递，工 作振幅不变，优化目标是降噪量最大。将双质体结构振动筛系统简化为图1 所示的两 自由度有阻尼的弹簧质量系统。在该系统模型中，将筛体简化成质量块，考虑了垂直方 向的弹簧刚度，但是没有考虑水平方向的弹簧刚度；又因为没有简化成刚体，因此没有 对摆动进行分析。不过通过应用m a t l a b 软件仿真来分析该系统，表明应用m a t l a b 软件 仿真是一种有效的研究振动筛振动的途径。 1 5 研究课题的提出及研究的内容 1 5 1 研究课题的提出 选矿用振动筛是冶金( 选矿) 设备中的关键设备之一，选矿用振动筛在重载、振动 状态下工作，所以在动态下常常出现各种形式的故障、甚至破坏( 如裂缝) 而造成严重 的后果，以往对这种设备结构上的不合理可能引起动态故障缺少必要的测试和分析手 段，因此往往在故障发生后才被重视，这在经济上造成了不可弥补的损失。萍乡钢铁厂 针对长期以来，3 0 1 号炉槽下返矿量过多，有时返矿率高达2 0 ，严重影响生产成本的 情况【3 4 1 ，于1 9 9 1 年5 月3 1 同利用3 0 1 号炉检修的机会，先后更换了槽下3 台旧式振动 筛，安装了t z s 型矿用振动筛，使用后效果较好，其年综合效益为3 4 2 7 万元。2 0 0 0 年包钢选矿厂闭路筛分系统1 0 台y a 2 4 6 0 圆振动筛在设备安装一年后，经常发生故障， 后来经改造运行正常d 卦。目前，国外在机械振动特性这一领域的研究十分活跃，而我国 一9 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 在这一领域的研究还较落后，这一技术在理论及实践两个方面都有待完善。近年来，梯 流棒条筛研制成功【3 6 j ，并逐渐被推广，但是目前有关梯流棒条筛振动特性方面的研究成 果很少。进行新型选矿用振动筛振动特性的研究，有利于改造和提升冶金( 选矿) 设 备，同时对其他振动机械的改造及优化设计、噪声的治理和振动利用、模态分析技术的 推广应用有着重要意义。采用计算机仿真技术及软件对振动筛进行动态分析，并将结果 与试验结果对比，找到一个精度高、误差小的计算机仿真方法，可大大降1 氐振动筛动态 特性分析和优化设计的成本，从而方便快捷的对振动筛进行动态特性分析和优化设计。 为了达到这一目的，需要研究选矿用振动筛的动态性能：振动筛的工作原理、力学模 型、结构的固有特性；应用计算机仿真技术及软件分析选矿用振动筛的动态特性；基于 动态分析原理，动用测试手段及数字分析系统对选矿用振动筛进行理论及试验模态分析 从而为优化设计提供理论及试验依据。对选矿用振动筛进行动态特性研究，可以提高振 动筛的筛分效率、提高生产率、延长产品使用寿命、降低设备噪声。 m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司推出的当今国际上最为流行的软件之一。由于它提供了 功能强大的矩阵运算、数据处理能力，人们首先称之为演算纸式语言。m a t l a b 提供了众 多的工具箱，s i m u l i n k 是m a t l a b 的主要工具箱之一，其主要的功能是对动态系统做适 当的分析，从而在可以做出实际系统之前，预先对系统进行仿真和分析，并可以做适当 的实时修正，增强系统的性能，减少系统反修改的时问，实现高效开发系统的目的。 s i m u l i n k 可以仿真线性或非线性系统，并能够建构连续时间或离散时间或是二者混合的 系统，甚至支持多采样频率( m u l t r a t e ) 系统，也就是不同的系统以不同的采样频率进行 组合，可以仿真较大较复杂的系统。基于m a t l a b 软件对选矿用振动筛进行振动特性研 究，可以更好的了解和掌握选矿用振动筛的振动机理。通过对选矿用振动筛进行实验模 态分析，为计算机仿真提供实验数据及修改依据，从而为矿用振动筛振动特性研究探索 新的途径。 1 5 2 研究课题的主要内容和拟解决的关键问题 1 、研究课题的主要内容 研究选矿用振动筛的振动特性：梯流棒条筛是近几年新研制成功的新型选矿用振动 筛，梯流棒条筛与其它筛分机械最大的不同在于它使用了悬臂分体式棒条筛板，改变了 筛分时物料的运动方式。它的关键技术之一在于选取适当的激振器口”、激振点、激振力 1 3 8 1 ，从而获得良好的振动筛分效果。本课题以梯流棒条筛为切入点，研究梯流棒条筛的 工作原理、力学模型、结构的固有特性，特别是激振力及激振点的选取对