（机械电子工程专业论文）轻型矿用接近共振筛的虚拟仿真研究.pdf

摘要 本文从工程实际出发，首先介绍了一种新型矿用接近共振的振动筛的特殊结 构及其在使用中的实际效果，提出了由于主振橡胶弹簧失效，导致振动筛不能正 常使用的问题。接着应用机械振动理论和多柔体系统动力学理论及相关计算机软 件对实际制造的三平方米轻型矿用振动筛的振动特性进行综合研究。 研究的主要内容及成果包括： 1 建立研究该振动筛的机械振动力学模型、对筛箱结构的固有特性，特别是激 振力及激振点的选取对振动特性的影响进行了分析；应用a n s y s 9 0 有限元分析软 件建立筛箱的有限元三维模型分析振动筛在各阶模态下的振动特性，利用机械振 动理论建立筛体的力学模型，分析振动筛主要的激振元件偏心块安装位置确定在 质心和力心适当分离时，振动系统的输出响应，分析所产生的附加摆动对振动筛 正常工作状态的影响。并分析当相关结构参数变化时，对系统输出的影响，寻求 更加合理的结构参数。利用a n s y s 9 0 建立筛体的有限元模型，对振动筛进行模 态分析，找出了振动筛筛框刚性较强和容易发生的疲劳断裂部位，得到了各阶模 态下振动筛的固有频率，为进一步分析振动筛使用失效的原因提供了依据 2 利用多柔体系统动力学建立该振动筛主要传递激励的弹性元件弹性梁的多 柔体系统动力学模型，在符号演算软件m a t l a b 7 0 4 的环境下，着重推导了平面梁 单元的建模中重要的一致质量矩阵及其导数，推导了动力学控制方程中与速度二 次项相关的广义力，n e w m a r k 一口法，计算了在二维空间中，弹性梁的动力响应， 得出弹性梁激振力输入端在振动筛工作条件下的响应曲线。 3 利用有限元分析软件a n s y s 9 0 建立橡胶弹簧的有限元模型，并对橡胶弹 簧进行了在不同载荷条件下的接触应力非线性分析得到了载荷一位移曲线，结合 弹性梁的响应曲线以及筛箱的有限元模态分析结果分析橡胶主振弹簧的实效原 因。 本文所获得的结论，为解决此三平方米矿用振动筛分机的改进及优化设计和 合理使用，提供了理论基础和事实依据。同时，本文的研究方法，也为振动筛及 其类似的振动机械的理论研究，提供了新思路和新方法。 轻型矿用接近共振筛虚拟仿真研究 关键词：共振筛多柔体系统动力学模态分析橡胶弹簧弹性粱 t h i st h e s i si n t r o d u c e san e wt y p er e s o n a n c es c r nw i t hs p e c i a lc o n f i g u r a t i o na n d i t sa c t u a le f f e c ti nu s i n g t h e nb r i n gf o r w a r dap r o b l e mt h a tv i b r a t i n gs c l e e n 伽n o t w o r kn o r m a l l yb 4 比a l l s co fi n v a l i d a t i o no fr o b b e rd a m p a tl a s t , as t u d ya b o u tt h i sl i g h t d u t yr e s o u a l w zf r e , e nb a s e do na c t u u le n g i n e e r i n gb y “b m t i o nt h e o r ya n dd y n a m i c so f f l e x i b l em u l t i - b o d ys y s t e mt h e o r ya n di n t e r r e l a t e dc o m p u t e rs o f t w a r e t h i sp a p e r c o m p l e t e dt h ef o l l o w i n g r e s e a r c hw o r kf r o mt h e o r ya n dt r i a l 1 b u i l d st h em e c h a n i c a lv i b r a t i o nd y n a m i c sm o d e lo fh g h td u t yr e s o n a n c zs c i e 圯i l a n a l y s e st h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i co fs c r e e n ss t r u c t u r e , e s p e c i a l l yg e tt h eo u tp o t w h e nt h ec e n t e ro fm a 黯i sp a r tw i t ht h ec e n t e ro ff o r c e a n da n a l y s i st h ec h a n g eo ft h e o u tp o ta st h ep a i np a r a m e t e rc h a n g ei no r d e rt os e a r c ht h em o s to p t i m a lp a r a m e t e r b y u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e - a n s y s 9 o t h em o d e lo fi j g h t - d u t y 托踟删l 嗽龊蝴 w a se s t a b l i s h e da n dt h em o d eo ff i g h t - d u t yr e s o n a n c es c l e c nw a sc a l c u l a t e d t h er e s u l t s h o w e dt h es t i f fp a r ta n dt h ef a t i g u ep a r to ft h es a 吼t h en a t u r a lf x e q u e n c yo fs c r e e n w a sg a i n e d t h er e s u l tp r o v i d e dt h eb a s ef o rf u r t h e ra n a l y s i sa b o u ti n v a l i d a t i o na n dn e w m e t h o df o re v e l u t i o n 2 b u i l d s t h e d y l l a m i 葛o f f l e x i b l e m u l t i - b o d y s y s t e m m o d e l o f e l a s t i c b e a m t h i s e l a s t i cb e a mp h yai m p o d m t tr o l ei nv i b r a t i n g 懿胤i t su s e dt ot r a n s f e rt h ed r i v i n g p o w e r w i t hg e n e r a ls y m b o l i cc o m p u t a t i o ns o f t w a r e ( m a t l a b 7 0 4 ) , t h ei m p o r t a n t c o n s i s t e n tm a s sm a t r i xo fd i m e n s i o n a le a s t i cb e a ma n di t sd i f f e r e n t i a lc o e f f i c i e n t8 r e i n d u c e d a tt h e & 衄ct i m e , g e n e r a lf o r c e sr e l a t e dt ov a l i d i t yo fb i n o m i a li nd y n a m i c s d o m i n a t ee q u a t i o n sa r oa l s oi n d u c e d m o r e o v e r , t h ec o n 灯o le q u a t i o n so fd y n a m i c sf o r d i m e n s i o n a le l a s t i cb e a me l e m e n ta r es o l v e da n da n u l y 缎tb yu s i n gn e w - m a r km e t h o d w i t hc o m p u t a t i o ns o f t w a r e ( m a t l a b 7 0 4 ) ，t h ed y n a m i cr e s p o n s eo fe l a s t i cb e a mw a s c a l c u l a t e d a n d t h e c u r v e o f r e s p o n s e u n d e r t h e n o r m a l w o r k i n g c o n d i t i o n w a s s i m u l a t e d 3 b yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e - a n s y s 9 o ，t h em o d e lo fr o b b e rd a m p w a s e s t a b l i s h e d a n dt h em o d e lo fr u b b e rd a m pi sa n a l y z e db ym e a n so fn o n l i n e a rf i n i t e c o n t a c te l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d ；t h el o a d - d e f o r m a t i o nc u r v e sa l eo b t a i n e di n d i f f e r e n t c o n d i t i o n f i n a l l y ，b a s e do nt h er e s p o n s ec u r v eo fe l a s t i cb e a ma n dt h ea n a l y s i so f 翻了啪m o d e , t h er e a s o no fi n v a l i d a t i o no fr o b b e rd a m pw a sf o u n d e d t h ec o n d a s i o ni nt h i sp a p e rp r o v i d e st h et h e o r ya n df a c tp r o o ff o rt h el i g h td u t y 愆蛳孤l 裂蕾n ，sa m e l i o r a t ea n do p t i m a ld e s i g nu s c a n dt h em e t h o dc u i n gi nt h e p a p e ra l s op r o v i d et h en e wt h o u g h tm e t h o df o rs c r e e na n dt h eo t h e rv i b r a t i n g e q u i p m e n t st h e o r ys t u d y 轻型矿用接近共振筛虚拟仿真研究 k e yw o r d s ：g e s o 啪c es c r e e n d y n a m i c so f f l e x i b l em u l t i - b o d y ， 声明 声明 创新性声明 本人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的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：盐整丛!日期迦丑：堑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名： 导师签名： 送鳖厶日期丛! 乙：f 壁j 蜩塑日期垫! 三：! 1 2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着我国冶金工业的迅速发展，振动筛设备在工程中广泛应用，对整个国民 经济的发展起着至关重要的作用因此针对振动筛分机械进行的研究具有重大的现 实意义。从目前国内外的研究动向看，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，探求合理的结构形式，动力配置和动力 学参数，以便进一步推进筛分机的应用i l j 。 振动筛的应用广泛，种类繁多，但振动筛的机械系统按其结构的力学原理， 主要分为单质体和双质体两大类。对以往工程中常用振动筛的研究大都采用平面 单质体的集中质量力学模型吲，构成单自由度线性振动系统。对于单性连杆式共 振筛，弹性耦合激励振动筛和具有二次隔振动功能的振动筛，通常采用双质体集 中质量力学模型，构成二自由度振动系统。在研究振动筛的摆振问题时，需要引 入考虑振动筛几何尺寸和质量分布的角位移参数。此时集中质量模型因无法描述 筛体的摆振而失效。同时考虑纵向和横向摆动时，采用空问刚性平板力学模型 1 3 , 4 1 ，对单质体和双质体振动筛分别构成三自由度和六自由度振动系统。近年新 研制的旋振筛，其运动形式较为复杂。在振动系统建模时，通常简化为沿旋转轴 线方向的直线振动和绕该轴线的回转摆振，用二自由度力学模型描述州。 共振筛在接近共振状态下工作，振幅较大。因其能以较小的激振装置获得稳 定的大振幅，生产能力较线性非共振筛的生产能力高，因而在六七十年代得到较 大发展，关于非线性共振筛的研究较多，涉及的问题主要有，共振筛的非线性工作 特性及其振动计算方法i o ，”，弱非线性特性和非定常过程的振动特性哪，非线性动 力学和运动学参数的合理选择剀，共振筛频率工作点的确定及其漂移问题川，大 型筛的筛框强度问题等。对非线性共振筛研究所采用的方法有：以渐进法，摄动 法为主要代表的近似解析法，利用计算机对具有强非线性的共振筛振动特性进行 求解的打靶法，对筛筛框强度进行有限元求解的数值方法及相应的实验研究方法 l l l , 1 2 j 。由于非线性共振筛在结构原理，制造工艺和运行调试维修等方面都较为复 杂，并且其筛框的强度问题也较为突出，因而7 0 年代后逐渐停止发展。目前新型 的共振筛多为线性共振筛。激励方式也由剪切弹簧取代弹性连杆传递激励i j 卅。 2 轻型矿用接近共振筛虚拟仿真研究 1 2 筛分机械和振动筛分机械的发展 1 2 1 筛分技术及其发展方向 筛分技术的发展从固定筛到振动筛至今己有三百多年历史了，这三百多年来 筛分技术的发展大体上可分为四个阶段。1 、固定筛阶段：从十六世纪开始到十九世 纪八十年代。2 、慢速运动筛阶段：从十九世纪八十年代滚筒筛问世到二十世纪四十 年代振动筛诞生。3 、快速运动筛阶段：从二十世纪四十年代到七十年代，这一阶段 不但出现了高速振动筛，而且振动理论和筛分理论的研究取得了巨大的成就。4 、 二十世纪七十年代至今自同步振动筛的诞生、自同步理论的建立、以及振动电机 的广泛应用，使得振动机械的发展走向了一个更广阔的阶段1 1 4 1 。 筛分技术发展的目标是在保证安全可靠的前提下，具有尽可能高的筛分效率 和好的筛分效果，同时使筛机的使用寿命尽量延长，并改善工作环境。下面详细 列举了筛分技术的几个主要的发展趋势。 1 振动筛仍然是主要机种 尽管目前国内外研究和应用了各种新机型，像筛面曲张筛，临界滚筒筛等， 但它们只适用于一定的场合，而振动筛结构简单，生产效率高，工作可靠适用面 广，它还将作为主要的振动筛机种而存在。 2 继续向简单化方向发展 筛子的结构经历了简单( 固定筛) ，复杂( 共振筛) ，再简单( 振动筛) 的发展过 程，筛分技术开始了简单化的新过程，这种发展将零部件通用化，标准化，使筛 子的通用性提高到一个新的高度，以满足筛子工作可靠性，维修方便，降低成本 的要求。 3 非金属材料使用越来越多 由于振动筛分机械运动强度大，故对其零部件的抗疲劳强度和耐磨性能要求 较高，以往的筛箱通常采用钢板为材料，筛板则采用铸件，但其性能在很多工况 下，难以满足工作的要求。而目前新研制的许多合成材料的综合性能已经优于钢 材可以满足各种各样工况的不同要求，像耐磨弹性橡胶筛面的采用已解决了筛网 寿命短的问题，还大大降低了振动产生的噪音，降低了成本。随着新型合成材料 的进一步研制成功，它在筛子上的应用将更加广泛。 4 振动机械种类增多 随着振动筛分机械的推广使用和工业生产的要求，各种规格特别要求的振动 筛将不断产生，新机种的研究将越来越受到重视，使得振动机械的使用范围越加 广泛。 5 自同步被广泛采用 第一章绪论3 自同步振动筛，双振动电机驱动的自同步振动机械以及由此衍生出的适应各 种生产需要的自同步振动机械将得到更加深入的发展。 6 进一步降低噪音 由于振动机械噪音大，工作条件差，零部件容易损害，有关如何降低振动机 械噪音，改进振动机结构的研究将作为一个重要课题，是以后振动机械设备相互 竞争的重要优势之一 1 2 2 国内外振动筛分机械的发展 国外振动筛分机械是筛分设备发展的主流，振动筛分机械正向标准化、通用 化、系列化和大型化发展。 振动机械的发展经历了一个由“简单复杂简单”的发展过程。四十年代以前 使用的振动筛其结构都是一些较为简单的振动结构，四十年代为了提高振动强度 发展了结构较为复杂的惯性振动筛，五十年代为了提高振动强度，发展了结构复 杂的惯性振动筛，后来又发展了结构更复杂的共振机构，到了六十年代实践证明 共振机构故障较多、寿命较短、调整维修较为困难，其发展逐渐停止，振动机械 的发展又回到了惯性振动机械身上。七十年代以前直线或椭圆运动的惯性振动机 械都是采用有齿轮联接的强迫振动机构，以保证两个激振机构的同步运转，七十 年代以后，人们发现不用齿轮依靠振动机构的动力学特性，也可以保证两偏心激 振机构的动力学特性。1 9 7 8 年瑞典f f f m am o r g a r ds h a m m a ra b 公司首先成功地研 制了自同步振动筛，它结束了自同步技术能否在振动筛中应用的争论，以后自同 步振动筛机构得到了广泛的发展。八十年代筛分设备在向大型化、标准化、通用 化、系列化发展的同时，产品逐渐在理论更深入的基础上形成多级发展：发展了细 粒筛分设备，筛孔尺寸小到0 1 - 0 3 毫米；增大筛面倾角，提高筛分效率，德国k r u p p 公司和s t a h 0 3 a v 公司都成功研制了测倾角筛面的振动筛分设备，德国筛分技术 公司s b a 孙m 【发展了面积为5 汗方米的直线振动筛州；美国r e x n o r o 工程公司 新研制了d f f - i i 型双频率筛，它采用了不同速度的激振器；d e r r i c k 公司研制了 三路分配器给料，由一台高速电机驱动：英国煤管局为解决从湿煤中筛分出细粒末 煤，研制成功旋流筛。近二十年的振动机械的发展说明了国外的振动筛分理论己 经比较成熟，设计思想更加丰富，其产品向着多级化的方向发展l l ”叫。 建国五十多年来，国内的振动机械有了一定程度的发展，现有四十多个筛分 设备主要生产厂家，年累计产量超过2 0 0 0 - 千台，可供应产品2 0 0 多种i l u j 。主要机种 如振动筛分机、振动给料机等的研究和制造都已比较成熟，产品基本能满足用户 的要求，但总的来说国内的振动机械发展是不平衡的，还存在着结构相对落后， 划分系列不合理，新机种较少等许多问题。 4 轻型矿用接近共振筛虚拟仿真研究 我国的振动筛分机械经历了从仿制到自行设计两个阶段，六十至七十年代初 研究较多的是共振筛，以后由于国际上共振筛的淘汰，逐渐转向了惯性振动筛和 自同步振动筛，取得了一定的成绩。1 9 6 9 年我国3 0 平方米共振筛投产试运转。它 是一种大型强迫非线性筛分设备，虽然运转基本上能满足生产要求，但存在着筛 箱横梁断裂，支撑弹簧易坏等问题。1 9 7 6 年，国内一些部门和厂家开始试验和研 究振动筛的自同步性能。煤炭部、一机部大型振动筛设计组在邯郸选矿厂将该厂 原有的单电机驱动强迫联接直线振动筛改进为双电机无强迫联接到直线振动筛， 通过试验和投入生产，使用情况良好，它开创了我国自同步振动筛的使用。1 9 8 0 年，我国最大选煤用振动筛：1 6 平方米双轴振动筛通过鉴定并批量生产，它采用了 双电机自同步拖动，高强度螺栓紧固、箱形梁、橡胶弹簧等新技术，具有结构简 单，运行可靠，维修量小，噪音小等优点，是较完善和理想的筛分设备。 国内近几年振动机械虽然得到了较快的发展，但目前我国振动筛产品结构中 性能落后的筛分机仍占一半以上，今后调整的方向是l ”卅： 1 优先发展量大面广的优良机型，发展性能优良、可靠性高、易于制造维修、 人机关系合理的优良机型，如年代初我国独立设计的、x 系列圆振动筛和z k b 系 列直线振动筛，无论从运动特性、可靠性以及价格都较符合我国国情，应尽快推 广。 2 探索新的筛分理论，发展新型筛分机筛分理论的发展必将导致新型高效筛 分机械产品的出现，如等厚筛j 、概率筛、高频筛和琴弦筛等，同时也使得原有 筛分机的各项功能参数得以优化，获得更合理更优化的筛分机。 3 发展大型、重型、特重型筛分设备，研制适用于大型矿山、采石场、给料 粒度大于4 0 0 n m m 的分级设备。 1 3 振动筛的基本理论和研究方向 振动是物体或某种状态随着时间往复变化的现象。在很多情况下，振动是一 种不必要的和有害的现象，比如振动会产生噪音、降低精度、增加疲劳甚至造成 破坏性后果。但是，在某些场合下，振动是有益的，合理地利用振动可以有效地 完成许多生产工艺过程。振动筛分机械就是利用振动原理对物料进行筛分分级的 机械设备。它是最近三十多年来得到迅速发展的一种新型机械，广泛应用于采矿， 冶金，煤炭，铁道等工业部门。振动筛分机械主要用于物料分级，此外还用于脱 水，脱泥等工作。目前广泛应用于生产实践的振动筛分机械有很多种结构型式， 如固定筛、弧形筛、旋形筛、滚轴筛、筒筛、摇动筛、惯性振动筛、共振筛、概 率筛、琴弦筛和等厚筛i 纠等。尽管这些振动筛在结构和工作原理上存在着差别， 但振动筛分机械通常是由以下三个部分所组成： 第一章绪论5 1 ) 激振器用以产生周期变化的激振力，使工作机体产生持续的振动。常用 的激振器有惯性式激振器、弹性连杆式激振器、电磁式激振器、液压式或气动式 激振器，以及凸轮式激振器等2 ) 工作机体或平衡机体如筛箱、台面和平衡架体 等，但在一些振动筛分机中无平衡架体。为了完成各种工艺过程，他们通常做周 期性的运动。3 ) 弹性元件包括隔振弹簧( 其作用是支撑振动机体，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) 、主振弹簧( 即共振弹簧或称蓄能 弹簧) 和连杆弹簧( 传递激振力等) 。 在一些振动筛分机中无弹性元件，振动筛的基本结构由筛箱，激振器，筛网， 支承弹簧，隔振架，隔振弹簧和附属机构组成筛箱是由钢板与型钢焊接或铆接 成的箱型结构，在两侧板之间用无缝钢管或型钢联接，筛箱内固定有筛网或筛板 激振器按照不同的工作形式有安装在筛箱中部的，也有安装在筛箱底部或上部的， 它是产生振动筛振动的主要部件，它的布置形式将直接影响到振动筛工作面的运 动轨迹和振动筛的筛分效果。筛网是振动筛中承受冲击最大的构件，也是与物科 直接接触的构件，因此也是最易损坏的构件，筛孔的形状和布置将直接影响筛分 的效果，不好的设计会使筛孔易于堵塞，从而使筛网承受很大的工作压力。并很 快损坏i z r 3 0 j 。隔振架是为了减少振动对地基的冲击振动筛是利用振动进行工作 的，因此在工作过程中产生的振动和噪音是非常大的，合理的布置隔振架可以明 显的减少振动对地面的冲击，延长振动筛的工作寿命1 3 1 侧 振动筛的工作过程是这样的：筛箱是进行振动筛分的主要工作区域，物料从入 料端进入筛箱，筛箱在激振器的带动下按照一定的轨迹振动，物料则在筛箱的运 动过程中向前运动，通过筛网进行分级，直径大于筛孔直径的物料则从出料端捧 出。一台性能良好的振动筛通常希望获褥高的筛分效率、好的筛分效果、稳定的 振动工作状态和良好的安装和维护性能为了实现这些性能要求，振动筛的研究 主要集中在以下几个方面 1 振动筛工作面的运动轨迹要实现高的筛分效率，在很大的程度上取决于筛网 的运动轨迹数十年来，人们对筛网的运动轨迹进行了大量的研究，从一条直线 发展到多种曲线，从线性演变到非线性，从平面曲线到空间复杂曲线，逐步适应 各种不同特性的被筛物料的要求通常，振动筛采用下面三种运动轨迹 ( 1 ) 圆运动振动轨迹：圆运动振动轨迹带有一个旋转加速度矢量：因此松散被 筛物料的效应是相当强烈的。堵塞筛孔的危险性非常小，因为堵孔的颗粒，由于 筛面的圆周运动可能重新从筛孔中跳出，但是圆振动筛有一相当陡峭的抛射角， 没有促使物料向前运动的动力源，这对于物料的输送是不利的。为了促使物料向 捧料端运动，筛机必须倾斜安装，从而增加了筛机自身的高度，占用厂房空间大， 增加了基建投资此外，筛子倾斜安装对提高筛分效率也不利，筛上物料越接近 捧料端，料层应越薄，最佳运动速度应按一定规律相应交小，提供透筛的机率， 6 轻型矿用接近共振筛虚拟仿真研究 以达到筛面料层等厚的目的。但由于筛面倾角的存在，物料向下运动的速度是逐 渐增加的，其结果不但降低了物料的透筛机率，而且筛面的应有作用也未得到充 分的发挥。 ( 2 ) 直线振动筛分轨迹：筛面水平的直线振动筛有相当高的物料抛送速度。然 而它的加速度矢量只作用在一个方向上，被筛物料不能很快穿过，不能充分的松 散和重新排列。因此，小颗粒不能很快穿过物料层到达筛孔。由于直线的加速度 矢量，塞在筛孔内的颗粒很难从筛孔中抛出。在不利的条件下有很大的堵孔危险， 以致筛分过程明显恶化1 4 拍3 j 。为了达到足够的输送速度，除振动筛分方向外筛面 也必须有一个1 0 度左右倾角，这样为了安装筛子就需要显著增加空间高度。对于 空间有限的现场，这种筛子的应用受到很大的限制。 ( 3 ) 椭圆振动筛分轨迹：椭圆振动筛结合了圆运动和直线运动两种筛分轨迹的 基本优。确切地说，椭圆的“长轴”是强化物料输送的分量，而“短轴”是促进 被筛物料松散的分量。椭圆振动筛的优点是1 4 h q ； 1 ) 物料输送的速度较高，因此物料层厚度较薄； 2 ) 可较平安装，机器总高度较低； 3 ) 被筛物科有强烈的松散和再律列效应，因此有较大的生产率： 4 ) 筛孔保证不被物料堵塞，因此有较大的有效筛分面积 2 物斟的运动理论 振动筛在不同形式的激振器的驱动下按照不同的轨迹振动依赖这些振动， 使物料沿工作面运动，进行筛分当振动筛采用不同的运动学参数时，便可以使 物料在工作面上出现下列不同形式的运动l 纠： 1 ) 相对静止：物料随工作面一起运动，而无相对运动。 2 ) 正向滑动：物料与工作面保持接触，同时物料沿输送方向作相对运动 3 ) 反向滑动：物料与工作面保持接触，同时，物料逆着输送方向作相对反向运 动。 4 ) 抛掷运动：物料在工作面上被抛起，离开工作面，沿工作面向前作抛物线运 动。 上述四种运动形式中，除了相对静止，由于物料与工作面问无相对运动而不 能进行输送，筛分外，其余三种运动形式，都可以完成给料、输送、筛分等工作。 相对于不同的物料，应该采用不同的物料运动形式，这样才能实现高效的筛分。 因此，对筛分过程中物料的运动形式进行研究，也是振动筛分机械研究的重要内 容。 通常振动筛在给定的振动强度下振动，物料在筛面上作抛掷、滚动或滑行运 动。获得一定速度的物料颗粒，具有了一定的动能。动能越大的物料运动越剧烈。 在筛面上克服与筛面的摩擦和物料之间的摩擦，逐渐进入料层的上部：反之，动能 第一章绪论 7 小的物辩穿过料层逐渐下降并向筛面及筛孔靠近。在同一振动系统中，物料的动 能基本上与物料的质量成正比，因而不同粒度的物料具有不同的动能，物料的粒 度差距越大，则动能的差距越大，这就是物料能在筛面上分层的原因。到达筛面 的小颗粒与筛孔进行大小比较后，小于筛孔的物料就透过筛孔，实现了粗细物料 的分离，也即分级。从以上对分级过程的描述可以看出，筛面振动的强度和料层 的厚度是直接影响分层效果的主要因素，而良好的分层是提高筛分效率的先决条 件【4 2 】【5 1 - 5 2 l 。 另外，对于普通的振动筛，当参振质量，偏心距，振动频率和弹簧刚度等都 已确定时，则整个筛面的振幅是一个恒定值。由于在入料段物料颗粒的粒度分布 较宽，筛面传给物料颗粒的能量损失比较严重，因而，大量的物料由于没有足够 的能量向筛箱的中部运动，只能在入料端极短的一段范围内分层，物料的透筛也 仅发生在筛面1 4 - 1 2 的范围内，这不仅加大了入料端的筛分负荷，影响了筛分效果， 而且降低了整个振动筛的处理能力。此后，随着细粒物料的减少，筛面上接近或 大于筛孔尺寸的物料量逐渐增加，透筛效率迅速下降；同时，物料的粒度趋于均匀， 筛面传给物料颗粒的能量损失减少了，于是物料颗粒的振幅和运动速度都趋子增 加，因而在普通振动筛上几乎一直是入料端的料层厚度较大，而出料端的料层厚 度较薄。以上的筛面运动造成了沿筛面长度方向上的透筛量很不均匀，致使筛面 的透筛能力不能发挥出来，影响了振动筛的筛分效率和处理能力。 由此我们可以推出比较理想的筛面运动方式是l 4 2 1 ： 1 ) 筛面入料端垂直方向的振幅应大于排料端垂直方向的振幅。 2 ) 沿筛面长度方向上，从入料端开始，物料运动速度应为递减状态。 3 筛网和激振源的选择筛网是进行筛分的主要界面，因此，也是承受工作负荷 最大，最易损坏的构件之一。同时，筛网的结构和布置也是影响筛分效率的重要 因素之一。通常，筛网半年左右就要更换一次。因此，寻求高透筛率，高耐磨的 筛网构件是当前振动筛研究的课题。不同形式的激振源是对振动筛进行分类的主 要因素。现在普遍应用的振动筛仍然以机械式的激振源为主，但新型的激振源正 在不断出现和发展，寻求新型的激振方式将可能极大地改变机械式振动筛不可避 免的缺陷。实现更加稳定而高效的振动筛。因此，人们正在努力的寻求新型的激 振方式，以设计更加先进的振动筛。 1 4 本课题研究的主要内容及其意义 在筛分过程中，人们追求高的透筛率，而颗粒通过筛孔的概率，一方面随着 与筛孔较量次数地增加而增加，另一方面随着与筛孔较量的颗粒直径的减小和筛 面倾角的减小而增加，整个筛分过程受下列因素影响：物料本身特性、它的比重、 8轻型矿用接近共振筛虚拟仿真研究 通过量、料层厚度、颗粒形状合成的外力和粘合力。为了获得最佳筛分效果，筛 分设备的振动轨迹必须尽可能适应自然特性。 2 0 0 1 年根据华东冶金学院姚昭彰教授主编的炼焦学一书炼焦学第五章第 四节“筛焦”介绍的一种国产轻型共振筛，我们为山西省孝义市东泰洗煤厂试制 出三平方米筛分焦碳振动筛。通过试用，用户发现筛下物米焦粉分离非常清利， 湿焦粉不堵筛网，用户对此米焦非常满意。但是由于橡胶弹簧发热冒烟，不能正 常生产，持续不到半个小时，最后不得不将板弹簧固定死，以单轴振动形式使用， 共振使用形式失败。 该振动筛的具体结构如图1 2 所示； 轴的两端带有轴承和轴承座，过板弹簧与筛箱连接。轴的两端上有偏心块儿， 一端的电机固定在地脚座上，振动电机不参与振动。当电机转动时带动曲轴与板 弹簧晃动，曲轴和振动筛的筛箱上固定有橡胶碰振弹簧。激振力粗调节，通过调 节曲轴上的偏心块儿的偏心角度得以实现。激振力的细调节是靠调节调节橡胶碰 振弹簧的碰撞间隙得以实现，振动筛筛箱通过线性隔振弹簧固定在底架上 具体参数如下： 1 ) 采用轴转速7 5 0 n m i n , 电机为4 级1 1 k w 台。实践证明，动力充足，产量6 0 t h 。 筛体倾角1 5 度，主轴规格1 8 0 0 m m 巾6 0 r a m ，采用焊接成为曲轴。轴承采用3 6 1 1 调心轴承2 盘，平衡轮与皮带轮各一个( 规格外径3 5 0 ) 。2 ) 轴两端装配两个厚度 3 0 m m ，角度1 2 0 ，半径3 0 0 m m 的偏心块。3 ) 板弹簧采用汽车弹簧钢板，每侧6 块， 采用螺栓连接。4 ) 振动筛箱体采用厚度8 m m 的钢板，采用7 号角钢进行加强，筛 网采用巾1 4 m m 的罗纹钢t 5 0 6 焊条进行焊接。 产生的主要问题： 筛子尾部激振力轻微，负载与不加负载引起的反差大，不得不通过加大主振橡 胶弹簧的共振间隙而达到筛分效果，致使橡胶弹簧寿命大大缩短，持续3 0 分钟烧 毁。筛箱在负载工作时噪音过大，调整主振橡胶弹簧间隙很困难，激振力响应时问 过短，灵敏度过高，在1 - 3 m m 范围的间隙内响应激烈。为了保护橡胶弹簧，在橡胶弹 簧之间又加入线形弹簧，效果不好。 图1 2 矿用轻型共振筛结构示意图 第一章绪论 9 图1 2 矿用接近共振筛实物照片 该振动筛的激振器是由偏心块，主轴，主轴轴承和轴承座以及一端穿过主轴 另一端与筛箱固连的弹性连杆组成，以产生复杂周期变化的激振力。不同于普通 的惯性振动筛。它的特殊之处在于主轴并不是刚性的与筛箱通过轴承连接，主轴 通过非线性的橡胶弹簧传递由偏心块和弹性连秆产生的激振力。该振动筛的弹性 元件包括线性隔振弹簧( 其作用是支撑振动机体，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) 、主振弹簧( 即四对儿橡胶碰振弹簧或称蓄能弹簧) 和连杆弹簧佧 递激振力等) 。在实际的实验中该振动筛优于普通单轴线性单轴振动 筛，耗电少，筛分效率高。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。 普通振动筛筛分效率是7 0 ，共振筛筛分效率可达9 0 以上。湿焦粉不易堵 筛网。但是由于筛网采用罗纹钢筋编织成，缺点是噪声大，优点是耐磨损。 由于该振动筛投资小，筛分效率高，结构简单的特点有着非常好的应用前景， 通过试用，用户发现筛下物米焦粉筛分效果非常明显，湿焦粉不堵筛网，用户对 此米焦非常满意。但是由于橡胶弹簧发热冒烟，不能正常生产，持续不到半个小 时，最后不得不将板弹簧固定死，以单轴振动形式使用，共振使用形式失败。 按照上文的叙述，本论文的研究内容分为三部分： 1 对振动筛进行动力学参数分析，确定在质心和力心适当分离时，振动系统的 1 0 轻型矿用接近共振筛虚拟仿真研究 输出响应，分析所产生的附加摆动对振动筛正常工作状态的影响。并分析当相关 的结构参数变化时，对系统输出的影响，寻求更加合理的结构参数。 2 对传递激振力的弹性梁采用拉格朗日方程和有限元相结合的方法建立柔性 多体系统动力学控制方程，运用数学分析软件m a t l a b 7 0 4 求出了建模至为关键的质 量矩阵膨及其导数，最后求出弹性梁在加载由偏心块儿产生的周期激振力后所产 生的位移，速度。 3 应用有限元分析相关软件a n s y s 9 0 对振动筛的筛箱建立有限元模型，利 用a n s y s 9 0 建立筛体的质量矩阵和刚度矩阵，求解自由振动方程的广义特征值 问题，得到共振筛的模态频率和振型，分析时a n s y s 9 0 采用的是1 0 5 的收敛迭 代精度。分析振动筛的筛体在各工作状态下一启动，正常运转，橡胶碰振弹簧发 热，到烧毁直至停机所经历的测试分析结果进行了比较，发现在第3 阶时橡胶碰 振弹簧烧毁。应用有限元分析相关软件a n s y s9 0 对振动筛的弹性元件主振橡胶 弹簧建立有限元模型，并对橡胶弹簧进行接触分析，得到了在不同条件下的载荷 位移，结合激振力传递弹性梁的最大位移得出橡胶弹簧的失效原因，提出了改进 的意见。 第二章轻型矿用接近共振缔的整体动力学分析1 1 第二章轻型矿用接近共振筛的整体动力学分析 2 。1 引言 机械振动是一种特殊形式的运动。在这种运动过程中，机械系统将围绕平衡 位置作往复运动。从运动学的观点看，机械振动是指机械系统的某些物理量，在 某一数值附近随时间t 的变化关系。 振动系统的主要参数包括振幅、频率和初相位。其中振幅是指振动系统离开 静平衡位置的最远距离。频率是指振动系统在单位时问内围绕平衡位置作往复运 动的次数。频率等于周期的倒数。系统的初相位则是指振动系统的在开始运动时 的初始位置。对任何振动系统的分析，不论其多么复杂，都是围绕这三个基本的 参数展开的。 振动系统在受到随时间变化的外界干扰力作用时，将会产生振动，我们称此 干扰力为激励。振动系统的激励可以分为确定性激励和随机性激励。我们把可以 用时间的确定性函数来描述的激励，称为确定性激励。把不能用时间的确定函数 来描述的激励称为随机性激励，尽管随机性激励不能用时间的确定函数来描述， 但随机性激励具有一定的统计规律性，可以用随机函数及随机过程来描述。 振动系统由于激励产生的运动输出或其它输出称为响应。对应于不同的外界 激振，系统将具有不周的响应。系统的响应一般以位移形式表达，有时也以速度 或加速度的形式表达。 包含激励，系统和响应的振动问题，按照三者中哪一个是未知参数，一般分 为三类问题： 1 振动设计问题，已知系统的动态特性和激励参数来研究响应。 2 系统识别问题，已知系统的激励和响应来研究系统的动态特性。 3 环境测试问题，己知系统的动态特性和响应去推断激励。 实际的振动系统往往是很复杂的，因此在开始研究问题时，我们总要把研究 对象以及外界对它的作用简化为一个理想的力学模型。通常在分析机械系统振动 问题时，往往需要把它简化为由若干无质量的弹簧和无弹性的质量所组成的力学 模型，称为弹簧质量系统。 通常，我们按照系统的复杂程度和精度要求，把系统简化成具有不同自由度 的力学模型。按照系统的自由度对系统进行分类，可以分为： 1 单自由度系统振动：用一个独立坐标就那个确定的系统振动。 2 多自由度系统振动：用多个独立坐标才能确定的系统振动。 3 弹性体振动：须用无限多个独立坐标( 位移函数) 才能确定的系统振动，也称 轻型矿用接近共振筛虚拟仿真研究 为无限自由度系统振动，以区别于单自由度系统振动和多自由度系统振动侑限自 由度系统振动1 。 另外，我们目前所分析的振动问题将局限于微幅振动问题，简称微振动。所 谓微振动是指系统受到外界干扰后，系统各个质点偏离静平衡位置，仅做微小的 往复运动。系统在振动过程中所受到的各种力将认为只与位移，速度等成线性关 系，而可以忽略可能出现的高阶微小量【期。 2 2 建立轻型矿用接近共振筛的机械振动力学模型 为了定量的研究振动筛的主要结构参数发生变化时对振动筛工作性能的影 响，我们首先将振动筛简化为一个具有多个自由度的力学模型。然后按照该力学 模型建立系统的动力学方程组，进行分析计算，以求得振动系统的响应。进而分 析当不同的动力学参数发生变化时，对振动系统所产生的影响，从而为振动筛的 设计提供理论上的证明。 一个振动系统的自由度是指在振动过程中任何瞬时都能完全确定系统在空间 的几何位置所需要的独立坐标的数目。一个振动系统究竟有多少个自由度，常常 是一个相当复杂的问题，它不仅取决于系统本身的结构特征，还要根据我们所研 究的振动问题的性质，要求的精度，以及振动的实际情况等等来决定，简化的结 果是否正确，最后还要经过实测的检验。 在进行分析计算时，可以根据研究的目的，结构的特点，要求计算的精确程 度等等，从实际情况出发对振动系统进行简化。一般的振动筛是一个复杂的空间 多自由度系统，在建立动力学模型时往往把筛箱和激振器作为一个刚体，联接在 四个支承弹簧上，这样筛箱包括上下垂直振动，左右水平振动和绕刚性质心轴的 前后摆动。考虑到此振动筛的特殊结构，它的激振器( 偏心块儿) 是通过轴承定 位于连接在弹性梁上的动轴上的，激振力是通过橡胶碰振弹簧和弹性梁传递给筛 箱的。而且激振器的质量比筛箱的质量小得多，在计算精度要求允许的范围内， 可以忽略不计。另外，由于弹簧的质量远小于筛箱的质量，在建立模型时可以不 考虑。另外，由于弹簧的质量远小于筛箱的质量，在建立模型时可以不考虑。考 虑到橡胶弹簧是固定在筛体上的与激振器之间的力属于内力，对于它的力学分析 将在利用多柔体系统动力学建立激振力传递元件弹性梁的方程时予以具体的分 析。因此，振动筛就简化为一个如图2 1 所示的具有三个自由度的弹簧质量系统， 分别包括筛箱的上下垂直振动和水平振动以及筛箱绕刚性质心轴的前后摆动。 第二章轻型矿用接近共振筛的整体动力学分析 一 l 爱， 图2 1 振动筛机械振动模型图 用在自由振动时是使系统振幅逐渐衰减，在强迫振动时，除在共振区附近范 围内使系统振幅减小外，在远离共振区的范围，对系统振动的影响是很小的。目 前大量使用和我们将要研究的振动筛除了在启动和停机的过程中通过共振区以 外，通常是在远离共振区的范围内工作的。所以，为了使数学上简化，并能突出 振动筛的振动特性，我们在建立动力学方程时暂时不考虑阻尼对系统的影响。 建立系统的动力学方程有两种方法，一种方法是应用牛顿运动定律及其推论 来建立振动微分方程组。这种方法是我们所熟知的动力学中提供的方法，仍将是 我们今后建立多自由度系统的基本方法。但这一方法是按照各质点或刚体的运动 来建立方程的，为此常常要引进那些未知的约束反力对于某些复杂的系统，采 用这样的方法来建立力或力矩同速度、加速度等运动量之间的矢量关系不仅显得 复杂，而且引入了那些不必知道的未知约束反力，当系统的自由度比较多的时候， 会增加建立动力学方程的复杂性。另一种方法是从能量的观点出发，应用拉格朗 日方程或哈密尔顿原理，建立系统的