（机械电子工程专业论文）振动筛机构的运动分析和惯性力平衡研究.pdf

西华大学学位论文独创性声明 !iiflijipjlllp i pil l l rliillifijlll 18 8 4 8 2 4 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：瓣裔 日期： 绷i 5 弓d 指导教师签名：杀彳障曼c 传j 日期0o 、1 j 、；o 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 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，西 华大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：零斗由 日期： 加”s 尹 指导教师签名：牛和支( 付) 日期d 。ff r 弓口 西华大学硕士学位论文 摘要 联合收割机是现代农业机械化高速发展的成果，它给农业生产带来了很多意想不到 的便利，深受广大农民的喜爱。然而其本身的高速化运转却使得机器内部的惯性作用增 强，产生了振动，噪声等一系列极为不利的影响，对机器和人员都造成了很大的伤害。 因此，本文结合云内动力公司对联合收割机的需求，在研究日本久保田收割机的基础上， 提出了以收割机内部的振动筛机构为研究对象，借助于a d a m s 工具，展开了一些列的 研究工作。 本文首先根据实际情况将振动筛机构简化为曲柄摇杆机构，结合振动筛的工作原 理，对振动筛进行了运动分析，分析的结果验证了其动力参数和结构参数设计的合理性； 并在筛面上从前往后依次设置4 个谷粒，用a d a m s 进行仿真分析，得出了筛面振幅， 速度和加速度的规律，由此验证了该振动筛的良好筛分性能。 筛分对于振动筛机构来说固然重要，然而在筛分过程中，机构会产生较大的惯性作 用，这对于振动筛来说是个不容忽视的问题。本文针对振动筛机构的惯性力问题，用广 义质量替代法对机构进行惯性力的完全平衡。并对实际机构中的部分平衡结构，进行了 分析。 日本收割机的振动筛机构采用的是部分平衡，而且只是在曲柄处添加平衡配重。本 文先从结构和经济方面去考虑，然后以机构的综合平衡为目标，分析得出了以连架副反 力和输入扭矩为评价指标的方案，并借助于a d 触s 工具，对机构的部分平衡效果和完 全平衡效果进行了分析验证。验证了设计者的部分平衡方案的有效性，并在此基础上提 出了一系列的建议。 本文通过对曲柄连杆机构进行运动分析，惯性力平衡的研究与计算。借助a d a m s 的仿真分析，验证了实际机构部分平衡的合理性。本课题的研究，为企业进行机构的平 衡性设计，提供了良好的分析，设计及验证的有效方法。 关键词：振动筛机构；运动分析：惯性力平衡 振动筛机构的运动分析和惯性力平衡研究 a b s t r a c t ac o m b i n ei st h ef r u i to ft h e h i g hs p e e dd e v e l o p m e n to fm o d e r na g r i c u l t u r a l m e c h a n i z a t i o n , w h i c hh a sb r o u g h tal o to fu n e x p e c t e dc o n v e n i e n c et ot h ea g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o na n di sf a v o r e db yt h ef a r m e r h o w e v e ri t sh i g hs p e e do p e r a t i o nb o o s t su pt h e i n s i d ei n e r t i a le f f e c ta n dl e a d st oa d v e r s ei m p a c to fv i b r a t i o na n dn o i s e w h i c hd o e sh a r mt o t h em a c h i n ea n dt h eo p e r a t o r r e f e r r i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ey u n n e ip o w e rc o ，l t da n d b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ek u b o mh a r v e s t e r ，t h ev i b r a t i n gs c r e e ns t r u c t u r ei st a k e na st h e r e s e a r c ho b j e c ta n das e r i a lo f r e s e a r c hi sc a r r i e do u tb ym e , a l a so f a d a m s t h ev i b r a t i n gs c r e e nc a nb er e g a r d e da sac r a n k r o c k e rm e c h a n i s ma c c o r d i n gt ot h e a e t u r a lc o n d i t i o na n dm o t i o na n a l y s i si sc a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h ev i b r a t i n gs c r e e nw o r k p r i n c i p l e ，w i t ht h ea n a l y s i sr e s u l t sd e m o n s t r a t i n gt h er a t i o n a l i t yo ft h ed y n a m i c a la n d s t r u c t u r a lp a r a m e t e r s f o u rg r a i np o i n t sa r es e ta l o n gt h es c r e e ns u r f a c e ，a n ds i m u l a t i o n a n a l y s i si sd o n ei na d a m st oo b t a i nt h el a wo fs u r f a c ea m p l i t u d e ，v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o n t h u sv e r i f y i n gt h es i e v i n g p e r f o r m a n c e a p a r tf r o mt h ei m p o r t a n c eo ft h es i e v i n gp e r f o r m a n c e , t h eg r e a ti n e r t i ae f f e c tg e n e r a t e d i sap r o b l e mw h i c hs h o u l dn o tb ei g n o r e d a i m i n ga tt h i sp r o b l e m ，t h eg e n e r a l i z e dm a s s s u b s t i t u t i o nm e t h o di su s e df o rt h ei n e r t i a lf o r c eb a l a n c er e s p e c t i v e l y a n dt h ep a r t i a lb a l a n c e s t r u c t u r ei nt h ea c t u a lf r a m e w o r ki sa l s oa n a l y z e d a v i b r a t i n gs c r e e no faj a p a n e s eh a r v e s t e rh a sb e e nd e s i g n e dt or e a l i z eap a r t i a lb a l a n c e t a k i n gi n t oc o n s i d e r a t i o nt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，e c o n o m y , f o r c e si nj o i n t sa n dt o r q u ei n p u t , t h et h es c h e m ei sp r o p o s e dt ot a k et h ej o i n tp a i rr e a c t i o nf o r c ea n dt h et o r q u ei n p u ta st h e e v a l u a t i n gi n d i c a t o r a n a l y s i sv a l i d a t i o ni sg i v e nt ot h ef r a m e w o r kp a r t i a la n dc o m p l e t e b a l a n c ee f f e c tu s i n ga d a m st h ep a r t i a lb a l a n c es c h e m eo ft h eo r i g i n i a ld e s i g nh a sb e e n s u g g e s t e dc o n s e q u e n t l y t h r o u g hk i n e m a t i ca n a l y s i so ft h ec r a n k - r o c k e rm e c h a n i s m ，t h i sp a p e rc a r r i e so u t r e s e a r c ha n dc a l c u l a t i o no nt h ei n e r t i a lf o r c eb a l a n c e t h er a t i o n a l i t yo ft h ep a r t i a lb a l a n c e s t r u c t u r ei sv a l i d a t e dt h r o u g hs i m u l a t i o na n a l y s i si na d a m s t h es t u d yh e r ep r o v i d e sa n e f f e c t i v em e t h o df o rt h ea n a l y s i s ，d e s i g na n dv a l i d a t i o no ft h ef r a m e w o r kb a l a n c ed e s i g ni n t h ee n t e r p r i s e k e yw o r d s ：v i b r a t i n gs e r e a i ls t r u c t u r e ； m o t i o na n a l y s i s ；i n e r t i a lf o r c eb a l a n c e i i 西华大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i l 绪论1 1 1 联合收割机的发展概况1 1 2国内外研究现状。2 1 2 1 振动筛机构平衡的研究现状2 1 2 2 机构动力学分析方法的研究现状3 1 2 3现代机械设计的理论与方法在实践中的应用4 1 3 选题的背景和意义5 1 4 研究的主要内容一5 2 筛分原理与机构运动学分析7 2 1 筛分机构的测绘数据与几何模型7 2 2 筛分原理分析8 2 2 1筛分的基本原界介绍8 2 2 2 筛分的运动参数分析1 0 2 3 振动筛的动态仿真与分析1 4 2 3 1振动筛模型的建立1 4 2 3 2 振动筛的仿真分析1 5 2 ，4 本章小结4 。1 9 3 振动筛机构惯性力平衡分析2 0 3 1 机构平衡的种类和方法：2 0 3 2 本筛分机构动力学参数的测绘数据2 l 3 3 机构惯性力( 矩) 平衡的一般方法2 3 3 3 1 用质量替代法平衡机构的惯性力2 3 3 3 2 机构的部分平衡2 7 3 4 机构惯性力矩的完全平衡2 8 3 5 本章小结2 9 4 振动筛机构部分平衡的综合评价与分析验证2 9 4 1 综合平衡评价指标3 1 4 2 基于a d a m s 的建模3 2 4 3 仿真分析3 5 i n 振动筛机构的运动分析和惯性力平衡研究 4 3 1惯性力的平衡效果对比分析3 6 4 3 2 输入扭矩的对比分析3 8 4 3 3 连架副反力的对比分析4 0 4 4 部分平衡的验证总结4 4 4 5 本振动筛综合设计的合理性分析与改进意见4 5 4 6 本章小结一4 5 5 结论与展望4 6 5 1 结论4 6 5 2 展望一4 6 参考文献4 8 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果一5 0 致 谢一51 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 联合收割机的发展概况 随着农村经济的高速发展，农业机械现代化的步伐越来越快。自动化机器作为主要 的生产劳动工具已经在我国农村得到了广泛运用，随着农业技术的不断普及、小型农业 机械的快速发展，广大农民运用农业机械获得了极大的利益，更加积极的购置农业机械， 农机化发展进入了非常好的时期。近些年来，规模逐年扩大的联合收割机多领域工作， 使得社会各界越来越关注。 在所有的农业机械当中，联合收割机占据了非常重要的地位【l 】。它能够将谷类作物 的收割、脱粒、分离茎杆、清除杂余物等工序一次性完成，使得人们可以从田间直接获 取谷粒。脱粒机和机械收割机等机器，在联合收割机没有出现之前，已经大幅度地提高 了农业生产率。使得参与收割的劳动人员大为的减少了。等到联合收割机的出现，这一 效率便得到了进一步的提高。联合收割机把收割与脱粒完美地结合为一个整体，使农民 能够运用简单的操作便完成了收割和脱粒。 在国外，联合收割机的研究与应用开始的比较早 2 1 。早在十八世纪的时候，英美等 国就有许多人尝试研制和设计联合收割机，1 9 世纪后期，一些发达国家便开始广泛地运 用联合收割机。到2 0 世纪初的时候，美国的小麦产区便开始大规模地使用联合收割机， 然后迅速推广到加拿大、澳大利亚和西欧等国家。目前，国外的农民越来越趋向于使用 功率大和稳定性好的联合收割机。为了适应这一市场需要，国外的很多生产企业便对联 合收割机进行了一系列的技术改进：例如增大分离系统的结构与尺寸、换用大功率的发 动机【3 1 、采用电子和信息技术系统等。随着信息化推进，各种软件程序和数字逻辑设计 技术将会更为广泛地运用到联合收割机上【4 】。 联合收割机在我国已经发展了几十年，自1 9 9 7 年开始，联合收割机的产量便急剧 上升，保有量也迅速增大。根据农业部的统计，截止到2 0 0 7 年，我国联合收割机的数 量便有6 2 9 万台之多。但是到目前为止，我国联合收割机的拥有量相对于一些发达国家 仍然有很大的差距【5 】，平均下来每台收割机所承担的收割面积却是发达国家的好几倍以 上，我国人口数量长年位居世界第一，但人均耕地面积切很小，因此当务之急便是大力 发展我国农产品的产量，显然联合收割机的高速发展便起到了很好的作用。由此可见， 联合收割机在我国的市场潜力非常大1 6 】。 联合收割机的发展如此之快使得对于其性能的要求越来越高，而对于收割机机构的 平衡性研究便是一项不可回避的任务。收割机在高速的运转过程中，除了有外载的作用 振动筛机构的运动分析和惯性力平衡研究 外，还受到来自其各部件所具有的转动惯量和质量在运动的过程中所产生的惯性作用。 并且这种惯性作用会伴随着机器转速的提高而越演越烈，在机器的高速系统中，其作用 已经远远超过了外载【7 j 。这种随着机构高速运转的惯性作用会产生大量的振动和噪声， 还会对机器造成损害，对机构的运动和动力性能造成了极为不利的影响。尤其是随着农 业机械技术的日趋成熟，我国的联合收割机技术水平正逐步与世界接轨，不仅在数量上 大幅度的增加，而且逐渐向高速、高效、大功率、大割幅、大喂入量的方向发展，这就 对解决收割机的振动问题提出了越来越高的要求。t r 1 2 国内外研究现状 1 2 1振动筛机构平衡的研究现状 几十年前，对于机构动力平衡问题的研究便已经开始了，但是直到上世纪7 0 年代 初对于连杆机构平衡方面的研究才取得了实质性进展，到8 0 年代末期便取得了重大成 就。到目前为止，平面机构动力平衡方面的问题，无论是部分平衡还是完全平衡都已取 得了比较完善的解决，而研究机构平衡所取得的大部分成果都在此范围内i s 。自8 0 年代 以来，学者们将平面机构的平衡原理与方法推广应用到了空间机构，现在已经在惯性力 节( 矩) 的完全平衡和部分平衡方面取得了重要成就，在机构输入扭矩的平衡上也取得了 一定的成果。然而由于空间机构的问题相对很复杂，目前仍然有很多的问题需要深入的 研究。现在，人们正在多指标的机构综合平衡，实际有效的平衡方法以及机构动力性能 的改善等方面进行新的探索，使机构动力平衡的研究变得更加完善。 目前，对联合收割机割台振动的研究大部分资料只考虑发动机和割台传动系统产生 的惯性力引起的振动，而考虑振动筛机构惯性力对收割机振动影响的研究却很少，因此 本文将着重研究对于振动筛机构的惯性力平衡性。收割机振动的研究没有像汽车振动的 研究那样全面，从四分之一模型到二分之一再到整车来研究汽车的振动，大量的研究只 是局限于对曲柄连杆机构的运动学和动力学分析、割刀的动力学分析以及对于惯性力的 计算。减振措施p j 也基本上是用加平衡配重的方法，但是有些机构是很难实现惯性力的 完全平衡的，有些机构，即使理论上可以实现完全平衡，但是由于所加的平衡配重过大， 有的甚至超过原有构件的质量，这样就会带来许多其他方面的问题，因而综合来看不宜 采用完全平衡法。因此在机构设计的过程中常常采用惯性力的部分平衡来减少惯性力所 产生的影响【1 们。 随着社会的进步以及人们生活水平的不断提高，乘坐联合收割机的舒适性也是衡量 其总体性能的一个重要指标。乘坐舒适性好，驾驶人员就不易感到疲劳，因而有利于保 障行车中的安全、有利于更好的发挥收割机动力性能，使收割机的运行平均速率及生产 2 西华大学硕士学位论文 率均能得到较大的提高，相反，舒适性差的联合收割机，有较大的振动并产生较大的动 载荷，会使零件的磨损加剧，甚至引起损害，降低收割机的可靠性和使用寿命。因而联 合收割机的惯性力平衡研究就显得越来越重要。 1 2 2 机构动力学分析方法的研究现状 目前国内外机构动力学方面的分析方法很多，而且已经比较成熟和完善。其中机构 运动学的分析主要是研究两个或者两个以上物体之间的相对运动以及位移、速度和加速 度随着时间变化的关系；动力学则是研究机构产生运动的力【i l 】。传统的振动筛工作机构 运动学、动力学分析方法主要有图解法和解析法。 ( 1 ) 图解法 图解法【l2 j 的主要特点是形象直观，机构各个部分的位移、速度、加速度以及所受力 的大小通过图解可以变得一目了然。图解法通常作为解析法的辅助手段，可用于对计算 得出的结果作正误的判断以及解的初值选择，但缺点就是精度不高。没有经过任何计算， 对曲柄连杆机构进行图解得出速度和加速度的方法最早是由克莱茵提出，但方法却是十 分复杂。 ( 2 ) 解析法 所谓解析法【1 3 】就是列出各个构件的平衡方程，并通过各个构件间的关系联立线性方 程组来求解。解析法通常又包括直角坐标法、单位向量法等。 ( 3 ) 复数向量法 复数向量法【1 4 】即是把每个杆件都作为向量，把它们在复平面上的连接用复数形式表 达出来，对于包括机构的结构参数和时间参数的解析表达式对时间求导，可以得到整个 机构的运动性能。复数向量法是对机构进行运动分析的较好方法。 通过对机构进行动力学和运动学的分析，我们可以很清楚知晓振动筛工作机构的运 动规律和运动性能等，然后能够更好的对机构产品进行创新设计。但是在过去计算能力 还很落后的时代，能够把很多复杂的机械运动用准确的解析式表达出来，却不能把结果 给计算出来供工程设计使用，因而只能用精确度较低的图解法来表示计算结果。随着近 年来计算机技术的高速发展，我们可以有效的利用计算机程序来对非常复杂的动态过程 和运动过程进行求解，长此以往便形成了相关的机械性能分析以及产品设计的方法和理 论。 3 振动筛机构的运动分析和惯性力平衡研究 1 2 3现代机械设计的理论与方法在实践中的应用 随着市场化的高速发展，企业为了提高市场竞争力不断缩短产品的开发周期。但是 为了在降低成本的同时提高产品的质量，除了需要进行很多的实验，分析以及数据处理 外，还需要大幅的增加设计工作。然而怎样解决这这些矛盾呢，我们应该把前期的设计 阶段作为工作的重点，运用比较先进的工具和技术，并同时把现代设计理论及方法应用 进来。现代设计理论及方法是随着科技的进步而不断发展的，狭义方面来讲就是为了设 计而建立各种各样的数学模型以及求解这些模型的技术。它们在联合收割机的设计中应 用的范围非常广，主要包括有限元分析技术、优化设计、机械动力学分析、计算机辅助 设计等。 ( 1 ) 优化设计 优化设计【1 5 j 技术的应用可以有效的改善联合收割机的性能、降低应力、减轻零件的 质量、延长使用寿命、以及提高可靠性和降低设计的成本等。通过选择适合的约束条件 及目标函数对这些要求做精确的数学描述，最终简化为通过约束条件来限定的多元函数 求极值的问题，从而得到整体的权衡方案。一般采用的方法是有约束的非线性规划。 ( 2 ) 有限元分析技术 有限元法是基于变分原理把力学、热力学里面的微分方程边值问题归为泛函求值的 问题，并通过计算机技术来求解的过程。 ( 3 ) 计算机辅助设计 计算机辅助技术c a d 是现代设计方法中的一个很重要分分支，它从根本上改变了 传统的机械设计模式，使得工程设计领域发生了巨大变革。同时它又把现代设计理论及 方法综合应用起来，并有机的把它们集成在c a d 系统中。 ( 4 ) 机械动力学模拟 机械动力学模拟【l6 】是近年发展起来的机械计算机模拟技术。它在设计过程中提供了 对设计方案进行优化与分析的有效手段，从而在机械设计领域被越来越广泛的应用。它 主要是通过计算机建模对系统进行相关的实验研究，并将分析方法应用在模拟的试验 中。运用与实际的物理系统实验相类似的研究方法，结合已有的基本物理原理，在计算 机上进行仿真实验研究。目前的模拟软件主要有a d a m s ，w o r k i n gm o d e l3 d 以及 p r o m e c h a n i c a l 等。这样一来，在进行设计和分析的时候，便无需进行任何的样机生产 和试验。 对机械产品的部件进行装配以及运动学仿真时，可以很好的对部件运动轨迹进行校 核，便于及时的发现运动中的干涉现象，可以很好的研究部件的运动规律。对部件进行 动力学仿真时，可对机构的受力情况进行校核，并可以根据机构的运动约束对机构进行 4 西华大学硕士学位论文 设计优化，并保证机构的性能最优，从而可以最大限度地满足机构的性能要求，对机构 的设计提供指导和修整的作用。目前国内很多的大学与企业之间在机构的运动学和动力 学仿真方面已经进行了大量的研究和局部应用，从而能够在设计的初级阶段便能发现机 构产品的运动干涉现象，进行机构运动学和动力学性能的校核等。为机械的设计提供了 基本的依据。 1 3 选题的背景和意义 本课题来源于云内动力公司的委托项目：联合收割机的设计与改进。目前对于收割机 中发动机以及割刀的惯性力问题研究的比较多，而对于振动筛机构的惯性力研究的比较 少，基于这个状况，本文选择收割机的振动筛机构为研究对象，对振动筛的运动原理和 惯性力平衡问题进行了较深入的研究。 随着机械产品的不断更新与发展，用户越来越重视联合收割机的可靠性以及舒适安 全性。从设计的角度来看，也就是在设计的过程中不仅仅要考虑机构的静力效应，而且 还要考虑机构的动力效应问题，也就是所谓的机构动态设计问题。而动态设计一个很重 要的方面便是机构的平衡。机构的平衡问题在工程设计领域已经越来越重要，随着机器 日益的高速化发展，机构平衡在机械设计和机器使用的过程中越来越重要。 在农业生产丰收的过程中，作物收获是最后一个重要的环节，它对于作物的产量以 及作物的质量均有着很大的影响。作物收获的特点是季节性很强，收获时间紧，任务繁 重，而且易受到风、雨、雪、霜等的侵袭而造成巨大的损失。因此，有效的解决联合收 割机的惯性力平衡问题，对延长机器的使用寿命，减少作物收获的损失以及减轻驾驶员 的疲劳强度均有着重要的意义。当前，人们生产生活的各个方面都存在着机构的平衡问 题，在很多领域，对于机构平衡方法的研究已经非常成熟，但是，机构平衡法在收割机 中的运用却很少。因此，把机构平衡的这些方法引用到收割机振动筛的研究中去，并对 收割机振动筛的运动特性进行分析，为联合收割机的制造与维护提供了非常好的数据支 持，进而为作物收获及农业生产提供良好的保障。 1 4 研究的主要内容 本论文主要是对联合收割机的振动筛机构进行运动分并研究其惯性力的平衡问题。 具体的研究工作如下： ( 1 ) 研究振动筛的筛分原理，通过运动分析和a d a m s 仿真验证实际机构参数设 计的合理性。 ( 2 ) 研究机构的惯性力平衡问题，用一般平衡方法对机构进行惯性力的平衡计算， 由此分析出实际机构的部分平衡方案。 5 振动筛机构的运动分析和惯性力平衡研究 ( 3 ) 从机构综合平衡的角度出发，得出机构综合平衡评价指标，通过a d a m s 的 建模仿真对比，验证部分平衡方案的合理性。 西华人学硕士学位论文 2 筛分原理与机构运动学分析 2 1筛分机构的测绘数据与几何模型 图2 1振动筛机构模型 f i g 2 1 s h a k e rm e c h a n i s mm o d e l 7 ，鬻g建 热 矗 一 一 奴 麓 一 一 一 l 乙 振动筛机构的运动分析和惯性力平衡研究 b 篇 图2 2 振动筛机构简图 f i g 2 2v i b r a t i n gs g t ( 翘 lb o d yd i a g r a m 如图2 2 所示，曲柄摇杆机构清选筛，该机构由曲柄肋、彳f 和摇杆胤历来实现 筛面u 碰的运动，脱出物落在筛面上，经过清选以后谷粒落到筛面下方。这种装置皮 带轮带动曲柄b b 旋转，点、g 点固定在机架上，这种机构结构较简单容易实现。 通过测绘得到曲柄b d = 1 5 r a m ，筛子连杆d f = 7 8 5 m m ，吊杆f h = 1 1 8 r a m ，l f = 5 0 m m ， 筛面长度j l = 3 6 5 ，筛子宽度j i = 4 2 0 m m ，曲柄转速n = 2 8 0 r m i n ，筛面倾角瑾= 2 。，谷粒 与筛面摩擦角为2 3 。 2 2 筛分原理分析 2 。2 1筛分的基本原界介绍 振动筛的工作原理是：振动筛的筛面通过周期性的机械运动使物料等在筛面上作抛 掷和翻滚运动，由于物料具有一定的速度，因而也就具有一定的动能，所以不同的物料 颗粒因质量不同，其动能大小也不同。质量大( 即粒度大) 的物料动能也就越大，动能 越大的物料其运动也就越剧烈，这些物料颗粒通过克服筛面上的摩擦力向物料的上层 运动，而在在运动的过程中又不断地克服物料之间的摩擦力，最终运动到物料上层方位， 8 两华大学硕士学位论文 而粒度较小的物料颗粒因为本身动能小，在物料的不断抛掷和翻转运动中便到达了物 料的下层，最后各种物料在振动筛筛面上便产生分层。小于筛孔的物料颗粒便透过筛孔， 而大于筛孔的物料则继续留在筛面上，并伴随着风扇的作用和筛子的运动最后从排料 端排出，实现了物料的分级过程。 筛分的一般规律与特征表现为【。7 】 ( 1 ) 在筛面的入料端：颗粒粒度一般都比较宽，物料层过厚，因而筛面传递给物料 能量的损失较为严重，物料的分层效果也很差，使小于筛孔的颗粒很难穿过物料层而到 达筛面透筛。 ( 2 ) 而在筛面长度1 4 u1 2 范围内物料的分层效果就要好的多，透筛率比较高。 ( 3 ) 在筛面的排料端：颗粒一般都趋近于或者大于筛孔的尺寸，小于筛孔的颗粒供 应非常少，影响小于筛孔的颗粒透筛。 通过以上对于筛分规律和特征的描述，理想的筛面运动方式中应具有的振幅和速 度的规律应该是： ( 1 ) 筛面的入料端在垂直方向上的振幅应大于排料端垂直方向上的振幅。入料端在 垂直方向上有较大的振幅可以使得该段较厚的物料层实现有效地分层，而且借助适当 的筛面倾角，可以使物料迅速的向筛面中部移动，并疏松地铺展开来，为物料的筛分 创造了良好的透筛环境。而在筛面的排料端，因为物料已经具有了良好的分层，所以只 需要较小的振幅就可以达到良好的筛分效果。 ( 2 ) 沿着筛面的方向上，从前面的入料端到后面的排料端，物料运动速度呈递减状 态分布，可以使得物料层在整个筛面上都能保持一定的厚度，从而保证物料在更长的 有效范围内实现良好的分层，提高了透筛的效率。 所谓物料的筛分就是把颗粒状的物料通过一层或几层筛网使所有的物料按照颗粒 的大小分成多种粒度级别的工艺过程。筛分作业采用的- 丰要工具便是筛网，并依靠筛网 上一定尺寸的筛孔来完成分级的任务。 筛上物：筛网上经过筛分作业的物料颗粒。 筛下物：通过筛孔的物料颗粒。 物料颗粒能够通过筛网的条件： ( 1 ) 颗粒最大尺寸小于筛孔。 ( 2 ) 有充分的透筛机会。 假定振动筛机构中颗粒的尺寸小于筛孔，可是当物料以很快的速度沿筛面运动，即 筛子摆动的速度过大时，物料颗粒下落时便会碰撞在筛孔上；颗粒与颗粒之间也就会产 生相互挤压的现象，进而在筛网上堆积拱起，从而阻碍颗粒透过筛网，这样一来，即使 9 振动筛机构的运动分析和惯性力平衡研究 筛孔比颗粒大好几倍，物料也难以透筛。反之，当筛子的摆动速度过小的时候，谷粒与 筛子之间的相对运动就会越小，而谷粒筛分的效率就变得越低。由于筛予摆动的速度取 决于曲柄的转速，所以对于曲柄转速的选择不易过高或过低。通常选n = 2 3 0 口3 0 0 转分 【1 8 】 o 筛子通过振动的作用，使的物料变得松散，破坏颗粒自砌产生的拱体；并使物料不 断的向排料端运动；因此振幅大，则碎杆等一些杂物脱离筛面的速度就会越快，生产效 率就越高，可是随着筛子振幅的增大，筛子机构传给机架的惯性力也跟着会变大，机架 的振动现象也会变得严重，同时谷粒会因为来不及分离便被筛子抛出机外。反之，振幅 小，则谷粒等一些混杂物停留在筛面上的时间也就越长，谷粒也就有更多的机会被筛子 分离出来，损失就降低的越小，可是这样一来，生产率会很低。且容易造成堵塞，从而 影响收割机的正常工作。因此对筛子振幅的选择不宜过大也不宜过小，应该在筛分的实 践中进行适度的调整。一般而言，当收割机收割清选量大的作物时( 比如湿度较大，叶 杆较多的水稻) ，就需要增大振动筛的振幅，以此来提高谷物的清选效率；反之，当收 割清选量不太大的农作物时，就需要减小振动筛的振幅，以减小谷物清选造成的损失。 2 2 2 筛分的运动参数分析 如图2 2 所示，振动筛是吊挂在两对吊杆上的，组成一双摇杆机构，由曲柄连杆机 构传动。为了增长清选时间，筛子安装时与水平成一不大的角度口( 前低后高) 。一般 口= r 口3 。，个别机器上有7 。口8 。，本文研究的振动筛上偏角为2 。( 见图2 2 ) 。当筛子 摆动的，位于筛面上的脱出物的惯性力( 其方向沿r x 方向) ，有使脱出物抖松的作用， 可以提高清选效果。 一般情况下，振动筛机构由于曲柄的带动，在水平方向和垂直方向上都有位移，但 由于吊杆和连杆( 筛子) 的长度相对于曲柄半径来说非常的长，垂直方向上的位移也非 常的小。为了更好的研究曲柄转速以及曲柄半径对筛面上谷粒的影响，可以假定筛子【1 9 】 是作摆幅为a = 2 r ( 产为曲柄半径) 的直线往复运动的，因此其y 方向的位移便可以不考 虑。为了便于分析，设曲柄旋转的角速度为国，曲柄半径为乃以曲柄在最左面位置时 作为筛子的位移和时间的起始相位，则筛子上任一点的水平位移、速度和加速度与时间 的关系为： x = r ( 1 - c o s g o t ) 屹= d z 。= o r s i n g o t 1 0 两华大学硕士学位论文 ( a ) ( b ) 口- - 尘= 0 3 2 f c o s 耐 口x5 瓦 伽 n n m g 图2 3 筛子运动分析简图 f i g 2 3 s i e v em o t i o na n a l y s i sd i a g r a m ( a ) 谷粒沿筛面后滑的受力情况( b ) 谷粒沿筛面前滑的受力情况 振动筛机构的运动分析和惯性力平衡研究 从上式可以看出，当耐在。口号和等口2 zx u n 水i ，加速度口是正值，方向沿工轴 向右；而删在三2 口塾2 区间时，加速度口是负值，方向沿工轴向左。 假设在振动筛的筛面上有一质量为m 的谷粒跟着筛子一起运动，则该谷粒的惯性力 便为“= 一m a x ，其方向和加速度的方向相反。在耐= o 口号和等口2 万区间的时，惯性力 为一负值，方向沿着工铀向左，谷粒有着沿筛面向后滑动的趋势。在i o ) t = 三2 口旦2 区间的 时候，惯性力为一正值，方向沿着x 轴向右，谷粒有着沿筛面向前滑动的趋势。 当谷粒沿着筛面滑动的时候，作用在谷粒上的力，除了重力m g 以外，还有筛面的 法向反力以及摩擦力，。当分析谷粒沿着筛面的相对运动状况时，可根据机构的动态 静力分析法，把谷粒的惯性力也加在谷粒上，和其它作用在谷粒上的力一起分析。这样 一来，只有当这四个力达到乎衡的时候，谷粒才具有沿筛面滑动的可能【2 0 1 。 所以，谷粒沿着筛面向前滑动的极限条件为( 如图2 3 a ) “c o s + m g s i n a = f ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中惯性力： u = m ( 0 2 r c o s c o t ( 2 2 ) 摩擦力； f = n o 留9 ( 2 3 ) 法向反力； 。 n = u s i n a + m g c o s a ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 中： 9 是谷粒和筛面之间的摩擦角。 将式( 2 1 ) 和式( 2 4 ) 代入( 2 3 ) 后得： u c o s a + m g s i n a = u s i n a + m g c o s a t g t p u c o s a s i n a t g o = m g ( c o s v t t g r p - s i n a t ) u c o s a c o s e p s i n a s i n t p = m g ( c o s a s i n p - s i n a c o s ( p ) 将式( 2 2 ) 代入后得 m 0 0 2 r c o s c o t c o s ( c z + 妇p ) = m g s i n ( e p - a ) c o l 。一s i n ( 妒- a ) 一g 瞄扯翻c o s l 口+ 妒j 1 2 西华大学硕士学位论文 因为e o s c d t 1 ，欲使谷粒向前滑动，则必须满足： 譬 拳高= ( 2 5 ) 把已知振动筛机构的曲柄转速以及曲柄半径，代入到式( 2 5 ) 可得： 生= 1 3 1 4 一s i n ( q ，- a ) ：o 4 g c o s ( a + c p j 式子成立，由此可知，曲柄转速与曲柄半径的参数满足机构的设计要求，。 脱出物沿筛面向后滑的条件为( 图2 4 b ) ： u c o s a = f + m g s i n a 法向反力： n = m g c o s a u s i n 口 将u 和f 的值代入后得： 尘g 驾c o s t a 葛= 一9j 一 同理可得： 尘= 1 3 1 4 s i n ( 呼a - a ) ：o 4 5 gc o s ( a + 伊j 可知现有的振动筛机构亦满足该条件。 当惯性力u 沿着x 轴向右的时候，筛子对谷粒的法向反力便为： n = m g c o s a us i n a = m g c o s a m o ) 2 r c o s c o t s i n a 随着2 ，的不断增大，法向反力逐渐减小。当( 1 9 2 ，的值增加到某一值的时候，n = o ， 此时谷粒将被抛离筛面。因此，谷物不被抛离筛面的条件便为： 竺 垩：h = 2 9 g s 1 n 口 。 通过计算可知竺= 1 3 1 4 ，f _ _ = 7 _ 三：7 t _ 、 钔珏“ 姐 酊 珏 n 鞋泪嗡 图4 4 b机构总质心的纵坐标 f i g u r e4 4 b t h et o t a lb o d yc e n t e ro fm a s sv e r t i c a lc o o r d i n a t e 一l ；l 、i ，、 ，、 ，、 t 、| ， 、 焱；。瓜，叭 氏 糕j 以k 办， 一 鼍产迨广 | 1 曩x 。7 ，；飞1 歹。! 一丁弋 、爿： o叮；m 髟 1 、，t 、 r ，、 l 、 ，、， 、，、- 。 l l ： |。l ll| lll 证蟠珏甜旺拍 n 豫樽嚼 图4 5 a 机构在石方向的惯性力 f i g u r e4 5 ab o d yi n e r t i a lf o r c ei nt h ex d i r e c t i o n 部分平衡 平衡前 平衡后 平衡后 部分平衡 平衡前 振动筛机构的运动分析和惯性力平衡研究 平衡后 部分平衡 平衡前 锄让“珏b 值 日瞳拥鞫 图4 5 b 机构在z 方向的惯性力 f i g u r e4 5 b i n s t i t u t i o n si nzd i r e c t i o no ft h ei n e r t i a lf o r c e 从图4 4 ( a ) ，( b ) 可以看出，平衡前机构质心随曲柄的转动，在x , z 方向都有较大的位 移波动，质心位置的这种波动会引起机架较大的振动，严重降低机器的精度，产生噪声， 加速机器磨损，平衡后质心沿x , z 方向的位移波动大大减小，表明质心位置相对比较稳 定。 从图4 5 ( a ) ，( b ) 可以看出，机构惯性力平衡后，沿x , y 方向的机构总惯性力分量都减 小了，惯性力波动值也大大减小，表明添加平衡配重后，平衡效果较好 4 3 2 输入扭矩的对比分析 二i y 一 一 一 - 上。f 。 一瞳礓礓唯q囊 西华大学硕十学位论文 1 5 e o 饲嘲o 蹴o 1 钿撩1 5 嘲 图4 6 完全平衡 f i g u r e4 6c o m p l e t e l yb a l a n c e d | ： l | ： ； ：i 八 刚、m 气、洲 俐蛳_ 蚺、w 蝌焖一 o 叠覆lo 口o 30 405o 8魏7馥8o 01 口 t 妇俾崎 图4 7部分平衡 f i g u r e4 7 t h ep a r t i a le q