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发布时间:2019-11-08 06:24

  太原理工大学硕士学位论文 直线振动筛的动力学分析与结构优化设计 姓名:刘洁源 申请学位级别:硕士 专业:机械设计及理论 指导教师:任家骏;刘军 201205 太原理工大学硕士研究生学位论文 直线振动筛的动力学分析与结构优化设计 摘要 振动筛是一种广泛应用于煤炭等行业,用作物料的分级、洗涤、脱水、 脱介的筛分机械。其中,直线振动筛以其生产效率高、分级效果好、检修 方便等优点得到了广泛的应用。在工作过程中,振动筛的动态性能直接影 响筛分效率和使用寿命。因此,研究振动筛的系统结构及其动力学响应, 并进行结构优化设计,使其性能符合设计与生产要求是非常有必要的。 本文以某矿山机械有限公司的ZKl230型直线振动筛为研究对象,利用 有限元分析软件Ansysl2.1对筛箱结构进行动态分析,并做了结构优化,提 出了调节筛箱质心的新方法,得到了具有一定参考价值的优化结果。 本文主要做了如下几方面的工作:结合工程图纸以及振动筛的系统结 构,建立ZKl230型直线振动筛筛箱的有限元模型,在Ansys中对筛箱进 行模态分析和谐响应分析,结果表明结构不会发生共振,但筛箱给料端的 位移较大,且排料嘴挡板处的最大动应力值比较接近许用应力值。针对以 上分析结果对排料嘴结构进行改造,同时,在UG中对ZKl230型直线振 动筛进行质心测量,得知该振动筛的质心偏离振动方向线mm,由 于质心位置不当是造成筛箱各部位振幅不均的原因,且采用传统方法无法 实现优化,本文采用新颖的横梁直线可行域质心调整法优化筛箱结构,使 振动方向线通过了筛箱质心。优化后动力学分析结果显示,工作频率下筛 箱的位移得到了改善,且排料嘴挡板处的应力集中现象消失,最大动应力 从88 MPa降低到42.3MPa,说明优化方法合理且具有一定的效果。 太原理工大学硕士研究生学位论文本文首次把调整筛箱质心的优化方法用于振动筛结构的优化上,且分析 验证了其合理性,取得了良好的效果,并且提出了调整质心的新方法:横 梁直线可行域质心调整法,该成果针对振动筛的实际问题并结合传统质心 设计方法的优点为直线振动筛的改造提供了新的途径,对于类似问题也具 有一定的参考价值。 关键词:直线振动筛,动力学分析,结构优化,质心调整 太原理工大学硕士研究生学位论文 DYNAMICANALYSISANDSTRUCTURE OPTIMIZATIONDESIGNOFTHELINEARBRATING SCREEN ABSTRACT Vibrating screenis widelyapplied manyindustriessuchascoal industry usedasmaterial classification,washing, dehydration andmedium drainaging. Amongthem,linear vibrating screen hasbeen widely used itshigh productionefficiencygoodgrading effectandconvenientmaintenance.Inthe process operation,thevibratingdynamicperformancedirectlyinfluencesthe screeningefficiency andservice life.Therefore,it necessarytoresearchonthe vibratingsystem andits dynamicresponse,and optimizethescreen structure, making its performancemeetsthe requirements production.This paper tooktheZKl230 vibrating screenofa miningmachinery Co. Ltd.astheresearch object,made thescreenboxandoptimized its structure using thefinite elementsoftwareANSYS1 2.1,and proposed anewmethodof adjustingcentroidofthe screen box,got some optimalresultswitllcertainreferencevalue. This papermainly didthe following works:combinedwiththe engineering drawings vibratingsystemstructure,afiniteelementmodeloftheZKl230linear vibrating screenboxwas established,andmodal analysis andhannonic 工II 太原理工大学硕士研究生学位论文 responsesanalysis havebeenfinished.Theresultsindicatethatthestructurewill haveno resonance,but feedingendhas greater displacement andthe maximum dynamic stressofthe discharging mouthbaffleisclosetoallowable stress value.Basedontheabove analysisresults,the baffle’structurewas modified.Meanwhile,centroid oftheZKl230 vibrating screendeviatedfrom thelineofvibrationdirection12.0454mrn bymeasuring inUGOneofthemost important cause ofuneven amplitude impropercentroid position,and traditionalmethodis difficult achieveoptimizationpurposes.Thispaper adoptedbean’straight linefeasibledomainmethodto optimize thescreenbox passedthelineofvibrationdirection through thecentroid.The dynamic analysis resultsafter optimization showthatthenewmethodisreasonableand effectiveforthatthe displacement underthe workingfrequency thestressconcentrationofthe discharging mouth disappears,the maximum dynamic stressalsoreducesfrom88MPato42.3MPa. This paper first time applies adjustingcentroidmethodto optimize vibrating screenanddemonstrateits rationality validitybytestingresult This paper also proposes anewmethodof adjusting centroidwhichisnamed bean'straight linefeasibledomainmethod.Combinethe vibrating screen’Sactual problem advantagesofthetraditionalcentroid designmethod,the new memodoffersanew way fortransformationoflinear vibrating screenandhas referencevalueforothersimilar problems. IV 太原理工大学硕士研究生学位论文 KEYWORDS:linear vibrating screen,dynamicanalysis,structural optimization,centroidadjustment 太原理工大学硕士研究生学位论文Vl 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 社会工业的发展依赖于能源。在我国,煤炭产业是工业发展的基础,对于煤炭的生 产和需求量也是很大的,在一次能源中我国对煤炭需求也一直占有相当大的比重。选煤 是煤炭深加工包括制水煤气、洁煤技术和气液化的首要任务也是基础任务【l】o筛分又是 选煤工艺过程中必不可缺的工作环节,在选煤的生产流程中,很多作业是靠筛分机械完 1.1课题的研究背景和意义筛分技术和筛分机械在经济发展的大背景下也迅速的起步并且已然成为目前应用 比较广泛的机械。筛分机械在很多行业和生产领域中都担负着重要的角色,诸如在煤碳 冶金以及水利化工等部门,主要依靠筛分机械来完成分级以及脱水脱介的任务,生产效 率和工艺过程的好坏也主要由筛分机技术水平和筛机的性能决定【lJ。 筛分工艺的重要性在煤炭加工行业体现的最为突出,为了使煤炭产品的各项指标满 足用户要求,筛分机械担负着不可替代的角色,而且也为保护环境、合理利用煤炭资源 及为煤炭行业增加收益发挥着重要的作用【2】。在水利部门利用振动筛对煤进行预先筛分 和沙石的分级;在交通部门及铁路建设中需要对石渣、沥青混凝土等进行筛分。 随着大型煤炭、矿山工程项目的不断增多,振动筛正向着工作环境恶劣化、产品结构 复杂化、设备大型化发展,对筛分效率、筛分精度等一些工作性能的要求也不断提高, 尤其对于大处理量以及难筛分的物料。因此,筛分机械将会面临更多的挑战,但与此同 时也为其发展带来了良好时机。由于筛分机械工作条件恶劣,受力情况复杂,筛分机经 常会出现如侧板开裂、横梁断裂、前帮开裂和排料口横梁断裂等问题【34】,这些情况会 对生产效益造成很大的影响。振动筛工作时不可避免的会产生振动和噪声,不仅严重损 害工作者的身体,还造成了环境污染,而且筛分机械的筛分效率和生产率也直接受其动 态性能的影响。因此,在筛分机械的设计和研制过程中,要以振动小、噪声低、消除应 力集中,避免发生共振,满足静态和动态特性要求为目标【51。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1.2筛分机械技术的发展 1.2.1国外筛分机械发展概况 国外筛分机械起步的较早,世界上第一台煤炭用固定筛于16世纪诞生在英国,并 且在随后的两个世纪筛分技术迅速的发展着。从19世纪到本世纪,伴随着工业的发展 使能源的消耗也大幅度增加,从而矿山项目也不断增加。因此,筛分机械也得到了迅速 的发展。 基于计算机辅助设计技术的发展,国外的一些企业制造出了具有世界先进技术水平 的大型和特大型振动筛且应运于不同的行业,其中一些设备也代表了筛分机械发展的趋 势。世界上最大规格的振动筛诞生在德国Hayer&Soecker公司,该振动筛具有42平方 米的工作面积和10000t/h的处理能力。原瑞典Svedala公司所生产的用于印尼金矿的振 动筛在当时也成为了最大的双层直线振动筛。前苏联研制出了自同步直线振动筛,这种 振动筛结合了共振筛和直线振动筛的优点。REXNORO公司和日本株式会社为了使细粒 的一次分级更加容易,通过分析旋回和旋转运动制造出了的垂直料流筛。英国研制出了 旋流概率筛,为从湿原煤中筛出细末煤找到了途径。目前,国外振动筛正向筛机的高效 性、专业化、可靠性和大型化发展,并结合各个行业的特点,形成了较为完整体系【6瑙J。 1.2.2国内筛分机械发展概况 我国筛分机械刚刚起步的时候,工业底子较差,筛分机械的生产和研发水平都落后 于其他国家。自建国的50多年来,我国筛分设备主要经历了以下四个发展历程‘1’8】: 1、设备进口阶段 解放以前,大部分的选煤和矿山工程都是通过人力完成,仅有的少数固定筛和摇动 筛都是进口而来,而且只有在很少的一些企业才能使用。 2、测绘仿制阶段 建国初期,国内制造行业使用的筛分设备是从波兰和前苏联进口的吊式直线振动筛 和TYII圆振动筛。为了形成国产型号,我国对引进的筛机作了测绘仿制,并以当时全 国的几个主要生产制造单位如上海冶金矿山机械厂等为主不断的进行探索研究,成功开 发出了国产型号筛机,这一举措表明国产型号筛机初见雏形,这些型号主要包括SSZ直 线振动筛、Sz惯性筛和SZZ自定中心筛。 太原理工大学硕士研究生学位论文3、自行研制阶段 为了满足当时中小企业的生产要求,也基于对筛机的研发才处于初期,1967年我 国联合了多家设计单位成功制造了我国第一个用于煤炭行业的振动筛,在随后对ZDM系 列单轴振动筛和ZSM双轴系列振动筛进行了设计生产并很快投入使用。基于以上的研发 成果,专家设计人员又进行了FQl224复合振动筛、2ZKB2163直线重型振动筛的研制,研发过程引用了自同步理 论和块偏心式激振器等先进的技术,并于1980年投产制造,而且应用也很广泛,这些 技术成果是我国筛分机械研发道路上的里程碑,我国也从此迈上了自主研制的大道。 4、引进提高阶段 20世纪80、90年代,我国刚刚走上筛分机械的自主研发道路,很多技术还处于摸 索阶段,需要引进国外的设备提升研发实力。1986年,由于当时日本神户制钢所振动 筛制造技术较为先进,其中以HLW型振动筛为代表,我国组织学习并引进了该项技术。 1991年,唐钢使用的SZB3138大型热矿筛是由鞍山矿山机械厂和东北工学院联合设计 的,SZB3138的诞生开拓了我国生产大型热矿筛的新途径。我国筛分设备的工程技术人 员不断深入研究新的筛分理论和技术,积极探索新型材料和工艺,并且对筛网和轴承等 一些特殊部件重点进行研究,筛网正积极探索聚氨酯筛网和橡胶筛网等,支撑原件正在开发复合弹簧和橡胶弹簧。技术人员不断强化筛分机械的技术参数,增强筛机振动强度, 提高单位面积承载能力和生产能力,以使筛机的设计与生产达到一定的标准并形成系 列,减少成本,增加企业效益,设计过程中兼顾降低生产噪声,提高环境质量,以开发 出更高效的筛分设备。 1.3筛分机械的用途及分类 1.3.1筛分作业的种类 在选煤厂,主要在原煤准备和产品处理上需要筛分作业,筛分作业可以分为以下几 种‘1-2】: 1、准备筛分 为了使原料煤粒级有所分层,需要进行准备筛分,所谓准备即是为随后的破碎和分 选做准备。对于破碎筛分,为了将超过分选上限的颗粒分离出来需要进行准备筛分,防 太原理工大学硕士研究生学位论文止已经合格的颗粒再次破碎,从而能提高了生产效率,也节省了成本。对于分选作业, 由于不同的选煤方法对入料粒级的要求不同,所以需要对原煤按照粒级的不同进行分 2、检查筛分在破碎作业之后,通过检查筛分将粒级不符合要求的物料再次破碎。 3、最终筛分 将筛分得到的各级粒度的产品提供给用户称为最终筛分,粒级的确定要依据用户要 求、物料性质和粒度组成。 4、脱水筛分 煤的水分是由煤内吸附的内在水和煤表面的外在水分两部分组成,脱水筛分主要是 脱去煤表面的外在水分,脱除外在水分主要通过以下两种方式,其一是通过物料撞击筛 面使水分抖脱;其二是物料外在水分的含量与粒度有关,颗粒表面积与质量的比值代表 着颗粒的含水量,粒度越小时这个比值越大,含水量越高,将这些小颗粒的物料筛下, 伎小颗粒在物料的总体比重降低,水分也就随之下降。 5、脱泥筛分 为了减少精煤中的灰分和细泥,仅通过普通的筛分往往难以完成,需要在筛分过程 中加水喷淋冲洗,使细泥滤出,称为脱泥筛分。 6、脱介筛分 脱介筛分就是为了脱除煤粒中夹杂的细小的加重质,在筛分过程中通过压力水喷 洗,以使附在颗粒表面的重介质脱除并将其回收利用。 7、选择性筛分 选择性筛分是指筛分时不仅按照粒度还要根据质量进行分级。 8、煤泥回收 在选煤厂脱除煤泥、尾矿中的水分时一般采用煤泥回收。 1.3.2筛分机械的种类和特点 筛分机械种类繁多,按照筛机运动形式和筛面结构,一般分为:固定筛、辊轴筛、 滚筒筛、摇摆筛、弧形筛、电磁振动细筛、无振动离心筛、振动筛等【11。目前,筛分机 械中应用最普遍的是振动筛,振动筛是一个弹性振动系统,主要由筛箱、激振器和弹簧 太原理工大学硕士研究生学位论文支撑组成,其激振力由不平衡转子(偏心块或偏心轴)旋转产生的离心力提供,此激振 力使筛箱在特定的频率和振幅下持续振动,也为物料在筛面上发生跳跃提供了动力,振 动筛的具体分类见下表【9】: 表1-1振动筛的分类 TableI-1 Classification ofVibrating Screen 分类依据 振动类型 按激振轴数量 单轴振动筛 双轴振动筛 多轴振动筛 按筛箱运动轨迹 直线振动筛 圆振动筛 椭圆振动筛 特殊轨迹振动筛 按筛分原理 一般振动筛 等厚振动筛 概率筛 琴弦筛按筛网层数 单层筛 双层筛 多层筛 1、按照激振轴数量 (1)单轴振动筛是通过一根偏心轴旋转产生激振力,离心力失端轨迹为一以偏心 轴旋转中心为圆心的圆。当离心力中心与振动筛参振质量的质心重合时,为圆运动振动 筛,筛箱上任意一点的轨迹为圆,对物料的输送能力较差。当离心力中心与振动筛质心 有所偏离时,振动筛质心运动近似为圆,筛箱前后端及侧板的运动轨迹近似椭圆。椭圆 振动筛由于物料在入料端运动的较快而在出料端运动的较慢,因此增加了物料透筛的概 率【lol。 (2)双轴振动筛按照运动轨迹可以分为双轴圆振动筛、双轴直线振动筛、双轴椭 圆振动筛和双轴特殊轨迹振动筛。 太原理工大学硕士研究生学位论文双轴直线振动筛采用两根做等速反向旋转的不平衡转子,两不平衡转子产生的离心 力在某一方向上的分力完全抵消,而在垂直于该方向分力完全叠加,且其大小按正弦规 律变化。当离心力的合力通过振动筛参振质量质心时,振动筛就沿合力方向做直线振动, 成为双轴直线振动筛。双轴圆振动筛与单轴圆振动筛原理相似,只是有两个等速同向旋 转的激振轴,并且激振力也比单轴圆振动筛的要大。双轴椭圆振动筛两激振轴的偏心块 质量与偏心距的乘积不相等,当作等速反向旋转时,两轴的离心力在某位置时刚好相反, 在垂直于该位置时刚好相同。两轴合力的失端为一椭圆,当椭圆的中心与振动筛质心重 合时,振动筛就做椭圆振动。 (3)多轴振动筛用于振动筛筛分面积较大时,采用三轴或三轴以上的多轴激振器 能够得到很大的激振力。目前,投入应用的多轴振动筛只有强迫同步的三轴振动筛,以 椭圆运动为主。 2、按照筛箱运动轨迹 筛箱的运动轨迹包括直线运动轨迹、椭圆运动轨迹和圆运动轨迹【11】。 (1)直线振动筛的不平衡重只沿某一方向产生合力,振动筛沿这一方向作直线振 动,且筛箱各点处的运动轨迹为直线)椭圆振动筛的不平衡重回转时在两个方向产生力,筛箱上各点处的运动轨迹 为椭圆,并满足以下方程: 毒哮卅(Ax:Ay) (1-1) 式中:X、y——振动筛沿X和Y方向引起的位移; 彳,、彳,——位移幅值。 (3)圆振动筛工作时,不平衡重在两个方向产生力,筛箱上各点的运动轨迹均为 圆,且满足以下方程: 3、按照筛分原理(1)等厚振动筛利用等厚筛分原理,物料在入料端获得较大的加速度,在筛面上 太原理工大学硕士研究生学位论文以很快的速度移动并且物料层迅速变薄,同时按照粒度分层,分层后的物料加速度会降 低到普通加速度并且透筛,等厚振动筛在筛分过程中,从入料到排料物料层的厚度保持 不变【12】。 (2)概率筛分最早是由F 摩根森提出的,依据统计学原理,物料群中不同粒级 的颗粒在筛分时透筛的概率是不同的,按照这个原理设计的振动筛称为概率筛,也叫摩 根森筛【131。 (3)驰张筛采用特殊弹性的筛面,在筛面的驰张运动中筛孔的变形较大,而且筛 面具有很大的上抛加速度,使物料产生跳跃和翻滚运动,不容易发生堵孔现象。 (4)琴弦筛采用琴弦式筛网,用于细粒物料的筛分。 1.4课题研究的内容及方案 本文以某矿山机械有限公司的ZKl230型直线振动筛为研究对象,从工程实际出发, 在分析直线振动筛的筛分原理以及计算动力学参数的基础上,利用有限元分析软件 Ansysl2.1对ZKl230型直线振动筛的筛箱结构进行了动态分析,并且通过动态分析结 果,对筛箱进行了结构优化,包括筛箱质心调整优化,提出了调节质心的新方法,得到 了具有一定参考价值的优化结果。 本论文的研究方案如下: 首先深入研究直线振动筛的工作原理,结合振动筛的结构以及筛分原理,建立了直线振动筛的力学模型,并且对振动筛的相关动力学参数进行了计 算,以便动态分析时使用。 结合工程图纸以及振动筛的系统结构,在三维建模软件UG中建立ZKl230型直线振动筛筛箱的实体模型,并对实体模型进行简化,忽略次要因素, 然后导入Ansys中,划分网格后建立筛箱的有限元模型。 在Ansys中对筛箱进行动力学分析。首先进行模态分析,获取筛箱的前15阶固有频率和振型,分析振动筛在工作过程中是否发生共振。然后对筛箱 进行谐响应分析,求解筛箱在工作频率下的动态响应,得到筛箱的位移分 布云图和等效动应力分布云图。 根据动力学分析结果,找出筛箱的薄弱环节,检查振动筛是否存在位移过大或应力集中的部位,并结合大多数直线振动筛普遍存在的质心选择不当 太原理工大学硕士研究生学位论文的问题,采用计算机辅助横梁直线可行域法调整筛箱质心,对筛箱结构作 出改进,从整体上优化筛箱结构。 对优化后的筛箱结构再次进行模态分析和谐响应分析,以验证优化的合理性以及优化效果。 1.5本章小结 本章从国内外筛分技术的发展状况出发,介绍了筛分作业的方式以及筛分机械的种 类和特点,提出了课题研究的背景和意义,重点阐述了本论文的主要研究内容及研究方 太原理工大学硕士研究生学位论文第二章直线振动筛的工作原理及参数计算 2.1直线振动筛工作原理与结构分析 2.1.1直线振动筛的结构组成 直线振动筛归类于双轴惯性振动筛,是由两套偏心块或偏心轴组成,两套偏心块或 偏心轴采用同步反向旋转,形成的离心力合力使筛箱沿一直线振动,所以称为直线振动 筛。本文所讨论的ZKl230型直线振动筛主要由激振器、筛箱、电机、传动装置、支撑 装置等组成。如图2.1所示,筛箱又由筛板、筛板固定装置(木楔座)、侧板、上横梁、 下横梁、外衬板、内衬板、给料箱、排料嘴、纵梁、加强筋等组成。 ZKl230型直线Linear Vibrating Screen 1、ZKl230型直线组筛帮式块偏心激振器,分别安装在筛框两侧板上, 应用自同步原理两根轴上的激振器分别经联轴器由两套电机 驱动。筛帮式块偏心激振器由轴、轴承座、滚动轴承、主、副偏心块等组成,主、副偏 心块之间的夹角可以调整,通过改变夹角大小来改变偏心块质心回转半径,从而改变激 振力幅值,如图2.2。 主偏心块/,,一一 图2-2激振器结构示意图列FIG.2—2 StructureChartoftheVibratingExciter 2、电机与激振器之间采用直接传动方式,由轮胎联轴器连接。轮胎联轴器的挠性 胶片在切向具有很大的刚度,且要远大于径向刚度,因此组成联轴器在切向可以传递很 大的扭矩,2号站利用其径向刚度小,能够达到减小径向跳动的目的。两激振器之间采用万向 传动轴连接。 3、上下横梁均采用无缝钢管,两端通过焊接法兰与筛框侧板连接,法兰焊后为消 除内应力,需经过退火处理。 4、内外衬板、横梁、给料箱、排料嘴与筛框侧板之间均通过环槽铆钉连接,避免 了因焊接应力而造成的侧板开裂和横梁断裂等问题。 2.1.2直线、惯性振动筛的传动方式 惯性振动筛的传动方式包括非直接传动和直接传动【l-2J: (1)非直接传动按照是否采用挠性联轴器分为两类:一种是电机通过三角胶带减 速后,直接连接激振器,采用非挠性联轴器;另一种是电机经过三角胶带减速后,通过 轮胎联轴器连接激振器,采用挠性联轴器。 (2)直接传动指电动机不接三角胶带通过联轴器直接驱动激振器。在直接传动中 采用的联轴器有三种形式:轮胎联轴器、万向联轴器和橡胶联轴器。 1n 太原理工大学硕士研究生学位论文 2、减振装置 减振装置主要有两种类型:吊式减振和座式减振。目前比较常用的是座式减振装置。 座式减振中的主弹性元件为橡胶弹簧或金属螺旋弹簧。金属螺旋弹簧具有良好的动力性 能,但上下端面的精度不易保证。橡胶弹簧的内阻大,噪声低,对地基的动负荷大,易 老化。振动筛的减振装置的刚度既决定着振动筛工作的稳定性又决定着弹性系统的工作 状态,选择适当的弹簧刚度可以减小传给地基的动负荷【l。21。 2.1.3直线是直线振动筛的工作原理图,筛箱座式支撑在橡胶弹簧上,激振器两轴上的 偏心块的质径积均相等且偏心质量以等速反向回转,激振器两轴以Y—Y轴线对称布置, Y—Y轴线通过筛箱质心且与水平方向成450夹角。每一瞬时,两轴上的离心力分解到x 和y方向,沿x—x方向的离心力分力相互抵消,沿y-y方向的离心力分力相互叠加,因 此振动筛最终受沿y-y方向的简谐激振力作用,驱动筛箱沿Y方向作往复式直线位置时两轴上的离心力完全叠加,激振力达到最大,在2、4位置时,两 轴上的离心力完全抵消,激振力为零【1J。 图2-3直线振动筛工作原理FIG.2-3 OperatingPrinciple ChartoftheLinear VibratingScreen ll 太原理工大学硕士研究生学位论文 2.2直线振动筛物料运动分析与工艺参数选择 2.2.1筛面物料运动分析 1、筛面运动方程 直线振动筛的筛面沿振动方向做直线运动,其位移可表示如下【2】: sin缈=Asin纠 (2-1) 式中:S——筛面运动的位移; 4——筛面沿振动方向的单振幅; 缈——振动相角,缈=rot; f——转动时间; 彩——激振器回转角速度。 将筛面运动的位移按照平行于筛面的x方向和垂直于筛面的Y方向分解,可得到如 下分量: Y=Asincotsin (2-2) x=Asincotcosfl (2-3) 求解式2—2、2—3对,的一阶和二阶导数,从而得出筛面沿x、Y方向的速度和加速 夕=Acocoscotsinfl(2-4) j:=AcocoscotCOS 歹=一Ac02sinflsincot(2.5) (2.6) 芰=一Ac02 cosflsincot 式中:侈——振动方向角,即物料跳离筛面的瞬间与筛面的夹角,又称抛射角。本文所研究的振动筛为45。。 2、筛面物料运动分析 筛面上的物料大致可以分为四种不同的运动状态‘141:相对静止、正向滑动、反向 12 太原理工大学硕士研究生学位论文 滑动和抛掷运动,这与振动筛采用不同的运动参数有关,包括振动方向角、筛面倾角、 振幅、频率等。抛掷运动指物料颗粒在筛面上的运动状态,物料被抛起时沿工作面向前 做抛物线运动,本论文就抛掷运动的基本理论进行分析。 物料做抛掷运动时在筛面上的受力情况如图2-4所示【15】: 图2-4物料颗粒在筛面上的受力状态 FIG.2-4 ForceStateofMaterialGranulesontheScreenSurface 为了简化分析,需要忽略颗粒问的相互摩擦而只考虑单颗粒物料在筛面上的运动 状态。图中筛面沿S方向振动,位为筛面安装倾角,F为筛面对物料的静摩擦力,N为 筛面对物料颗粒的法向反力,单颗粒物料受力可表示如下【14】: mAa02 sin咖siIlJ6I—Gcosa=N (2-8) tnA602 sincos卢+Gsina=F (2-9) 物料颗粒做抛掷运动的条件是:沿Y方向的相对加速度为零,即正压力为零: mA凸02 sinbadsin/,-Gcosa=0 (2—10) rruI石02 sinqodsin/,=Gcosa 式中:吼——物料颗粒开始被抛起时的振动相角。 消去m,得: 土:—At02—sing:K。 smtpd gCOSa sinp.COSa 13 (2—11) 太原理工大学硕士研究生学位论文 (2.12)(2.13) K——振动强度; 当物料抛掷指数K,>1时,吼有解且在0---'180。范围内;K,<1时,吼无解。 2.2.2直线振动筛工艺参数选择 振动筛的工艺参数直接影响着振动筛的工艺效果,这些参数包括筛面倾角、振动筛 频率、振幅、抛射角等结构参数。 1、振动强度足与抛掷指数K。的确定 振动筛的强度值K一般在8以内,许用值(K)=4~6,代表了振动筛的强度值。 抛掷指数K。的选取受被筛分物料的性质的影响,对于难筛分物料,可以采用高速抛掷, 直线;对于一般的筛分,可采用中速抛掷,E一般取2.5~5。 振动筛做中速抛掷时筛分效率和产量都很高并且对振动筛机体的性能(如强度和刚度) 要求也不高【2】。 2、筛面倾角口 筛面倾角是筛面安装后与水平方向的夹角。筛面倾角小时,物料移动的较慢,生产 量低,但筛分效率高。直线振动筛的物料做斜抛射,一般水平安装,倾角为零。由于直 线振动筛筛面是水平的,所以筛孔很容易被物料颗粒堵塞,为防止筛孔堵塞,应使筛面 运动的速度大于某个临界值,但又不能超过一定的范围。筛孔越大,需要的临界速度越 大。所以水平安装的振动筛一般用于中小粒度的筛分以及煤的脱水、脱介上。圆振动筛 的筛面倾角一般比较大,这是由于圆振动筛的抛射角比较大,但物料沿筛面的移动速度 较慢,将筛面倾角选大些可增大物料的移动速度,提高生产率【116]。 3、振动方向角卢 振动方向角是直线振动筛的重要参数之一,是筛箱运动方向与筛面的夹角,也是筛 14 太原理工大学硕士研究生学位论文 面上物料的抛射角。一般在30。~65。之间,目前我国大都采用45。【2】。 4、振幅和频率 振幅值是指振动筛工作行程的一半,频率是筛箱每分钟振动的次数。直线振动筛的 振幅A一般都在4----6mm,圆振动筛的振幅A一般在3-~4mm。振动筛筛箱运动的速度和加 速度的大小与振幅和频率有直接关系。筛箱运动的加速度可以表示为【l】: 口:A缈2:—7f.。/—n2 (2.14) 900 从式中可以看出,加大筛箱的振幅和振次都可以提高筛箱的加速度,相比之下,提 高振次对加速度的影响更大。振动筛在工作时需要足够的加速度才能使物料在筛面上抛 起,这就要求振动筛要有足够的振幅和振次。但是如果加速度过大的话,对振动筛的结 构性能将提出更高的要求。经验规定,一般筛箱的加速度不要超过70'--'85m/s2。 5、物料运动的速度 物料在筛面上的运动速度,实际值与理论值相差很大,所以一般根据经验公式计算。 一+对于直线振动筛,物料的运动速度按下式进行计算【2】: 1,=0.9alAQGeC。cosfl(2-15) :。式中:C。——倾角对物料平均速度的影响系数,见表2.1; ch——物料层厚度影响系数,见表2-2; C。——物料形状影响系数,粉状物料取O.6~0.7;块状料取0.8~O.9;颗粒状 物料取0.9~1.0; C。——滑行运动影响系数,见表2-3。 表2-1倾角对物料平均速度的影响系数 Table2-1 InfluenceCoefficien ofAngle EffectsonMaterials AverageSpeed 15 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2-2物料层厚度影响系数 Table2-2 TheInfluenceCoefficientofMaterial Layer Thickness 表2-3滑行运动影响系数 T{lble2—3 TheInfluenceCoetiieientofSlideMovement 6、生产率 生产率可以通过两种方法计算,流量法和平均法【21。 (1)流量法 Q=3600BhW 式中:B——筛面宽度; h——筛面上物料层厚度; 1,——物料运行的平均速度; 厂——物料松散密度。 (2)平均法 Q=Fq 式中:F——筛面的有效面积; g——振动筛单位面积的处理量。 2.3直线振动筛动力学因素分析 2.3.1直线振动筛力学模型的建立 (2—16) (2一17) 直线振动筛可以通过单一坐标来表现筛箱的运动规律,所以称为单自由度运动系 统。单自由度系统属于振动机械中最基本的振动系统,对于振动机体要对它的振动特性 和外部激励进行分析,因此需要通过建立力学模型来表现这些特性。在分析计算时,需 要对模型进行简化,忽略次要因素,简化原则如下[21: 16 太原理工大学硕士研究生学位论文 1、质量集中 建立力学模型时需要将原本分散的质量集中起来,对于质量大弹性小的部件也要做 适当处理,忽略其弹性,并将质量计入总体质量。 2、刚度集中 在振动筛的结构中,弹簧是分布在振动筛的四周的,建立模型时需要将分散的弹簧 集中为一个弹性质体。对于小质量的弹性体,当弹性较大时可忽略其质量,把弹性体的 刚度计入整体弹簧刚度。 3、阻尼集中 在振动筛的工作过程中包含了各种各样的阻尼,振动筛在工作过程中各部件之间的 冲击、摩擦、弹簧的内阻、外阻等,将这些都简化为等效的线性阻尼。 按照上述原则,将直线振动筛简化为如下模型: 图2-5直线 MechanicalModeloftheLinear Vibraiing Screen 该弹性系统筛箱与激振器的质量由集中质量M表示,各减震弹簧的弹力由l。(表示, 阻尼力用一庳表示。 2.3.2振动方程的建立 在工作过程中,弹簧受到四种力的作用‘1】: 1、振动筛运动的惯性力:振动筛质体的质量与加速度的乘积,方向与加速度方向 相反,一(M+Zmo)jf。 2、激振器偏心块回转产生的激振力:Psintot。 3、弹簧恢复力:即弹簧刚度与压缩量的乘积,一Kx。 太原理工大学硕士研究生学位论文4、阻尼力:包括弹簧内阻力和一般阻力,是筛箱运动速度与阻尼系数的乘积一肛, 方向与速度方向相反。 为了满足动力平衡,根据达朗伯原理【171,振动筛工作中的受力的合力应等于零,即: 惯性力+阻尼力+弹簧恢复力+激振力=O (2—18)振动筛工作时,一般只考虑强迫振动部分,这是因为对于阻尼很小的系统,自由振 动部分会因为阻尼的存在而很快衰减,式2—18可简化为: (M+Emo)jf+Kx=Psincot (2—19) 朋。——激振器每组偏心块的质量;K——弹簧刚度; 肛——阻尼系数; 2.4直线振动筛的参数计算ZKl230直线振动筛的主要技术特征见表2-4。 表2-4 ZKl230直线振动筛主要技术特征 Table2-4 TheMainTechnicalCharacteristicsofZKl230 Vibrating Screen 序号 名称 单位 规格 给料粒度mm 30 筛面规格nlm 1200x3000 工作面积m2 3.6 筛缝尺寸mm 0.5(8、lO、13) 工作双振幅mm 工作频率r/min 960 4510 筛面倾角 11外形尺寸(长宽X高) mm 355lx2475x1673 18 太原理工大学硕士研究生学位论文 2.4.1参振质量初步计算 要计算振动力首先要知道振动筛的参振质量,振动筛的参振质量按下式计算121: M=Ml+K。M。(Kg) (2.20) 式中:M——各参振部件的合质量(含激振器偏心块); M。——参加振动的物料质量; 坂=K。BLyEHi (2-21) 如——物料结合系数,一般取O.2; B——筛面宽度; y——物料松散密度;日。——各层筛面的物料平均厚度总和。 按照上式计算后,本文所研究的ZKl230直线隔振弹簧刚度计算 由于振动筛工作时会造成很大的振动和噪声,如果直接安装在地面会给地基造成很 大的负担,因此需要设置隔振弹簧以减小危害。该直线振动筛设有四组橡胶弹簧,其刚 度计算如下【2】: K=M002 (2—22) 式中:K——弹簧刚度; ‰——系统的固有频率:旦:3~7 缈——振动筛角频率。单个弹簧的刚度: (2.23)19 太原理工大学硕士研究生学位论文 式中:珂。——振动筛弹簧个数: K——单个弹簧的刚度。 经计算,本文所研究的ZKl230直线振动筛的每组橡胶弹簧的刚度为 Kl=264600N/m。 2.4.3筛箱振幅 将筛箱运动的位移、速度、加速度方程代入振动方程中,整理可解得筛箱振幅为‘2】: 本文所研究的振动筛单振幅已知,为4mm。2.4.4振动筛所需激振力及偏心轮质量计算 直线振动筛工作所需的激振力由激振器偏心块旋转产生的离心力提供网: (2.25)式中:M——参振质量,2800Kg: 彳——振动筛单振福,4mm; 国——激振器回转角速度(rad/s),由表2.4知激振器工作转速为960r/min,换 算成角速度为: 缈:里:—n-x—960:100.53r口d/s 30 30 %——偏心轮组数,4; m。——每组偏心轮的质量,51.5Kg: ,.——偏心轮质心回转半径,由式2-25可知,r:墼:o.054m n2m060‘ 因此,振动筛所需的激振力为: P:MAc02:2800x0.004100.532=113190.35l13190N 20 太原理工大学硕士研究生学位论文 2.4.5筛箱的位移、速度、加速度 根据振动筛的力学模型,求解振动方程2.19: (M+Emo)戈+戤=Psintot 解得其特解分别为筛箱运动的位移、速度、加速度: X=Asin纠 文=A09COScot 觉:一爿缈2sincot 将振幅和角速度值代入上式中可得: x=0.004sinl00.53t(m) 戈=0.402cosl00.53t(m/s) 戈=-40.426sin 100.53t(m/S2) (2-26) (2-27) (2.28) 可知,筛箱的位移、速度、加速的的幅值分别为0.004m、0.402m/s、40.426m/s2。 2.4.6筛箱质心计算 1、激振器位置选择 振动筛工作性能的好坏受激振器安装位置的影响,激振器位置选择适当,筛箱整体 的振幅均匀且不发生前后扭摆,因此在振动筛的设计过程中应将激振器布置在恰当的位 置,这也是研究人员一直都在关注的问题。对于圆振动筛,一般要将激振器布置在筛箱 质心:对于直线振动筛,激振器的位置要使激振力的合力通过筛箱质心【1s.19]。 2、质心计算 振动筛在宽度方向结构是对称的,因此在求质心时,可将质心简化到在垂直于筛面 的纵平面上。质心位置计算可依据以下公式[21s-i9】: 式中卧儿——第i个构件的质心坐标;2l (2.29) 太原理工大学硕士研究生学位论文 Q——第f个构件的质量。 为了方便计算,本文在UG中建立直线振动筛筛箱的三维模型,可直接得到质心位

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