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发布时间:2020-02-26 22:46

  振动筛选机的优化设计农业机械第37 振动筛选机的优化设计王志伟孟玲琴刘丹薄林海 【摘要】通过分析物料在筛选机筛面上的相对运动,以生产率最高为优化目标,建 振动筛选机参数优化设计的数学模型.以 ZKB 型直线振动筛选机为研究对象进行丁参数优化设汁,得 出了最佳的运动参数.优化结果 表明,筛选机生产率提高约22,并为今后振动筛选机的优化设计提供r 有效方法. 关键词:筛选机生产率运动参数优化 中图分娄号:THl22;THI33.1 文献标识码:A OptimalDesignofVibratingScreener WangZhiweiMengLingqinLiuDanBoLinhai (1.He nanMechanicalandElectricalEngineeringCollege 2HongweiVibrationMechanicalCo.Ltd.(fXinxiang) Abstract Thispaperanalysestherelativemotiononscreenersurfaceatfirst,withthegoalof optimizingtheproductivity.Amathematicalmodelforoptimumdesignofvibratingscreener setup.TakingZKBvibratingscreenerastheresearchobjectandtheoptimumdesignofthisscreenerwascarriedout.Thebestmovingparametershadbeenobtainedandtheproductivity sievingwasimproved.KeywordsScreener,Productivityratio,Movingparameter,Optimization 引言 目前,我国各类筛选机普遍存在着生产率和筛 选效率较低的问题,它已严重影响了企业的生产.解 决这一问题的方法有两种:采用概率筛选及等厚筛 选等新的筛选技术和新型筛选机;应用优化设计方 法对振动筛选机的运动参数进行优化,借助数值分 析方法,从大量可行方案中寻找最优设计方案,从而 提高生产率和筛选效率显然后者足现行提高生产 率和筛选效率的最便捷方法. 直线振动筛选机的结构直线振动筛选机的结构简图如图1 所示.它主 要由电动机,支承装置,筛箱,振动器等组成.工作时 振动器带动筛箱作往复直线运动,从而达到筛选物 料的目的.振动器采用偏心块式,布置在侧板上.每 台振动筛选机共有4 个相同的振动器,分成2 组振动器之间通过万向联轴器及传动轴或挠性轴联接.振动筛选机的传动装置由2 个电动机分别通过 万向联轴器及传动轴或轮胎式联轴节把回转运动传 给各组偏心块式振动器.2 组传动系统之间无强迫 联系,根据力学原理实现自同步运行uq]. 振动筛选机参数优化设计模型的建立2.1 振动筛面上物料相对运动分析 为了研究物料沿筛面的相对运动,可取一单颗 粒物料M,分析其在筛面上的受力及相对运动状 态.].设筛面倾角为n.振动方向角为卢,筛箱振动 收稿日期2004—11 一10 王志伟河南机电高等专科学校机电工程系讲师,453002 新乡市 孟玲琴河南机电高等专科学校机电工程系讲师 刘丹河南机电高等专科学校机电工程系助教 薄林海河南新乡宏伟振动机械厂高级工程师.453700 新乡市 68 农业机械2006 直线振动筛选机的结构简}剞Fig.1Structuresketchofthevibratingscreener 1.底座2.电动机座3.支承装置4.筛箱5,电动机6.振动器7.联轴器 的圆频率为,振幅为,-,筛面与物料问的静滑动摩(2)物料沿筛面的相对下滑条件 擦角为物料颗粒质量为m,重力加速度为g.如图2 所示,耍使物料颗粒M相对筛面 下滑, 如图2,3 所示,建立坐标系G,其中取Ox 轴必须满足 为筛面方向,向左为正;Oy 轴为垂直于筛面方向,向Pcos[:t+mgsinaF~ 上为正;为筛箱振动方向.物料 相对于筛面无跳动,应有 G—mg,振动惯性力P—m?-o)sinwt,筛面支承反力+.sin/~=mgcosa JV,筛面对物料的摩擦力F=Ntan~.则N=mgcosaPsinfl 振动筛面卜物料M下滑时受力示意图Fig.2Schematicdiagramofparticlesonthescreener surface(particlesaremovingdownwards) 振动筛面上物料M上滑时受力示意图Fig.3Schematicdiagramofparticlesonthescreener surface(particlesaremovingupwards) 2.1.1 物料沿筛面运动的条件 (1)振动筛选机的运动方程 直线振动筛选机沿振动方向的位移,速度和加 速度分别为 由上得PcosflJ- mgsina(mgcosa——Psinf1)tan~o 将P---~Olto)sinwt 代入上式得 to)sinwtco~.(一)gsin(~p--a) 为使上式有意义,对COS(fl-~o)取绝对值,则 警sinCOSglL 一Jl 取lsinwt===1 代入上式,得 警CO 彩SglL 一Jl 式(4)即为物料颗粒能相对筛面下滑的条件. (3)物料沿筛面的相对上滑条件 如图3 所示,要使物料颗粒M相对于筛面上 滑,必须满足 Pcosfl--mgsinaF… 丑『JPcosfl 一~,gcos 口JVtan 知Nmgcosa+Psinfl将JV 及Pnlto)sinwt 代入上式得 gcos【十对COS(+)取绝对值,并将JsinwtJ 入上式,得字COSgJL 十Jl 式(5)即为物料颗粒能相对筛面上滑的条件. (4)物料在筛面上的相对跳动 物料颗粒M只有在图2 所示受力状态下才有 可能相对于筛面跳动.若使物料颗粒能跳离筛面,必 须满足NO,即 期王忐伟等:振动筛选机的优化设计N=mgcosa--Psinfl0 则Psinflmgcosa 将PDl?o9.sin~ot 代入上式得 等S1nwtS1n/J——/_g 取lsin~otl…一1 代入上式,得 (6)/?n\U, gSIII[1 式(6)即为物料颗粒能跳离筛面的条件. 2.1.2 物料在筛面上的平均移动速度 物料在筛面上的平均移动速度应为:物料在 个周期内相对于筛面下滑位移S上滑位移以及跳离筛面后沿振动方向的相对位移,3 个矢量和 除以周期.物料在筛面上的运动情况见图4.若 物料在筛面上无跳动.则平均移动速度V为前 两者矢量和除以周期7. 物料M在筛面』:运动示意Fig.4Schematicdiagramoftherlloverllentofparticles onthescreenersurface 因常用的往复直线振动筛选机物料在筛面上均 无跳动现象,以下仅就物料在筛面上滑动时的平 均移动速度进行分析. 2.1.2.1 物料相对筛面的下滑位移 欲求物料相对.l』:筛面的下滑位移,须先由物 料相对于筛面的下滑加速度求得相对下滑速度,再 对速度积分求出位移. (1)物料相对筛面的下滑加速度a 如图2 所示,根据牛顿第三定律可得 Dlad—Pcosfl+zgsin 将P=mmosin~otFlllax=Ntan9N—mgcosa--Psinfl 代入上式,可得下滑加速度为 一roj2sinwt 从式(7)可求物料具有下滑加速度的开始相位!!二!1o~t =arcsin[c—os(fl--9)J则物料颗粒相对筛面开始下滑的时间为 wtn td— (2)物料相对筛面的下滑速度V物料相对筛面的下滑速度可由下滑加速度 FC-OCOSCOla+g(8)—十—u(8)因为物料颗粒结束相对下滑时,其相对.t:筛面的 下滑速度应为零,故令Vd 可通过式(8)求出下滑的结束相位wt 及下滑的结束时间 (3)物料SHx~筛面的下滑位移物料在整个滑动区间wt~wt 中相对J:筛 j.d一一rcsinr 一sinr,一 [FOJCOS~.O/~+ sin l(tb--t,,)(9)cOsgJ2.1.2.2 物料相对筛面的上滑位移S 同理,可通过求物料相对于筛面的上滑加速 度a,上滑速度v,导出上滑位移为 J-dr=~r(sinwtdsin~ot,)+g(f;-t3)2cos~o… [FOJCOSwt--t,o, 2.1.2.3 物料在筛面上的平均移动速度 当物料住筛面上仅滑动而无跳动时的平均移动 速度为 (11V)p 2.2优化设计变量的选择 由2.1 节分析可知,直线振动筛选机的基本运 动参数有:振动的圆频率60,振幅r,振动方向角. 影响物料在筛面上运动的参数还有筛面倾角a 面与物料间静滑动摩擦角.其中值随筛面及物料种类的确定相对为一定值,故取,r,,a 2.3目标函数的建立 衡量往复直线振动筛选机上作性能的重要指际 是生产率和筛选效率.生产率取决于物料沿振动筛 面上的平均移动速度,物料}_f}振动筛面上的平均移 动速度快,则生产率就高.而筛选效率则取决于物料 相对于筛面的滑动路程,物料相对于筛面的滑动路 程越长,其与筛孔接触的机会就多,则筛选效率就 70 农业机械 高.本文以生产率最高为优化目标,而将筛选效率列 入约束条件中考虑. 根据以上分析,为使筛选机得到高生产率应使 物料沿筛面的平均移动速度尽可能大,即以 maxf(x)一为追求目标,由式(11)可得 按照优化设计惯例,优化设计数学模型中通常是求目标函数的极小值.由于求,()的极大化与求 f()的极小化等价,因此可通过minF()一 maxf(x)将上述目标函数处理为极小化模式,故筛选机优化目标函数即为 minF(x)一一(l 皿)(12) 其中一一.[sin(一 sin(f)]一 3c.s(4f)+g--t.)5u— cC LJ2.4 约束条件的确定 按照振动筛选机设计的一般原则和传统做法, 为保证直线振动筛选机具有较高的生产率,并能有 良好的筛选效率,应满足如下约束条件和要求. (1)物料具有下滑运动 为使物料能够连续不断滑过筛面,应保证物料 相对十筛面具有下滑运动,即满足式(4),故有约束 条件 )一一o…) (2)物料相对于筛面具有上滑运动 为提高筛选效率,应使物料与筛面得到充分的 接触,即需加长物料相对于筛面的滑动路程,故还应 使物料相对于筛面具有上滑运动,即满足式(5),故 有约束条件 (3)物料不跳离筛面及透筛能力由于直线振动筛选机主要是利用物料自动分级 性进行筛选分级的.因此,为保证筛选效率,应避免 破坏物料的自动分级性,使物料相对于筛面仅滑动 无跳动,且尽量使物料获得较大的振动惯性力,以提 高其相对于筛面的通过能力(即透筛能力),即按 式(6),应满足 o(15))===一_O.14o…) (4)使物料沿筛面向下移动 为使物料能够沿筛面向下移动,应使物料相对 于筛面的下滑位移大:f 上滑位移,即 lCOS(P-t—)llCOS(—)l故有约束条件 gs)=ICOS(3:0(17).——lc()s(丽 (5)振动方向角 按照直线振动筛选机的参数设计要求,振动方 的一般取值范围为3O.~6O.,故得约束条件g6(.r)=- 6-~z4o(18) g7(.r)=2 一o(19) (6)筛箱振幅r 依据直线振动筛选机的设计原则,筛箱振幅r 般取O~0.012m,故有约束条件g8()=--X30(20) g9()一3—0.01240(21) (7)筛面倾角a 按照直线振动筛选机设计的一般原则,筛面倾 取值为O.~2o...故有约束条件g1o()一--X10(22) gll():~L/:1--20X180O(23) (8)振动圆频率03 按照电动机生产厂家所供应振动电机的转速范 围,振动圆频率cU 取值范围为62.8~104.7rad/s (对应振动电机转速=6OO~1000r/min),故有约 束条件 gl2()一62.8 一40(24) gl3(I)=4~104.740(25) 2.5 振动筛选机运动参数优化设计的数学模型 综上所述,所建立的直线振动筛选机运动参数 优化设计的数学模型为 期王志伟等:振动筛选机的优化设计fminF()(R) IS.t.g()0(一1,2,3,…,13) 优化设计方法的选择从上述建立的优化数学模型看,这是一个4 13个约束的优化问题,可采用多种约束优化方法求 解.本设计采用约束随机方向法,其优点是对目标函 数的性态无特殊要求,程序设计较易实现且使用方 便.由于可行搜索方向是从许多随机方向中选择的 使目标函数下降最怏的方向,加之步长还可以灵活 变动,所以此算法的收敛速度也比较快嘲. 振动筛选机参数优化设计的计算程序框图见 振动筛选机参数优化设计的计算程序框图Fig.5Blockdiagramofoptimaldesignof vibratingscreener 振动筛选机参数优化设计结果及分析根据所建立的振动筛选机参数优化设计数学模 型,以河南新乡宏伟振动机械厂的ZKB 型直线振动 筛选机为研究对象,对该产品进行了优化设计,其参 数优化结果为 [,,,zIT=[d,,r,]一[6.232,38.176,5.750,84.837] f(x)一0.186m/s 振动筛选机的优化设计结果与传统设计参数值 的比较见表1. 优化设计结果与传统设计参数值的比较Tab.1Comparisonofoptimaldesignresultsand traditionaldesignresults 可知,振动筛选机通过优化设计后,物料相对于筛面平均移动速度由传统的0.152m/s 提高到0.186m/s(即,)提高了约22).因此,通 过优化设计后,该筛选机的生产率可比原传统设计 方案提高约229/5,显着地提高了经济效益.另外,在 个振动周期内,物料相对于筛面的滑动路程I+ISI 也比原传统设计方案增加了432mm,使 物料与筛孔的接触机会增加了43,为筛选机筛选 效率的提高创造了条件. 结束语分析了物料在振动筛选机筛面上的相对运动情 况,得出了物料沿筛面运动的条件及在筛面上的平 均移动速度,以筛选机生产率最高为优化目标,建立 了直线振动筛选机的参数优化设计数学模型,并以 此数学模型对ZKB 型直线振动筛选机进行丁优化 设计,得出了最佳的运动参数.优化结果表明可使筛 选机生产率和筛选效率得到显着的提高. 参考文献 王峰.筛分机械[M].北京:机械工业出版社,1998.2ZrberJ.Cassettevibratingscreensforthechemicalindustry[J].AufbereitungsTechnik,198 5,26(7):41O~413. 3StejskalJ.Equipticalvibratoryscreeningmachineswithdynamicdrive[J].AufbereitungsT echnik,1996,37(7):415 ~421. 闻邦椿,刘树英,何勃.振动机械的理论与动态设计方法[M].北京:机械工业出版社,2002. 阮竞兰,阮少兰,伍毅.振动筛参数对工作效率影响的研究[J].粮食与饲料工业,2000(1):15~18. 钱东平,霍晓静.杨世凤.等.单轴振动电机横置的高速振动筛理论研究EJ].农业机械,2003,34(6):87~9o. 李智,周龙,王东.基于蚁群算法的往复振动筛运动参数优化设计厂J].农业机 械,2004,35(3):76~79,82.

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