雙質(zhì)體與單質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)的工作機(jī)理及特性研究

吳 劍

（江陰智銘鑄造裝備應(yīng)用技術(shù)設(shè)計(jì)室，江蘇 江陰 214400）

在鑄造生產(chǎn)中，鑄造裝備是提高鑄造生產(chǎn)能力的關(guān)鍵。振動(dòng)落砂機(jī)是砂處理落砂工步的主機(jī)裝備之一，是落砂、破碎、清理、舊砂再生回用的重要環(huán)節(jié)。是處在一個(gè)噪音大、粉塵大、熱氣散發(fā)量大、環(huán)境惡劣的工作場(chǎng)地。其打箱落砂能力直接影響到下道工序的砂處理生產(chǎn)進(jìn)度。亦影響到鑄件清理的出品能力。

在現(xiàn)有鑄造生產(chǎn)中，落砂工步一般常采用的振動(dòng)落砂機(jī)是單質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)，如慣性式振動(dòng)落砂機(jī)，沖擊式落砂機(jī)等。這種落砂機(jī)空載時(shí)的噪音就超過85 d B（超標(biāo)），負(fù)載時(shí)沖擊噪音更大，不能符合工作場(chǎng)所的環(huán)保要求。

雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)是一種環(huán)保型的振動(dòng)落砂機(jī)，其振動(dòng)機(jī)理是充分利用了振動(dòng)激振的慣性力和彈性力的合成，形成有效的振動(dòng)沖擊對(duì)鑄件落砂破碎的。空載時(shí)的振動(dòng)噪音低于80d B，負(fù)載時(shí)振動(dòng)幅度相對(duì)穩(wěn)定，沖擊噪音低。是一種比較理想的落砂設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)改善工作環(huán)境的目標(biāo)，有利于推廣應(yīng)用。

目前，國(guó)外也在推出不同形式的雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)，以滿足不斷發(fā)展的大型鑄件落砂清理的要求。

1 振動(dòng)落砂機(jī)工作狀態(tài)

振動(dòng)落砂機(jī)是一種直接利用兩個(gè)振動(dòng)電機(jī)形成的激振合力，使落砂機(jī)臺(tái)面（柵格板）作拋擲運(yùn)動(dòng)來撞擊砂箱落砂的。反作用力通過減振彈簧傳遞給基礎(chǔ)吸收。其工作狀態(tài)不夠穩(wěn)定，相對(duì)振動(dòng)幅度較大，振幅亦受到載荷的變化而變化，在過共振區(qū)時(shí)會(huì)有超振幅出現(xiàn)。嚴(yán)重影響振動(dòng)質(zhì)體和減振彈簧的使用壽命，產(chǎn)生的振動(dòng)噪音也很大，直接影響環(huán)境。機(jī)體的耐振強(qiáng)度較低，容易開裂，操作的安全性也較差。

單質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)就是這種工作狀態(tài)下工作的振動(dòng)落砂機(jī)。

雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)的力學(xué)模型是建立在動(dòng)力隔振基礎(chǔ)上的振動(dòng)原理。是在近共振狀態(tài)下工作的落砂機(jī)。振動(dòng)狀態(tài)有明顯的區(qū)別。

2 雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)的描述

雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)主要由振動(dòng)質(zhì)體（含落砂柵格板）、隔振質(zhì)體、激振彈簧、減振彈簧、機(jī)座和振動(dòng)電機(jī)組成。

振動(dòng)質(zhì)體和隔振質(zhì)體通過激振彈簧（亦稱共振簧）連接，振動(dòng)電機(jī)安裝在隔振質(zhì)體上，隔振質(zhì)體通過減振彈簧安裝在機(jī)座上如圖1所示。

系統(tǒng)的振動(dòng)源是利用2臺(tái)獨(dú)立的振動(dòng)電機(jī)相向旋轉(zhuǎn)自同步激振的。

系統(tǒng)利用減振彈簧的作用，有效地隔離了激振力和振動(dòng)慣性力對(duì)基礎(chǔ)的影響。所以說振動(dòng)載荷對(duì)基礎(chǔ)的影響很?。▌?dòng)力隔振原理）。

由于雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)采用了振動(dòng)電機(jī)為激振源，其本身就是一種優(yōu)化了的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，焊接構(gòu)件又作了工藝性熱處理，其耐振能力大大提高。所以其使用壽命獲得改善提高。

這種類型的振動(dòng)落砂機(jī)具有載荷能力大、空載噪音小、振幅相對(duì)穩(wěn)定（振幅受載荷變化較小）、振動(dòng)落砂工作平穩(wěn)的特點(diǎn)。而且動(dòng)載荷對(duì)基礎(chǔ)的影響很小，振動(dòng)質(zhì)體從焊接結(jié)構(gòu)上說都具有較強(qiáng)的抗振剛度和耐振強(qiáng)度（結(jié)構(gòu)抗振能力的重要指標(biāo)是動(dòng)剛度）。激振彈簧采用拉壓橄欖式螺旋彈簧形式，具有良好的激振、吸振和抗扭曲功能。使雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)能很好地在近共振區(qū)工作（不超過共振點(diǎn)的區(qū)域），實(shí)現(xiàn)振動(dòng)落砂。

圖1 雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)

這種在近共振狀態(tài)下工作的落砂機(jī)就是利用彈性力和慣性力基本接近平衡的機(jī)理，又利用外部激振力平衡阻尼力作用，實(shí)現(xiàn)振幅共振放大的原理工作。而系統(tǒng)所需激振力和功率消耗相對(duì)較小。達(dá)到優(yōu)化振動(dòng)落砂的目的。

雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)是一種慣性式共振落砂機(jī)，其工作狀態(tài)在近共振區(qū)域工作。這些狀態(tài)對(duì)振動(dòng)體結(jié)構(gòu)造成直接影響的是系統(tǒng)形成的共振現(xiàn)象。這種共振現(xiàn)象易引起設(shè)備或機(jī)構(gòu)零部件的損壞。也是產(chǎn)生振動(dòng)噪音的主要原因之一。所以系統(tǒng)共振是振動(dòng)設(shè)備應(yīng)用中必須關(guān)注的主要因素。這種共振現(xiàn)象又是不可避免的，但可以利用它的共性和特性，縮短過共振時(shí)間，盡快實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)，達(dá)到理想的振動(dòng)工作狀態(tài)。

現(xiàn)已設(shè)計(jì)的雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)產(chǎn)品規(guī)格可滿足工作載荷 20t、25 t、30t、35 t、40t、45 t、50t、55 t、60t.等規(guī)格。臺(tái)面尺寸有 3000×2500（mm）、3500×3000（mm）、4000×3500（mm）、4500×4000（mm）、5000×4500（mm）、5500×5000（mm）、6000×5000（mm）等。也可采用并聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)臺(tái)面的要求。

3 單質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)的描述

單質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)是一種直接利用兩個(gè)振動(dòng)電機(jī)形成的激振合力，使落砂機(jī)臺(tái)面（柵格板）作拋擲運(yùn)動(dòng)來撞擊砂箱落砂的振動(dòng)落砂機(jī)。工作機(jī)理前面已經(jīng)論述過。

單質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)需要較大的振動(dòng)激振力，動(dòng)載荷系數(shù)較大，對(duì)土建基礎(chǔ)有一定的載荷要求。所以一般單質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)可適用于小噸位鑄件的落砂。由于直接利用振動(dòng)激振力，使落砂效果較好。但是，載荷較大時(shí)，落砂效果會(huì)降低。噪音亦明顯加大。一般單質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)不允許空載啟動(dòng)，是為了避免共振時(shí)的超振幅。但負(fù)載啟動(dòng)時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)不響應(yīng)、或落砂效果差的現(xiàn)象。

單質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)主要由振動(dòng)質(zhì)體、落砂柵格板、減振彈簧、機(jī)座和振動(dòng)電機(jī)組成。振動(dòng)電機(jī)直接安裝在振動(dòng)質(zhì)體上，再通過減振彈簧同機(jī)座連接如圖2所示。

圖2 單質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)

現(xiàn)已設(shè)計(jì)的單質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)產(chǎn)品可滿足工作載荷 2t、5 t、10t、15 t、20t.等規(guī)格。臺(tái)面尺寸有1000×1200（mm）、1200×1500（mm）、1500×1800（mm）、1800×2000（mm）、2000×2200（mm）、2200×2500（mm）、 2500×3000（mm）等。也可采用并聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)臺(tái)面的要求。

4 系統(tǒng)的衰減振動(dòng)控制

當(dāng)振動(dòng)系統(tǒng)停止了外力作用（振動(dòng)激振力），系統(tǒng)仍然會(huì)按其固有頻率繼續(xù)作自由衰減振動(dòng)；這個(gè)過程出現(xiàn)瞬態(tài)振動(dòng)，而穩(wěn)態(tài)振動(dòng)逐步消失；系統(tǒng)被干擾力（阻尼力）影響進(jìn)入共振區(qū)段，直到振動(dòng)衰減停止。

阻尼在振動(dòng)系統(tǒng)中與振動(dòng)有一個(gè)特性關(guān)系，阻尼能使瞬態(tài)振動(dòng)迅速衰減，特別對(duì)降低受迫振動(dòng)中的共振區(qū)振動(dòng)。阻尼也是控制振動(dòng)狀態(tài)的重要措施。因此，可以利用阻尼減少振動(dòng)系統(tǒng)在啟動(dòng)或停止過程中過共振區(qū)的時(shí)間，限制系統(tǒng)的最大振幅值。

阻尼的形式一般可以采用橡膠契塊、橡膠質(zhì)彈簧、空氣彈簧、機(jī)械阻尼器及彈性阻尼等。

5 結(jié)束語

通過上述分析，由于雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)的工作特性是在近共振區(qū)工作的，和單質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)的工作特性不同。在設(shè)計(jì)時(shí)特別注意對(duì)技術(shù)參數(shù)的合理選擇，對(duì)防松措施的合理應(yīng)用。使得雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)在鑄造生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

目前設(shè)計(jì)應(yīng)用的雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)在結(jié)構(gòu)上要簡(jiǎn)單的多。采用振動(dòng)電機(jī)激振后，降低了制造成本、簡(jiǎn)化了加工工藝、方便了維護(hù)保養(yǎng)、提高了使用壽命。所以推廣應(yīng)用雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)有利于鑄造車間落砂工步的技術(shù)改造，有利于降噪節(jié)能、改善環(huán)境等。

［1］機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］吳劍.鑄造振動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

［3］吳劍.慣性式振動(dòng)機(jī)械在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2009（2）：37-41.

［4］吳劍.利用微分方程解析雙質(zhì)體落砂機(jī)在近共振區(qū)的振動(dòng)機(jī)理［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2012（3）：7-9.