基于ADAMS的TQLZ100×200振動(dòng)清理篩運(yùn)動(dòng)特性的仿真與研究

趙 丹 李永祥 王明旭

（河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450007）

基于ADAMS的TQLZ100×200振動(dòng)清理篩運(yùn)動(dòng)特性的仿真與研究

趙 丹 李永祥 王明旭

（河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450007）

本文利用Pro/E建立實(shí)體模型，然后導(dǎo)入多剛體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS，建立虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行仿真研究。探究了彈簧支撐在軸向和橫向剛度的取值分配關(guān)系，確定了最優(yōu)分配關(guān)系下改變彈簧支撐在豎直方向上的位置，利用ADAMS仿真出彈簧支撐在豎直方向上不同位置時(shí)篩體質(zhì)心的位移曲線，并與原模型進(jìn)行對(duì)比。為解決振動(dòng)篩整體強(qiáng)度的最薄弱部位--連接彈簧與篩體的支座加強(qiáng)筋處提供優(yōu)化方向，從而為振動(dòng)清理篩結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

彈簧支撐；ADAMS；仿真分析

振動(dòng)篩是一種廣泛應(yīng)用于糧食、煤炭、礦山、冶煉、建材等行業(yè)的篩分與清理機(jī)械［1］。根據(jù)工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，可分為直線、圓和橢圓振動(dòng)篩［2］。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越、產(chǎn)量大、篩面不易堵孔等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最為廣泛的篩分產(chǎn)品之一。

目前國(guó)產(chǎn)直線振動(dòng)篩與國(guó)外同類產(chǎn)品相比存在較大的差距，普遍存在強(qiáng)度低、噪聲大、共振振幅大等問(wèn)題［3］，其可靠性也有待提高。振動(dòng)篩在工作過(guò)程中，其主要零部件長(zhǎng)期經(jīng)受周期變化的激振力作用，致使篩體的側(cè)板、橫梁等部件頻繁發(fā)生斷裂事故，嚴(yán)重影響了振動(dòng)篩的篩分效果和生產(chǎn)效率。因此，在確定支撐剛度水平和豎直剛度的取值分配下，并在確定了最優(yōu)的分配關(guān)系下改變彈簧支撐在豎直方向的位移曲線，為改善連接彈簧與篩體的支座加強(qiáng)筋處極易受損的現(xiàn)象提供方向。

1 振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)微分方程的建立

1.1 振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)微分方程的建立

本文應(yīng)用拉格朗日方程建立TQLZ100×200振動(dòng)清理篩的運(yùn)動(dòng)微分方程［4-5］。非保守系統(tǒng)的拉格朗日方程為：

在圖1所示的幾何模型中O為篩分質(zhì)心，以O(shè)為原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸，豎直方向?yàn)閥軸，建立直角坐標(biāo)系。當(dāng)振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)時(shí)，篩箱的總動(dòng)能由平動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能組成。

m——篩箱質(zhì)量

I0——篩箱對(duì)其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

x——篩箱沿水平軸的平行速度

y——篩箱轉(zhuǎn)動(dòng)沿垂直軸的平行速度

θ——篩箱繞其質(zhì)心的角速度

系統(tǒng)的總勢(shì)能由彈簧所產(chǎn)生的變形勢(shì)能組成。

式中：k1、k2——彈簧沿?cái)?shù)值方向的剛度

k3、k4——彈簧沿水平方向的剛度

l1、l2——振動(dòng)篩篩框質(zhì)心距兩個(gè)支撐點(diǎn)的水平距離l3、l4——振動(dòng)篩篩框質(zhì)心距兩個(gè)支撐點(diǎn)的豎直距離

θ——振動(dòng)篩振動(dòng)時(shí)繞質(zhì)心擺動(dòng)的角度

系統(tǒng)的能量散失函數(shù)為

f1、f2——篩箱簡(jiǎn)化到彈簧支點(diǎn)的水平方向的阻尼系數(shù)

f3、f4——篩箱簡(jiǎn)化到彈簧支點(diǎn)的豎直方向的阻尼系數(shù)

1.2 激振力的確定

激振力由對(duì)稱安裝于篩體兩側(cè)的同步反向轉(zhuǎn)動(dòng)的兩振動(dòng)電機(jī)的雙出軸上的偏重提供［6］。合成激振力的方向δ是由兩側(cè)振動(dòng)電機(jī)的安裝位置決定的，其作用線位于偏重合旋轉(zhuǎn)平面。設(shè)電機(jī)偏重總質(zhì)量為∑m0，偏重旋轉(zhuǎn)半徑為R。當(dāng)兩電機(jī)同步反向轉(zhuǎn)動(dòng)ωt相位時(shí)，偏重旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心慣性力的水平分量相互抵消，而在垂直分量則相互疊加即為

篩箱質(zhì)量m=400kg，安裝傾角α=6°m0=36kg，偏心塊的回轉(zhuǎn)半徑R=0.012m，偏心塊的角速度ω=100rad/s，代入（5）式得P=8 640sinωt。

系統(tǒng)的固有頻率寫成矩陣形式：

將（2）~（6）代入（1）式，得出的運(yùn)動(dòng)微分方程為：

2 仿真模型的建立與Kx和Ky與之間的分配關(guān)系的確定

把利用Pro/E建立的振動(dòng)清理篩的三維模型保存x_t格式，打開(kāi)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件ADAMS設(shè)置好存放路徑，導(dǎo)入轉(zhuǎn)換格式后的文件。并將支架跟篩體分別整合成一個(gè)整體，二者通過(guò)等效質(zhì)量轉(zhuǎn)換后的彈簧相連接。振動(dòng)篩體通過(guò)四組橡膠彈簧支撐，將每組橡膠彈簧簡(jiǎn)化成為橫豎相互垂直的兩個(gè)彈簧，進(jìn)行等效模擬轉(zhuǎn)換。并給模型添加模擬激振力。添加彈簧以及激振力后的仿真模型，如圖2。

本文對(duì)兩種不同取值關(guān)系的軸向剛度Kx和橫向剛度Ky分別進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

一、使彈性支承的軸向剛度Kx和橫向剛度Ky相等Kx= Ky=330kN。篩體質(zhì)心振動(dòng)的位移曲線如圖3所示。

二、取彈簧軸向剛度Kx和橫向剛度Ky不相等，Kx/Ky= 6.5，且振動(dòng)方向K與軸向剛度Kx和橫向剛度Kx應(yīng)有如下關(guān)系：K=Kxsin2δ+Kycos2δ，K=470kN/m，可算出Kx=330kN/m，Ky=50kN/m。篩體質(zhì)心振動(dòng)的位移曲線如圖4所示。

經(jīng)過(guò)以上兩種情況軸向和橫向剛度分配不同情況時(shí)的篩體質(zhì)心的位移曲線的對(duì)比，當(dāng)取Kx=Ky時(shí)，篩體在起振階段的幅值存在很大的波動(dòng)，所以當(dāng)取Kx/Ky==6.5時(shí)較合理。

下面對(duì)Kx/Ky==6.5時(shí)，對(duì)振動(dòng)清理篩進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

由圖5得出振動(dòng)篩起振階段時(shí)，質(zhì)心在X方向上的位移變化較大，而且規(guī)律性不強(qiáng)。但在運(yùn)行至1s時(shí)，趨于平穩(wěn)，位移幅值為2mm。

由圖6得出振動(dòng)篩起振階段時(shí)，質(zhì)心在X方向上的位移變化較大，而且規(guī)律性不強(qiáng)。但在運(yùn)行至1s時(shí)，趨于平穩(wěn)，位移幅值為2mm。

如圖7所示的運(yùn)動(dòng)位移曲線中，在起振階段，振動(dòng)篩在Z方向的位移波動(dòng)稍大，當(dāng)仿真運(yùn)行至3s時(shí)，振動(dòng)篩在Z方向上的波動(dòng)控制在0.01mm內(nèi)，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，振動(dòng)篩在Z方向上的位移越來(lái)越小，幾乎為零，說(shuō)明在該方向上振動(dòng)清理篩幾乎沒(méi)有擺動(dòng)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 改變彈簧支撐在豎直方向上的位置振動(dòng)清理篩的運(yùn)動(dòng)仿真

在確定Kx和Ky的情況下，通過(guò)保持一側(cè)的彈簧支撐在豎直方向上的位置，改變另一側(cè)彈簧支撐在豎直方向的位置，對(duì)篩體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

3.1 在Y方向上保持彈簧支撐1的支撐位置不變，改變彈簧支撐2的位置

在Y方向上保持彈簧支撐1的位置不變，改變彈簧支撐2位置。即彈簧支撐1在Y方向上位于810mm時(shí)，分別對(duì)彈簧支撐2在Y方向上位于540mm、570mm、600mm時(shí)，進(jìn)行篩體質(zhì)心位移曲線，并進(jìn)行對(duì)比分析，得出篩體質(zhì)心振動(dòng)的位移曲線如圖8所示。

當(dāng)振幅變化達(dá)到平穩(wěn)后，如圖所示的曲線從上至下依次為彈簧2在坐標(biāo)中在振動(dòng)篩Y方向分別位于600mm、570mm、540mm時(shí)的篩體質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)位移曲線。從圖上可以看出，改變彈簧位置所得到的穩(wěn)定后的振幅約為2.3mm，與原模型的位移振幅一致，即小幅度改變彈簧支撐2的位置，不會(huì)改變振動(dòng)清理篩運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)的位移振幅。

3.2 在Y方向上保持彈簧支撐2的支撐位置不變，改變彈簧支撐1的位置

彈簧支撐2的位置不變，改變彈簧支撐1在Y方向的位置。即彈簧支撐2在Y方向上位于570mm時(shí)，彈簧支撐1在Y方向上位于780mm、810mm、840mm時(shí)，分別對(duì)篩體質(zhì)心進(jìn)行位移曲線，并進(jìn)行對(duì)比分析，得出篩體質(zhì)心振動(dòng)的位移曲線如圖9所示。

當(dāng)振幅變化達(dá)到平穩(wěn)后，如圖所示的曲線從上至下依次為彈簧1在坐標(biāo)中在Y方向分別位于840mm、810mm、780mm時(shí)篩體質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)位移曲線。從圖上可以看出，改變彈簧位置所得到的穩(wěn)定后的振幅約為2.3mm，與原模型的位移振幅一致，小幅度改變彈簧支撐1的位置，不會(huì)改變振動(dòng)清理篩運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)的位移振幅。

3.3 在Y方向上保持彈簧支撐2的支撐位置位于600mm不變，改變彈簧支撐1的位置

在Y方向上保持彈簧支撐2的支撐位置位于600mm不變，改變彈簧支撐1的位置，即彈簧支撐2在Y方向上位于600mm時(shí)，分別對(duì)彈簧支撐1在Y方向上位于780mm、810mm、840mm時(shí)，進(jìn)行篩體質(zhì)心位移曲線，并進(jìn)行對(duì)比分析，得出篩體質(zhì)心振動(dòng)的位移曲線如圖10所示。

如圖10所示的曲線從上至下依次為彈簧1在坐標(biāo)中在Y方向位于840mm、彈簧1和彈簧2位于模型的原始位置、彈簧1在坐標(biāo)中在Y方向位于780mm篩體質(zhì)心的位移曲線。從圖10上可以看出，同時(shí)改變彈簧1和2的位置所得到的穩(wěn)定后的振幅約為2.3mm，與原模型的位移振幅一致，即小幅度的同時(shí)改變彈簧支撐1和2的位置，不會(huì)改變振動(dòng)清理篩運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)的位移振幅。

3.4 在Y方向上保持彈簧支撐2的支撐位置位于540mm不變，改變彈簧支撐1的位置

在Y方向上保持彈簧支撐2的支撐位置位于540mm不變，改變彈簧支撐1的位置，即彈簧支撐2在Y方向上位于540mm時(shí)，分別對(duì)彈簧支撐1在Y方向上位于780mm、810mm、840mm時(shí)，進(jìn)行篩體質(zhì)心位移曲線，并進(jìn)行對(duì)比分析。

如圖11所示的曲線從上至下依次為彈簧1在坐標(biāo)中在Y方向位于840mm、彈簧1和彈簧2位于模型的原始位置、彈簧1在坐標(biāo)中在Y方向位于780mm時(shí)篩體質(zhì)心的位移曲線。從圖11上可以看出，同時(shí)改變彈簧1和2的位置所得到的穩(wěn)定后的振幅約為2.3mm，與原模型的位移振幅一致，即小幅度同時(shí)改變彈簧支撐1和2的位置，不會(huì)改變振動(dòng)清理篩運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)的位移振幅。

4 結(jié)論

當(dāng)將彈簧支撐軸向支撐和橫向剛度之比為6.5時(shí)，其ADAMS仿真結(jié)果與實(shí)際振動(dòng)清理篩的運(yùn)動(dòng)相符合。

保持一側(cè)彈簧支撐在豎直方向的位置不變，改變另一側(cè)在豎直方向的位置時(shí)，不會(huì)改變振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)幅值。為優(yōu)化篩體結(jié)構(gòu)提供依據(jù)，為解決連接彈簧與篩體的支座加強(qiáng)筋處是振動(dòng)篩整體強(qiáng)度的最薄弱部位的問(wèn)題提供優(yōu)化方向，為振動(dòng)篩設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

［1］汪建雄.大型直線振動(dòng)篩可靠性研究［J］.煤礦現(xiàn)代化，2011（1）：86-88.

［2］李永祥，高燕，任曼曼.振動(dòng)清理篩的研究現(xiàn)狀與發(fā)展探討［J］.河南科技，2013（9）：101-102.

［3］張浩.2ZKB振動(dòng)篩的動(dòng)態(tài)仿真及有限元分析［D］.河北：河北工程大學(xué)，2011.

［4］屈維德，唐恒齡.機(jī)械振動(dòng)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

［5］張義民.機(jī)械振動(dòng)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［6］張永林，王章海.振動(dòng)電機(jī)激振的振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)分析及主參數(shù)設(shè)計(jì)［J］.糧食與飼料工業(yè)，1998（09）：20-21.

Simulation and Research of TQLZ100 200Vibration Cleaning Sieve M ovement CharacteristicsBased on ADAMS

Zhao Dan Li Yongxiang Wang Mingxu
（SchoolofMechanical&Electrical Engineering Henan University of Technology，Zhengzhou Henan 450007）

This paperused the Pro/E to establish the entitymodel,then imported themulti-rigid-body dynamicssoft?ware ADAMSand established the virtual prototypemodel for the simulation research.Itexplored the value distribu?tion of the spring support in axial and transverse stiffness,under the relationship of optimalassignment,determined the changethe position of the spring supporton the vertical direction.By using the ADAMS to simulate the displace?ment curve of sieve centroid when spring support in different locations on the vertical direction,and then compared with the originalmodel.Provide optimization direction by solving the weakest parts of the sieve which connected to the spring and the screen body bearing stiffeners,thus providing the basis for optimum structural design of vibration cleaning sieve.

spring support；ADAMS；simulation analysis

TD452

A

1003-5168（2015）06-0034-4

2015-5-24

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“玉米粒收后的干燥及清理技術(shù)與關(guān)鍵裝備的研創(chuàng)”（152102110071）；河南省重大專項(xiàng)“糧食產(chǎn)后清理技術(shù)與關(guān)鍵裝備的集成研究及示范”項(xiàng)目（121199110120）；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（14A460006）。

趙丹（1989-），女，漢，在讀碩士，研究方向：機(jī)械工程。