微型非線性振動傳輸機的研制

王春瑩 孫利民

【摘 要】本文介紹了所研制的微型非線性振動傳輸機的結(jié)構(gòu)特性及其工程背景，利用所學的振動力學知識對料槽和物料的受力方程和運動方程進行分析，求出物料的位移、速度、加速度方程及圖像，并采用有限元軟件對微型非線性振動傳輸機進行了仿真分析，建立裝置的模型，分析了該系統(tǒng)的靜力學結(jié)構(gòu)特性即固有頻率和其在簡諧激振力作用下的運動軌跡；運用數(shù)值說明該機構(gòu)確實可以達到振動傳輸?shù)哪康摹?/p>

【關(guān)鍵詞】振動傳輸 物料輸送 固有頻率 動力學特性

在現(xiàn)代化的社會工業(yè)大發(fā)展下，振動輸送越來越多的運用到物料傳輸上，它可以輸送高溫的物體以及克服一些形狀不規(guī)則、棱角突出的物料對輸送帶磨損大的缺點。目前的振動傳輸機分為靠電機提供動力和通過連桿機構(gòu)振動的振動傳輸機。

國外最近幾年陸續(xù)研究出了通用化程度高的、技術(shù)水平較高的篩分設(shè)備，如雙頻率篩和三路分配器給料以及自同步直線振動篩等等；國內(nèi)發(fā)展較緩慢，很多大型的振動傳輸及振動篩分設(shè)備都較笨重，且受場地和工作環(huán)境的影響極大。綜合上述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，下面詳細介紹我們研制并試驗成功的微型非線性振動傳輸機。

1微型非線性傳輸機結(jié)構(gòu)特征

該傳輸機高800mm，長1000mm，料槽寬度100mm，振動源電機功率為60W，工作頻率為1hz。該傳輸機裝置在偏心電動機的帶動下做周期性簡諧運動。實物圖如圖1所示：該傳輸機只采用一個電機，避免了多個電機同步工作所產(chǎn)生的各種問題、障礙和噪音；偏心塊在電動機的帶動下產(chǎn)生連續(xù)不斷的位置變化，從而產(chǎn)生周期性變化的激振力，該激振力的大小和方向也是周期性變化。在該激振力作用下，物料隨料槽一起振動。當料槽位移達到一定值后，被彈性阻擋條阻擋，振動衰減，在此過程中，由于碰撞時間非常短，所以當料槽的位移衰減時，里邊的物料在慣性作用下保持原來的速度不變，繼續(xù)向前運動，不受碰撞影響，從而實現(xiàn)物料的連續(xù)不斷向前輸送。如此循環(huán)往復(fù)，物料就可被輸出料槽。

該傳輸機采用交流齒輪調(diào)速電機，省掉了調(diào)壓變壓器或減速器的中間環(huán)節(jié)，電機自身可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。在調(diào)節(jié)過程中可以找到最佳轉(zhuǎn)速，從而得到最佳的工作效率。

圖1 微型非線性振動傳輸機實物圖

2 傳輸機系統(tǒng)運動微分方程的計算

2.1料槽及物料動力學分析

實物圖如圖1所示，取為偏心質(zhì)量、為偏心距、為電機角頻率、為電機和料槽質(zhì)量、為物料質(zhì)量、為連桿與垂直方向夾角、為連桿長度。根據(jù)實物圖，對實物模型進行簡化，畫出傳輸機的平面簡圖，并分別以物料和料槽為研究對象，進行受力分析。其中為連桿對料槽的拉力，為摩擦力，為物料對料槽的壓力，為料槽對物料的支撐力，為激振力，為物料重力，為電機和料槽重力。

以料槽為研究對象，則有

3傳輸機力學性能的數(shù)值仿真分析

簡化該振動傳輸機的動力學部分，利用ANSYS軟件建立簡化模型，并進行模態(tài)分析和動力學性能分析。對裝置進行模態(tài)分析，得到系統(tǒng)的前七階固有頻率，第一階固有頻率為剛體的固有頻率，其后的各階頻率為料槽和框架的頻率。如下表1所示。

由于電機產(chǎn)生的力為簡諧力，這種由簡諧變化的載荷引起的結(jié)構(gòu)持續(xù)的周期性響應(yīng)稱為諧響應(yīng)。諧響應(yīng)分析可采用3種計算方法：完全法、縮減法和模態(tài)疊加法。利用上述建立的模型并進行剖分，在料槽的等效部分表面施加簡諧力F=100N，由于料槽做平動，故選取料槽上的一點，可以模擬得到節(jié)點的位移-頻率曲線，即為料槽的位移-頻率曲線，如圖3所示。

4結(jié)語

本文利用動力學知識討論了在料槽與物料碰撞前、碰撞中和碰撞后的受力情況以及運動情況；我們還從有限元仿真模擬方面，使用模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析方法，分析了微型非線性振動傳輸機的結(jié)構(gòu)靜力學特性和動力學特性，并將數(shù)值模擬結(jié)果與理論計算的結(jié)果進行比較，從而可以進一步說明設(shè)備的可用性和數(shù)值模擬運算的合理性。

參考文獻：

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作者簡介：王春瑩，（1992-） 女，漢族，河南南陽人，單位： 鄭州大學力學與工程科學學院，研究方向：工程力學；孫利民，（1956-）男，漢族，河南開封人，博士，教授，研究方向：結(jié)構(gòu)動力學實驗與仿真。