基于ADAMS的往復(fù)式谷物振動(dòng)篩設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

盧琦，徐兵，劉蕓，葉紹波，李麗紅，孔令達(dá)，鄭德聰

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801)

振動(dòng)篩是一種按照顆粒物料外形尺寸大小的不同，通過(guò)篩面振動(dòng)將物料進(jìn)行除雜分級(jí)的篩選設(shè)備，主要用于谷物聯(lián)合收割機(jī)、脫粒機(jī)、清選機(jī)等設(shè)備中[1～3]。振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性決定了谷物籽粒與雜余的清選效果[4,5]，因此研究谷物在篩面上的運(yùn)動(dòng)特征及振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律對(duì)其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要意義。韓小平等設(shè)計(jì)了5XS―600型往復(fù)式振動(dòng)篩試驗(yàn)臺(tái)并用SIMULINK軟件進(jìn)行了仿真研究[6]。魯云松等以二自由度振動(dòng)篩試驗(yàn)平臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)二自由度振動(dòng)篩試驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)化模型的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及篩面上物料受力情況進(jìn)行分析，并利用ADAMS仿真軟件對(duì)單自由度振動(dòng)篩模型和二自由度振動(dòng)篩模型進(jìn)行仿真研究[7]。為尋找往復(fù)振動(dòng)篩的最佳篩分參數(shù)，王中營(yíng)等采用三維離散元軟件PFC3D研究了篩分參數(shù)對(duì)篩分效果的影響規(guī)律[8]。盡管目前對(duì)振動(dòng)篩的研究取得了重要進(jìn)展，但仍存在谷物運(yùn)動(dòng)規(guī)律不理想，篩面易堆積，篩孔易堵塞，篩分效果和輸送能力差的問(wèn)題。本研究通過(guò)設(shè)計(jì)一種往復(fù)式振動(dòng)篩，分析谷物在篩面的受力情況和運(yùn)動(dòng)特性，建立篩子的位移方程，用ADAMS軟件對(duì)振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了仿真分析，并進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，旨在為谷物振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)和工作原理

振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)主要由機(jī)架、渦輪蝸桿減速器、偏心輪、連桿、搖桿、篩體組成，如圖1所示。振動(dòng)篩篩體通過(guò)4個(gè)長(zhǎng)度為220 mm的等長(zhǎng)搖桿5連接在機(jī)架上，篩面安裝角度α=2°。其中振動(dòng)篩篩體結(jié)構(gòu)是影響風(fēng)篩式清選裝置清選效果的主要因素之一[9]，設(shè)計(jì)的振動(dòng)篩篩體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由篩架、輸送篩板、籽粒收集器、分離篩網(wǎng)、雜余收集器等組成。篩架采用30 mm×30 mm×3 mm的角鋼組成焊接式結(jié)構(gòu)；輸送篩板和收集器采用1 mm厚的鋼板焊接在篩架上；篩網(wǎng)選用編織篩，采用絲徑為0.5 mm的鋼絲網(wǎng)，目數(shù)為5目，滿足谷物籽粒篩分要求。

圖1 振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of vibrating screen1—機(jī)架；2—渦輪蝸桿減速器；3—偏心輪；4—連桿；5—搖桿；6—篩體。1—Frame; 2—Turbine worm reducer; 3—Eccentric wheel; 4—Connecting rod； 5—Rocker 6.Screen body.

工作時(shí)，動(dòng)力由電機(jī)通過(guò)皮帶輪傳遞給蝸輪蝸桿減速機(jī)，蝸輪蝸桿減速器動(dòng)力輸出軸通過(guò)偏心距為r=25 mm的偏心輪和連接在篩架上長(zhǎng)度為L(zhǎng)2=464 mm的傳動(dòng)連桿將動(dòng)力傳遞給振動(dòng)篩篩體，帶動(dòng)整個(gè)振動(dòng)篩做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，迫使谷物在振動(dòng)篩篩面進(jìn)行清選，并向出料口方向移動(dòng)。

圖2 振動(dòng)篩篩體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The body structure of vibrating screen1—篩架；2—輸送篩板；3—分離篩網(wǎng)；4—籽粒收集器；5—雜余收集器。1—Screen frame； 2—Conveyor screen； 3—Separating screen； 4—Grain collector； 5—Impurity collector

2 谷物在篩面上的受力及運(yùn)動(dòng)特征分析

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化成一個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。為了分析篩面運(yùn)動(dòng)特征，以曲柄連桿機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)中心和篩架連桿連接點(diǎn)連線的延長(zhǎng)線方向?yàn)檎较?，以曲柄在左?cè)與正方向反向延長(zhǎng)線重合位置的為曲柄運(yùn)動(dòng)的起始位置，設(shè)曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度為ωt，則篩子的位移方程為：x=-rcosωt，求二階導(dǎo)數(shù)可以得到加速度a=rω2cosωt。

圖3 振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.3 The moving graphics of vibrating screen

為了研究谷物在篩面的運(yùn)動(dòng)特征，對(duì)篩面上任一谷物質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行受力分析，設(shè)谷物經(jīng)脫粒后進(jìn)入振動(dòng)篩篩面的位置為前，雜余收集的位置為后。

(1)谷物在篩面上有向前滑的趨勢(shì)，則摩擦力F向后，慣性力P向前，其受力狀態(tài)為如圖4所示。

圖4 谷物沿篩面前滑受力分析Fig.4 Force analysis of grain sliding toward front

將谷物所受力向篩面投影，可得：

(1)

式中：G為谷物重力/N，大小為G=mg，m為谷物重量/kg；N為篩面對(duì)谷物的支撐力/N；F為谷物所受摩擦力/N，大小為F=μ·N=N·tanφ，φ為谷物與鋼材的摩擦角，取φ=30°；P為慣性力/N,大小為P=m·a=m·rω2cosωt，a為加速度/m·s-2，r為曲柄半徑/m，取0.025m；ω為角速度/rad·s-1，取ω=25.12rad·s-1；α為篩面的安裝傾角/°，取α=2°；ε為振動(dòng)篩的振動(dòng)方向角/°，取ε=23°。

帶入化簡(jiǎn)得到：

(2)

令篩子運(yùn)動(dòng)的加速度比為：

脫出物沿篩面前滑的特征條件為：

即欲使谷物脫出物沿篩面前滑，必須使篩子運(yùn)動(dòng)滿足如下條件K≥K1。

(2)谷物在篩面上有向后滑的趨勢(shì)，則摩擦力F向前，慣性力P向后，其受力狀態(tài)為如圖5所示：

圖5 谷物沿篩面后滑受力分析Fig.5 Force analysis of grain sliding toward back

將谷物所受力向篩面投影，可得：

(3)

化簡(jiǎn)得到：

(4)

令脫出物沿篩面后滑的特征條件為：

即欲使谷物脫出物沿篩面后滑，必須使篩子運(yùn)動(dòng)滿足如下條件K≥K2。

(3)當(dāng)谷物脫出物被拋離篩面時(shí)，其臨界條件為篩面法向支反力N=0，由公式(3)得到：

(5)

令脫出物拋離篩面的特征條件為：

即欲使谷物脫出物沿篩面被拋起，必須使篩子運(yùn)動(dòng)滿足如下條件K≥K3。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為了增加谷物脫出物的清選效果，要求谷物脫出物沿篩面既有前滑又有后滑，且后滑量大于前滑量，不允許有拋起現(xiàn)象發(fā)生[10～13]，即K3>K>K1>K2。

帶入數(shù)值得到K=1.60；K1=0.78；K2=0.53；K3=2.56，滿足K3>K>K1>K2，符合實(shí)際生產(chǎn)要求，該振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

3 ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真與結(jié)果分析

ADAMS軟件是由美國(guó)MSC公司開發(fā)研制的集建模、求解、可視化技術(shù)于一體的虛擬樣機(jī)軟件，主要針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。運(yùn)用ADAMS軟件進(jìn)行仿真，可以大大簡(jiǎn)化機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程，大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，大量減少產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用和成本，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的系統(tǒng)性能，獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品[14,15]。

3.1 建模

模型的所有構(gòu)件都是通過(guò)運(yùn)動(dòng)副連接起來(lái)的，且振動(dòng)篩機(jī)架與傳動(dòng)件保持相對(duì)靜止，所以按照振動(dòng)篩的實(shí)際狀況，在所有構(gòu)件鉸接的位置施加旋轉(zhuǎn)副約束，并利用固定約束將機(jī)架與大地固定在一起[16,17]。如圖4所示建立振動(dòng)篩參數(shù)化模型，桿件L1為曲柄(偏心輪)，桿件L2為連桿，部件L7為振動(dòng)篩，P、Q為振動(dòng)篩篩面上的2點(diǎn)，桿件L3(L4)和L5(L6)為搖桿，其中部件L7采用剛體多邊形模塊建模，其他均采用連桿模塊建模。曲柄為主動(dòng)桿件，因此在其中心點(diǎn)A處的旋轉(zhuǎn)副建立旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。

圖6 振動(dòng)篩仿真模型Fig.6 Modeling of vibrating screen

3.2 仿真結(jié)果

進(jìn)入仿真模塊后，根據(jù)實(shí)際工作情況，設(shè)置A處的初始條件為240 r·min-1(1 440 d*time)，設(shè)置求解時(shí)間為1 s，步數(shù)為500。為方便測(cè)量各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的角位移，在機(jī)架上創(chuàng)建點(diǎn)M和點(diǎn)N，使M、N點(diǎn)分別跟E、B點(diǎn)水平。仿真結(jié)束后進(jìn)入后處理界面，仿真結(jié)果如圖7～圖10所示。

圖7為搖桿L3(L4)和L5(L6)角位移、角速度和角加速度的變化規(guī)律曲線，由圖7可以看出，搖桿角位移在56°～70°范圍內(nèi)往復(fù)移動(dòng)，角速度在-150°·s-1～160°·s-1范圍內(nèi)往復(fù)移動(dòng)，角加速度在-4 000°·s-2～4 000°·s-2范圍內(nèi)往復(fù)移動(dòng)。

圖7 搖桿運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線Fig.7 Movement parameter curves of rocker

圖8 連桿運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線Fig.8 Movement parameter curves of rocker connecting rod

圖8為連桿L2角位移、角速度和角加速度的變化規(guī)律曲線，由圖8可以看出，連桿角位移在2°～18°范圍內(nèi)往復(fù)移動(dòng)，角速度在-80°·s-1～80°·s-1范圍內(nèi)往復(fù)移動(dòng)，角加速度在-2 300°·s-2～2 000°·s-2范圍內(nèi)往復(fù)移動(dòng)。

圖9為振動(dòng)篩篩面上P、Q點(diǎn)在x、y方向上的速度分量變化曲線。P、Q點(diǎn)的變化規(guī)律大致相同，在x方向上的速度分量在-550～500 mm·s-1范圍內(nèi)變化，在y方向上的速度分量在-260～260 mm·s-1范圍內(nèi)變化。

圖10為振動(dòng)篩篩面上P、Q點(diǎn)在x、y方向上的加速度分量變化曲線。P、Q點(diǎn)的加速度變化規(guī)律大致相同，在x方向上的加速度分量在-15 000～12 500 mm·s-2范圍內(nèi)變化，在y方向上的加速度分量在-5 000～7 500 mm·s-2范圍內(nèi)變化。

圖9 振動(dòng)篩上P、Q點(diǎn)在x、y方向上的速度分量曲線Fig.9 The P and Q points velocity curve in x、y direction

由以上曲線分析可以看出，當(dāng)偏心輪每旋轉(zhuǎn)1周時(shí)，搖桿完成一個(gè)工作循環(huán)，到達(dá)左右極限位置1次，篩面完成一次振動(dòng)。連桿、搖桿運(yùn)動(dòng)都是呈周期性規(guī)律變化，各角位移、角速度和角加速度變化平緩，曲線無(wú)明顯拐點(diǎn)，無(wú)劇烈振動(dòng)現(xiàn)象，無(wú)較大沖擊。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，振動(dòng)篩性能良好。通過(guò)ADAMS曲線仿真分析，可為谷物振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)于2018年11月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院進(jìn)行，樣機(jī)如圖11所示。試驗(yàn)選用蕎麥為試驗(yàn)材料，品種為晉蕎1號(hào)甜蕎，試驗(yàn)時(shí)蕎麥籽粒含水率為14.83%，振動(dòng)篩振動(dòng)頻率為25.12 rad·s-1。

圖11 試驗(yàn)樣機(jī)Fig.11 Test prototype

試驗(yàn)先將部分蕎麥進(jìn)行脫粒，收集脫出物，脫出物為蕎麥籽粒和穎殼混雜物。根據(jù)實(shí)際情況，任選脫出物0.8 kg，將脫出物放置在振動(dòng)篩的一端，啟動(dòng)機(jī)器，進(jìn)行篩分作業(yè)，收集篩下產(chǎn)物和篩上產(chǎn)物，人工篩分篩上產(chǎn)物中小于篩孔尺寸的粒級(jí)質(zhì)量，將篩下產(chǎn)物和篩上產(chǎn)物中小于篩孔尺寸的粒級(jí)質(zhì)量分別稱重，并記錄，試驗(yàn)重復(fù)3組。設(shè)篩下產(chǎn)物中100%為小于篩孔尺寸的粒級(jí)質(zhì)量，則篩分效率為：

(6)

式中：E為篩分效率/%；m為篩下產(chǎn)物質(zhì)量

/kg；n為篩上產(chǎn)物中小于篩孔尺寸的粒級(jí)質(zhì)量/kg。

取0.5 kg的籽粒放在振動(dòng)篩的一端，標(biāo)記位置，啟動(dòng)機(jī)器，直至所有籽粒被輸送到另一端，記錄時(shí)間，測(cè)量振動(dòng)篩兩端距離，則振動(dòng)篩的輸送速度為：

(7)

式中：V為輸送速度/m·s-1；L振動(dòng)篩長(zhǎng)度/m；t為時(shí)間/s。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

篩分效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表1，輸送速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表2。

表1 篩分效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Test data of screening efficiency

表2 輸送速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Test data of conveying speed

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，當(dāng)振動(dòng)篩振動(dòng)頻率為25.12 rad·s-1，篩面安裝傾角為2°，振動(dòng)方向角為23°時(shí)，篩分效率為89.8%，輸送速度為0.133 m·s-1。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種往復(fù)式振動(dòng)篩，驅(qū)動(dòng)偏心輪的偏心距為25 mm，連桿長(zhǎng)度為 464 mm，搖桿長(zhǎng)度為220 mm，安裝角度為2°，篩網(wǎng)是目數(shù)為5的編織篩。

(2)分析了谷物在篩面上的受力及運(yùn)動(dòng)特征，運(yùn)動(dòng)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)完成了往復(fù)式振動(dòng)篩的ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真，仿真結(jié)果表明，連桿、搖桿、篩面運(yùn)動(dòng)都是呈周期性規(guī)律變化，振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)過(guò)程無(wú)較大沖擊，無(wú)劇烈振動(dòng)現(xiàn)象，振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

(4)通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，當(dāng)振動(dòng)篩的振動(dòng)頻率為25.12 rad·s-1，篩面的安裝傾角為2°，振動(dòng)方向角為23°時(shí)，篩分效率為89.8%，輸送速度為0.133 m·s-1。