用于蚯蚓分選的直線振動篩研究與試驗

吳祥臻,賀 磊,趙洪新

(山東理工大學,山東 淄博 255000)

0 引言

蚯蚓的生長周期較短,養(yǎng)殖模式以大田養(yǎng)殖為主,采用的分選方法大多是人工分選,分選過程需要耗費大量人力資源,限制了蚯蚓養(yǎng)殖的規(guī)模。為此,本文從理論分析和樣機試驗兩個角度對直線振動篩進行了研究分析,旨在為蚯蚓分選所采用的直線振動篩提供設計依據(jù)。

1 直線振動篩理論分析

1.1 工作原理

圖1為用于蚯蚓分選的直線振動篩三維模型。

圖1 直線振動篩三維模型Fig.1 3D model of linear vibrating screen

圖1中,振動的激振力由兩同步異向旋轉(zhuǎn)的雙不平衡振動電機提供,振動電機的安裝呈一定角度;兩臺振動電機同步反向旋轉(zhuǎn),電機的偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性離心力在X軸上的分力相互抵消,沿Y軸的分力相互疊加,電機偏心塊運動到圖2(a)、(c)位置時,兩振動電機提供的激振力最大;電機偏心塊運動到圖2(b)、(d)位置時,兩振動電機提供的激振力最小。

圖2 偏心塊運動狀態(tài)圖Fig.2 Motion diagram of eccentric block

由以上分析可得直線振動篩的運動方程為

S=λsinωt

(1)

其中,S為直線振動篩在振動方向上的位移;λ為直線振動篩的振幅;ω為振動電機的角速度;t為振動電機運轉(zhuǎn)時間。

振動電機激振力的方向與篩面的方向夾角為α,設平行篩面方向為X軸,垂直篩面方向為Y軸,直線振動篩在振動方向上的位移可在X軸、Y軸上進行分解,得到延坐標軸的分位移x、y,分別求x、y的1階、2階導數(shù),可以得到直線振動篩在X軸、Y軸的速度、加速度方程,即

(2)

其中,α為振動電機激振力的方向與篩面的方向夾角。

1.2 直線振動篩力學模型

直線振動篩是個復雜的機械系統(tǒng),機械系統(tǒng)的運動分析通常比較困難,所以需要對機械系統(tǒng)進行簡化處理。直線振動篩工作時的運動形式是受迫振動,系統(tǒng)在激振力的作用下做周期性運動,對系統(tǒng)進行簡化處理。簡化原則如下:

1)質(zhì)量集中原則。直線振動篩箱體質(zhì)量較大,忽略其彈性變形,簡化為質(zhì)量為M的剛體。

2)剛度集中原則。直線振動篩由4只彈簧支撐,在剛度分析時忽略彈簧質(zhì)量,彈簧的剛度集中到系統(tǒng)整體的剛度進行分析。

3)阻尼集中原則。機械系統(tǒng)的存在的很多種阻尼形式,且多為非線性阻尼。為了便于計算,將系統(tǒng)阻尼簡化為線性阻尼進行力學分析。

4)振動集中原則。實際工作中,直線振動篩并不是只做受迫振動,機械系統(tǒng)中存在其他小位移振動,在進行力學分析時忽略其他方向的小位移振動,只考慮y軸方向上的機械系統(tǒng)的受迫振動。

綜合以上簡化原則,建立直線振動篩的力學模型,如圖3所示。

圖3 直線振動篩力學模型Fig.3 Mechanical model of linear vibrating screen

由圖3可知:作用于機械系統(tǒng)的外力主要為激振力f、彈簧彈力及系統(tǒng)的阻尼力。激振力f=f0sinωt,f0為激振力的幅值。根據(jù)達朗貝爾原理,作用在系統(tǒng)上的主動力和系統(tǒng)的慣性力之和為零,則機械系統(tǒng)的運動學方程為

(3)

其中,M為直線振動篩上箱體質(zhì)量;m為振動電機偏心塊質(zhì)量;c為系統(tǒng)阻尼系數(shù)。

2 直線振動篩箱體動力學分析

直線振動篩的箱體在交變載荷作用下,容易發(fā)生側(cè)板的變形、開裂,以及橫梁的斷裂等現(xiàn)象,嚴重影響直線振動篩的使用壽命。當箱體產(chǎn)生共振現(xiàn)象時,系統(tǒng)振幅顯著增大,箱體受到的動應力顯著提高,極易引起箱體的破壞性變形。為了提高直線振動篩的使用壽命,需要進行系統(tǒng)的模態(tài)分析,避免共振現(xiàn)象發(fā)生。

將UG10.0中建立的直線振動篩箱體模型進行簡化,忽略定位孔、工藝孔等細節(jié)特征,導入Workbench12.0中。為了簡化運算,將箱體看成是一個整體,對整體進行劃分網(wǎng)格,模態(tài)分析不需要施加外載荷,設置箱體底面彈簧接觸約束。結(jié)構振動中,高階模態(tài)能量所占的比重很低,所以在進行模態(tài)分析時只計算前15階固有頻率,如表1所示。

表1 篩體前15階固有頻率Table 1 The first 15 natural frequencies of the sieve body

前期工作中通過計算選擇1000r/min的yzs-5-6型振動電機,直線振動篩的工作頻率為16.67Hz。為了防止出現(xiàn)共振現(xiàn)象,工作頻率不得落入各階固有頻率的半功率帶寬內(nèi)。

直線振動篩的工作頻率避開了固有頻率,因此不會發(fā)生共振,符合設計要求。直線振動篩前10階模態(tài)振型圖如圖4所示。

圖4 直線振動篩前10階模態(tài)振型圖Fig.4 Front ten mode vibration pattern of linear vibrating screen

3 直線振動篩樣機試驗

3.1 試驗樣機

前文對振動篩的工作原理及三維模型設計的合理性進行了分析,振動篩的分選效果要通過樣機(見圖5)試驗進行驗證。直線振動篩的分選效果直接受振動參數(shù)影響,為了方便試驗,減少樣機設計成本,所以在進行樣機設計時將重要設計參數(shù)設計為可調(diào),參數(shù)包括激振力和篩網(wǎng)傾角。

圖5 直線振動篩樣機圖Fig.5 Prototype of linear vibrating screen

1)激振力。激振力影響了振動篩正常工作時相對平衡位置的最大位移,不同的篩分物最佳篩分激振力也不同,本節(jié)將用試驗的方法探討最佳激振力。

2)篩網(wǎng)傾角。篩網(wǎng)與水平面的夾角為篩網(wǎng)夾角,其大小直接影響篩分效率和處理速度。夾角越大,越有利于物料做斜拋運動,物料在篩網(wǎng)上的停留時間就越短,物料的運動速度越快,振動篩的處理速度越快。本節(jié)將在設計合理角度的范圍內(nèi)進行試驗,選擇分選的最佳角度。

3.2 試驗設計

為了研究振動參數(shù)之間的相互作用,找到整個區(qū)域上參數(shù)組合值的最優(yōu)解。對振動參數(shù)取不同的水平值,進行全因子樣機試驗,得出最佳篩分參數(shù)設計。

試驗考察兩個篩分參數(shù),分別為A(激振力)、B(篩網(wǎng)傾角)。前期工作中,已初步確定各振動參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍,如表2所示。試驗目的是為了找到參數(shù)組合中的最優(yōu)解,使振動篩達到最佳分選效果,即篩分物中蚓糞充分過篩,蚯蚓盡量少地過篩。試驗結(jié)果如表3所示。

表2 試驗因素設計Table 2 Design of test factors

表3 篩分試驗結(jié)果Table 3 Results of screening test

3.3 結(jié)果后處理

1)極差分析。對試驗結(jié)果進行極差分析,可以直觀地反映激振力和篩網(wǎng)傾角對篩分率的影響,如表4所示。由表4可知,RB>RA。這說明,A、B因素對于篩分率影響的重要程度依次是篩網(wǎng)傾角、激振力。對于A因素來說,不同水平下的篩分率極差為k3>k4>k2>k5>k1;對于B因素,不同水平下的篩分率極差為k2>k3>k1>k4>k5。因此,振動式分選裝置取得最大篩分率時的篩分參數(shù)組合為A3B2,即激振力為6.5kN、篩網(wǎng)傾角為10°。對應試驗表中12號試驗,此時篩分率為60.82%。

表4 篩分率極差分析表Table 4 Screening rate range analysis table

2)趨勢分析。因素-篩分率趨勢圖如圖6所示。由圖6可知,篩分率隨激振力和篩網(wǎng)傾角的變化而不斷變化。在篩分過程中,隨著激振力的增大,篩分率的變化趨勢是先增加后降低。當激振力較低時,物料的振幅較低,使得物料分層效果較差。同時,物料在篩面上的運動速度較低,造成物料堆積,料層厚度較高,使得篩分率較低。當激振力過大時,物料在篩面上的運動過快,物料在篩面上的停留時間較短,物料的篩分率低。隨著篩網(wǎng)傾角的增大,篩分率的變化趨勢是先增加后降低,篩網(wǎng)傾角過小時,增大篩網(wǎng)傾角提高了物料在篩面上的運動速度。當篩網(wǎng)傾角過大時,一方面使得物料在篩面上的運動速度過高,使得物料篩分不充分;另一方面篩網(wǎng)的有效過篩面積降低,顆粒過篩概率的降低使物料的篩分率降低。

圖6 因素-篩分率趨勢圖Fig.6 Factors - screening rate trend chart

3.4 最優(yōu)篩分參數(shù)確定

由試驗結(jié)果可知:篩分過程中,蚯蚓的過篩損失量占每箱培養(yǎng)基中蚯蚓的質(zhì)量比重較低,損失量在可接受范圍內(nèi),可以證明在篩網(wǎng)孔徑取5mm在進行蚯蚓分選時是合理的。以蚓糞的篩分率為指標,當蚓糞的過篩率取最大值時,激振力與篩網(wǎng)傾角的最佳參數(shù)設計分別為6.5kN、10°,對應試驗表中12號試驗,此時篩分率為60.82%。

4 結(jié)論

1)對直線振動篩進行動力學分析,利用達朗貝爾原理建立其動力學方程。

2)利用ANSYS workbench有限元軟件進行模態(tài)分析,各階頻率均未落入半功率帶寬內(nèi),直線振動篩不會發(fā)生共振,證明了設計的合理性。

3)進行樣機試驗,確定了達到最佳分選效果時的直線振動篩最佳設計參數(shù),激振力與篩網(wǎng)傾角的最佳參數(shù)設計分別為7kN、10°。