宗榮珍，宋偉軒，孟慧芳，歐拴柱，和政翔，孫佳童

（南陽理工學(xué)院，河南 南陽 473004）

0 引言

直線振動(dòng)篩選機(jī)可對(duì)粉狀、顆粒狀物料篩選和分級(jí)[1]，廣泛應(yīng)用于礦山、建材、磨料、化工、糧食、碳素、化肥等行業(yè)。目前市面上現(xiàn)有的直線振動(dòng)篩選機(jī)種類繁多，動(dòng)力方式和運(yùn)動(dòng)方式各有區(qū)別，但總體效率不高，操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力。本文設(shè)計(jì)一款效率高、可更換、篩分種類多、操作簡單的直線振動(dòng)篩選機(jī)，其利用振動(dòng)電動(dòng)機(jī)激振作為振動(dòng)源，使物料在篩網(wǎng)上被掀起，同時(shí)向前做直線運(yùn)動(dòng)，物料從給料機(jī)均勻地進(jìn)入篩分機(jī)的進(jìn)料口，通過多層篩網(wǎng)產(chǎn)生數(shù)種規(guī)格的篩上物、篩下物，然后分別從各自的出口排出。該直線振動(dòng)篩選機(jī)具有耗能低、產(chǎn)量高、結(jié)構(gòu)簡單、易維修、無粉塵逸散、自動(dòng)排料等特點(diǎn)。振動(dòng)篩的篩網(wǎng)孔大小有多種規(guī)格，當(dāng)用于不同物料的篩選時(shí)，通過篩網(wǎng)的替換便可以實(shí)現(xiàn)符合用戶要求的物料篩選效果。

1 直線振動(dòng)篩選機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 直線振動(dòng)篩選機(jī)具體設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求

直線振動(dòng)篩選機(jī)分為上體和下體兩個(gè)部分，上體和下體采用減振耐用彈簧連接，上體主要包括進(jìn)料口、篩網(wǎng)、出料口、振動(dòng)電動(dòng)機(jī)及電動(dòng)機(jī)固定板。下體主要包括支撐架、萬向輪及電源插口等。

1）直線振動(dòng)篩選機(jī)總長擬定為1800 mm，總寬擬定為600 mm；內(nèi)置篩網(wǎng)尺寸擬定為1500 mm（長）×420 mm（寬）。

2）直線振動(dòng)篩選機(jī)上體篩分部分及下體支撐梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。上體篩分部分的設(shè)計(jì)要質(zhì)量適中，根據(jù)振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇，要考慮到篩網(wǎng)部件及各個(gè)鈑金部件的耐磨性能；其次為了滿足篩分物料的多樣性，上體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要保證篩網(wǎng)的可更換、易維修保養(yǎng)等。下體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是要保證彈簧具有預(yù)期壽命下的使用條件；其次是支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及萬向輪的選型。

3）根據(jù)整體結(jié)構(gòu)的初步分析，選擇較為合適的振動(dòng)方式并進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確定振動(dòng)電動(dòng)機(jī)型號(hào)和直線振動(dòng)篩選機(jī)耐用振動(dòng)彈簧的計(jì)算與選型。

1.2 進(jìn)料口設(shè)計(jì)

進(jìn)料口主要包括進(jìn)料口外框架1、調(diào)節(jié)擋板2、吊環(huán)螺釘3、螺母4及擋塊5等。其中，調(diào)節(jié)擋板2主要作用在于通過調(diào)節(jié)它的位置高度，從而控制物料送入速度。決定位置高度的原因主要有3點(diǎn)：一是所要篩分物料的大小；二是根據(jù)工作時(shí)間的要求及電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)快慢來調(diào)節(jié)擋板2的位置高度；三是可手動(dòng)調(diào)節(jié)物料的送入量，以篩分效果更好為目的，而不是速度。吊環(huán)螺母4焊接在進(jìn)料口外框架上，這樣就可以通過調(diào)節(jié)吊環(huán)螺釘3來實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)擋板2位置高度的調(diào)節(jié)。擋塊5主要是為了固定調(diào)節(jié)擋板2的水平自由度。進(jìn)料口結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直線振動(dòng)篩選機(jī)、進(jìn)料口結(jié)構(gòu)

1.3 篩網(wǎng)設(shè)計(jì)

篩網(wǎng)主要包括長型鋼1、短型鋼2、篩網(wǎng)3等。該直線振動(dòng)篩選機(jī)的篩網(wǎng)可以根據(jù)所要篩分的物料的差異來選擇不同材質(zhì)、結(jié)構(gòu)的篩網(wǎng)，進(jìn)行更換。篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.4 出料口設(shè)計(jì)

出料口主要包括外框架1、底層出料口2、側(cè)板3、上層出料口4、中層出料口5。外框架1為鈑金框架，一方面用于擋料，另一方面的作用是充當(dāng)?shù)谌龑游锪系氖占洹５讓映隽峡?在外框架的側(cè)面，通過振動(dòng)電動(dòng)機(jī)，再加上篩面有一定的傾斜角度[2]，篩分到底層的物料在激振力的作用下會(huì)從底層出料口2流出。上層出料口4和中層出料口5的工作原理與此相同。出料口結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 出料口結(jié)構(gòu)

1.5 振動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

振動(dòng)結(jié)構(gòu)主要包括振動(dòng)電動(dòng)機(jī)1、螺栓2、螺母3、電動(dòng)機(jī)固定板加固件4、電動(dòng)機(jī)固定板5等零件，如圖4所示?？傮w來講，該課題所研究的直線振動(dòng)篩選機(jī)唯一的動(dòng)力源就是振動(dòng)電動(dòng)機(jī)1，所以振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的性能直接決定了該直線振動(dòng)篩選機(jī)篩分物料的速率與效果。合理選擇振動(dòng)電動(dòng)機(jī)1是保證該直線振動(dòng)篩選機(jī)質(zhì)量和能效的關(guān)鍵，本文采用雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力更強(qiáng)，還可以針對(duì)所要篩分物料的不同進(jìn)行調(diào)節(jié)[3]。電動(dòng)機(jī)固定板加固件4用來增加電動(dòng)機(jī)固定板5的強(qiáng)度，在機(jī)器持續(xù)、強(qiáng)烈地激振中，振動(dòng)電動(dòng)機(jī)上的安裝螺栓2及螺母3很容易發(fā)生松動(dòng)，而且在持續(xù)振動(dòng)下，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)固定板5疲勞損傷，因此，電動(dòng)機(jī)固定板加固件4也起到了格外重要的作用。由于電動(dòng)機(jī)固定板5及電動(dòng)機(jī)固定板加固件4都是以焊接的方式連接而成的，所以焊縫質(zhì)量也要滿足設(shè)計(jì)要求。該振動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以整機(jī)振動(dòng)方式設(shè)計(jì)，這樣的好處在于振動(dòng)傳遞明顯，利用彈簧支撐整個(gè)振動(dòng)體振動(dòng)，消耗功率降低，振動(dòng)傳遞效果明顯，此外還可以減小對(duì)鈑金件、緊固件、標(biāo)準(zhǔn)間、支撐件等零件的磨損程度[4]。

圖4 振動(dòng)結(jié)構(gòu)

1.6 功能實(shí)現(xiàn)說明

直線振動(dòng)篩選機(jī)的立體模型如圖5所示，其動(dòng)力源來自振動(dòng)電動(dòng)機(jī)[5]。該直線振動(dòng)篩選機(jī)大體上分為兩個(gè)部分，彈簧以上為振動(dòng)部分，彈簧以下為支撐部分。在上體部分，通過與振動(dòng)電動(dòng)機(jī)連接的電動(dòng)機(jī)固定板、與電動(dòng)機(jī)固定板連接的外框架將振動(dòng)傳遞至篩網(wǎng)支撐架，以此達(dá)到篩分物料的作用。由于上體篩分部分的整體是由4個(gè)彈簧支撐起來的，所以振動(dòng)效果較好，功率消耗降低。進(jìn)料口的調(diào)節(jié)擋板可以通過調(diào)節(jié)其位置高度來控制物料的送入量，此外，為了滿足篩分的物料具有多樣性，上體的篩分結(jié)構(gòu)采用的是可更換篩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，可以針對(duì)不同的物料更換不同的篩網(wǎng)。本文設(shè)計(jì)的直線振動(dòng)篩選機(jī)，有3層出料口，這樣篩分的層次更多，可以滿足人們的多樣化需求，同時(shí)也大大地提高了工作效率。直線振動(dòng)篩選機(jī)在工作時(shí)肯定處于晃動(dòng)狀態(tài)，所以該機(jī)器的后輪采用可以鎖死的萬向輪進(jìn)行安裝設(shè)計(jì)，這樣可以穩(wěn)固工作時(shí)的機(jī)器。

圖5 直線振動(dòng)篩選機(jī)

2 振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選型計(jì)算

振動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 YZS振動(dòng)電動(dòng)機(jī)（YZS-3-4）主要參數(shù)表

篩面傾角：α設(shè)計(jì)為2°，振幅λ=3 mm。

ω可以根據(jù)式（1）計(jì)算：

式中：ω為振動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；T1為振動(dòng)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)周期；g為重力加速度，取9.8 N/kg；α為直線振動(dòng)篩選機(jī)篩網(wǎng)篩面傾斜角度；λ為直線振動(dòng)篩選機(jī)篩面物料振動(dòng)幅度；n為振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

代入以上所設(shè)的數(shù)據(jù)得出：ωT1=5.68 mm/s。

通過ωT1可以確定振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的級(jí)數(shù)，篩分機(jī)器一般選用6級(jí)振動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

2.1 最大激振力的計(jì)算

式中，Σm+Σm0為參與振動(dòng)的物體質(zhì)量總和，其構(gòu)成如下：

式中：ms為篩體的質(zhì)量；mω為篩面上物料的質(zhì)量；kω為物料結(jié)合系數(shù)。

按照本文所設(shè)計(jì)的直線振動(dòng)篩選機(jī)所要篩選物料的種類及篩分結(jié)構(gòu)的工藝性選擇，通過式（1）電動(dòng)機(jī)級(jí)數(shù)的確定，并結(jié)合式（2）可以算出該直線振動(dòng)篩選機(jī)所需要的振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的最大激振力為：Σm0ω2R=3 N。

2.2 振動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率的計(jì)算

計(jì)算振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率，需要先確定偏重慣性力P0，求出偏重轉(zhuǎn)一圈所要消耗的功率A，得到這兩個(gè)主要參數(shù)才能夠求出該直線振動(dòng)篩選機(jī)振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率。

偏重慣性力計(jì)算公式為

功率A計(jì)算公式為

振動(dòng)電動(dòng)機(jī)所需功率計(jì)算公式為

式中：n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；k為考慮其他功耗的儲(chǔ)備系數(shù)，常取1.2～1.5，這里我們?nèi)?.3。

代入數(shù)據(jù)得出N=0.15 kW。根據(jù)初步的總體尺寸估算，所以該振動(dòng)電動(dòng)機(jī)選擇三相異步電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為YZS-3-4，功率為0.18 kW。

3 主要零部件設(shè)計(jì)說明

3.1 支架材料的確定

支架的底部型鋼的尺寸根據(jù)先前篩網(wǎng)擬定的總體尺寸來確定。所選用的方形空心型鋼擬定尺寸為50 mm×30 mm，厚為2 mm,則型鋼截面面積為1.56×10-4m2，該型鋼一角所受單個(gè)支撐柱載荷力取擬定最大值450 N（方鋼低的一側(cè)受最大力）,由于前后兩對(duì)支撐柱施加的壓力不同，所以只需要取壓力最大的一端進(jìn)行分析計(jì)算。

可按照公式計(jì)算如下：

根據(jù)強(qiáng)度條件，該方鋼的允許最大軸力為

FNmax取0.46 kN，則計(jì)算可得出空心型鋼梁所允許的最小截面面積為

可知所選的50 mm×30 mm、厚2 mm、型鋼截面面積為1.56×10-4m2的AISI 1020冷軋方形空心型鋼符合應(yīng)用要求。

3.2 支架有限元分析

根據(jù)支架在直線振動(dòng)篩選機(jī)中的受力方式分析，主要是支撐柱大圓柱端面處受到較大的正應(yīng)力，經(jīng)過數(shù)據(jù)計(jì)算和軟件本身的測量，彈簧及其以上部分的總質(zhì)量為182.283 kg，假設(shè)在靜載荷下支架所受到的正應(yīng)力等于上部分的重力，所以支架所受總載荷為1786.373 N，假設(shè)支撐柱高度一致，每個(gè)支撐柱所受正應(yīng)力為446.593 N，因?yàn)楹Y網(wǎng)有一定的傾斜角度，所以前后支撐柱受力并不相同，所以經(jīng)過計(jì)算設(shè)定，支架后端受力為430 N，前端受力為460 N。對(duì)支架進(jìn)行有限元分析。

3.3 支架有限元分析結(jié)果

1）支架應(yīng)力分析。

從圖6中可以看出，支架主要應(yīng)力位于支撐柱的底部處，最小值為1.556×101N/m2，最大值為1.661×107N/m2，在材料可承受范圍之內(nèi)。

圖6 支架應(yīng)力云圖

2）支架位移分析。

對(duì)大梁施加載荷后通過有限元分析軟件得到其位移分布情況，位移最小值為1.000×10-30mm，最大值為8.797×10-3mm。支架靜態(tài)位移具體分布情況如圖7所示。

圖7 支架位移云圖

4 產(chǎn)品推廣應(yīng)用效果

該直線振動(dòng)篩選機(jī)試制完成后對(duì)其工作性能進(jìn)行了測試，測試數(shù)據(jù)如下：振動(dòng)頻率為960 次/min，振幅為3～7 mm，篩面層數(shù)為2層，篩面傾角為2°，噪聲為55～60 dB，可篩選出尺寸為8～20 mm的物料，生產(chǎn)能力為50 t/h。出廠后得到用戶好評(píng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）振動(dòng)幅度小、工作穩(wěn)定性高、噪聲低于其他同類設(shè)備；2）因其彈簧和篩網(wǎng)都是可更換的零件，便捷地實(shí)現(xiàn)了物料篩分的多樣化；3）篩網(wǎng)傾斜角度合理，質(zhì)心坐標(biāo)位置恰當(dāng)，物料流出順暢。

5 結(jié)論

本文所述直線振動(dòng)篩選機(jī)主要零部件均為SolidWorks建模設(shè)計(jì)，其具體尺寸均按照篩網(wǎng)的尺寸設(shè)計(jì)調(diào)整。零件建模完成后對(duì)主要零部件進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)零件進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過對(duì)支架支撐柱及圓柱螺旋壓縮彈簧進(jìn)行有限元分析，得出以上主要零部件的應(yīng)力、位移及應(yīng)變分布情況和具體參數(shù)，其應(yīng)力最大值低于零件材料屈服強(qiáng)度，其余參數(shù)也均在材料可承受范圍之內(nèi)。各個(gè)零部件安全可靠，可以滿足使用要求。由于篩網(wǎng)有一定的傾斜角度，這是該直線振動(dòng)篩選機(jī)唯一不穩(wěn)定的因素，但是這個(gè)傾斜角度很小，完全可以忽略不計(jì)，此外，通過對(duì)該裝配體的質(zhì)心坐標(biāo)的測量，發(fā)現(xiàn)該機(jī)器沒有傾角和有傾角的質(zhì)心坐標(biāo)位置差距很小，在可接受的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)方案可行。

本文的難點(diǎn)主要在于兩個(gè)零部件的選擇：一是振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選型；二是彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算。振動(dòng)電動(dòng)機(jī)要通過功率來選擇，而彈簧則需要設(shè)定初始值，來計(jì)算出主要參數(shù)，從而確定彈簧的大小及型號(hào)、材料。因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的振動(dòng)篩中間只靠彈簧連接，所以這就意味著篩分部分的質(zhì)量要適中。如果輕了就會(huì)導(dǎo)致該振動(dòng)篩重心不穩(wěn)，在整機(jī)振動(dòng)的過程中，物料容易出現(xiàn)大幅度地跳動(dòng)等情況。如果太重則會(huì)導(dǎo)致機(jī)器不方便拆卸和運(yùn)輸，在持續(xù)的運(yùn)行中，隨著時(shí)間的推移，在激振力的作用下內(nèi)部零件會(huì)逐漸軟化磨損，失去一定的強(qiáng)度，這時(shí)就需要更換零件。此外，當(dāng)篩分的物料有變化或者篩分的形狀有要求時(shí)，需要換上對(duì)應(yīng)的篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這時(shí)如果篩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)不夠輕便則會(huì)導(dǎo)致工作效率降低。希望在今后的研究工作中能夠?qū)σ陨蠁栴}做進(jìn)一步的探索、實(shí)踐和提高。