雙質體與單質體振動落砂機的工作機理及特性研究

吳 劍

（江陰智銘鑄造裝備應用技術設計室，江蘇 江陰 214400）

在鑄造生產中，鑄造裝備是提高鑄造生產能力的關鍵。振動落砂機是砂處理落砂工步的主機裝備之一，是落砂、破碎、清理、舊砂再生回用的重要環節。是處在一個噪音大、粉塵大、熱氣散發量大、環境惡劣的工作場地。其打箱落砂能力直接影響到下道工序的砂處理生產進度。亦影響到鑄件清理的出品能力。

在現有鑄造生產中，落砂工步一般常采用的振動落砂機是單質體振動落砂機，如慣性式振動落砂機，沖擊式落砂機等。這種落砂機空載時的噪音就超過85 d B（超標），負載時沖擊噪音更大，不能符合工作場所的環保要求。

雙質體振動落砂機是一種環保型的振動落砂機，其振動機理是充分利用了振動激振的慣性力和彈性力的合成，形成有效的振動沖擊對鑄件落砂破碎的。空載時的振動噪音低于80d B，負載時振動幅度相對穩定，沖擊噪音低。是一種比較理想的落砂設備，可實現改善工作環境的目標，有利于推廣應用。

目前，國外也在推出不同形式的雙質體振動落砂機，以滿足不斷發展的大型鑄件落砂清理的要求。

1 振動落砂機工作狀態

振動落砂機是一種直接利用兩個振動電機形成的激振合力，使落砂機臺面（柵格板）作拋擲運動來撞擊砂箱落砂的。反作用力通過減振彈簧傳遞給基礎吸收。其工作狀態不夠穩定，相對振動幅度較大，振幅亦受到載荷的變化而變化，在過共振區時會有超振幅出現。嚴重影響振動質體和減振彈簧的使用壽命，產生的振動噪音也很大，直接影響環境。機體的耐振強度較低，容易開裂，操作的安全性也較差。

單質體振動落砂機就是這種工作狀態下工作的振動落砂機。

雙質體振動落砂機的力學模型是建立在動力隔振基礎上的振動原理。是在近共振狀態下工作的落砂機。振動狀態有明顯的區別。

2 雙質體振動落砂機振動系統的描述

雙質體振動落砂機主要由振動質體（含落砂柵格板）、隔振質體、激振彈簧、減振彈簧、機座和振動電機組成。

振動質體和隔振質體通過激振彈簧（亦稱共振簧）連接，振動電機安裝在隔振質體上，隔振質體通過減振彈簧安裝在機座上如圖1所示。

系統的振動源是利用2臺獨立的振動電機相向旋轉自同步激振的。

系統利用減振彈簧的作用，有效地隔離了激振力和振動慣性力對基礎的影響。所以說振動載荷對基礎的影響很小（動力隔振原理）。

由于雙質體振動落砂機采用了振動電機為激振源，其本身就是一種優化了的結構設計，焊接構件又作了工藝性熱處理，其耐振能力大大提高。所以其使用壽命獲得改善提高。

這種類型的振動落砂機具有載荷能力大、空載噪音小、振幅相對穩定（振幅受載荷變化較小）、振動落砂工作平穩的特點。而且動載荷對基礎的影響很小，振動質體從焊接結構上說都具有較強的抗振剛度和耐振強度（結構抗振能力的重要指標是動剛度）。激振彈簧采用拉壓橄欖式螺旋彈簧形式，具有良好的激振、吸振和抗扭曲功能。使雙質體振動落砂機能很好地在近共振區工作（不超過共振點的區域），實現振動落砂。

圖1 雙質體振動落砂機

這種在近共振狀態下工作的落砂機就是利用彈性力和慣性力基本接近平衡的機理，又利用外部激振力平衡阻尼力作用，實現振幅共振放大的原理工作。而系統所需激振力和功率消耗相對較小。達到優化振動落砂的目的。

雙質體振動落砂機是一種慣性式共振落砂機，其工作狀態在近共振區域工作。這些狀態對振動體結構造成直接影響的是系統形成的共振現象。這種共振現象易引起設備或機構零部件的損壞。也是產生振動噪音的主要原因之一。所以系統共振是振動設備應用中必須關注的主要因素。這種共振現象又是不可避免的，但可以利用它的共性和特性，縮短過共振時間，盡快實現穩態振動，達到理想的振動工作狀態。

現已設計的雙質體振動落砂機產品規格可滿足工作載荷 20t、25 t、30t、35 t、40t、45 t、50t、55 t、60t.等規格。臺面尺寸有 3000×2500（mm）、3500×3000（mm）、4000×3500（mm）、4500×4000（mm）、5000×4500（mm）、5500×5000（mm）、6000×5000（mm）等。也可采用并聯的方法實現長臺面的要求。

3 單質體振動落砂機振動系統的描述

單質體振動落砂機是一種直接利用兩個振動電機形成的激振合力，使落砂機臺面（柵格板）作拋擲運動來撞擊砂箱落砂的振動落砂機。工作機理前面已經論述過。

單質體振動落砂機需要較大的振動激振力，動載荷系數較大，對土建基礎有一定的載荷要求。所以一般單質體振動落砂機可適用于小噸位鑄件的落砂。由于直接利用振動激振力，使落砂效果較好。但是，載荷較大時，落砂效果會降低。噪音亦明顯加大。一般單質體振動落砂機不允許空載啟動，是為了避免共振時的超振幅。但負載啟動時往往會產生振動不響應、或落砂效果差的現象。

單質體振動落砂機主要由振動質體、落砂柵格板、減振彈簧、機座和振動電機組成。振動電機直接安裝在振動質體上，再通過減振彈簧同機座連接如圖2所示。

圖2 單質體振動落砂機

現已設計的單質體振動落砂機產品可滿足工作載荷 2t、5 t、10t、15 t、20t.等規格。臺面尺寸有1000×1200（mm）、1200×1500（mm）、1500×1800（mm）、1800×2000（mm）、2000×2200（mm）、2200×2500（mm）、 2500×3000（mm）等。也可采用并聯的方法實現長臺面的要求。

4 系統的衰減振動控制

當振動系統停止了外力作用（振動激振力），系統仍然會按其固有頻率繼續作自由衰減振動；這個過程出現瞬態振動，而穩態振動逐步消失；系統被干擾力（阻尼力）影響進入共振區段，直到振動衰減停止。

阻尼在振動系統中與振動有一個特性關系，阻尼能使瞬態振動迅速衰減，特別對降低受迫振動中的共振區振動。阻尼也是控制振動狀態的重要措施。因此，可以利用阻尼減少振動系統在啟動或停止過程中過共振區的時間，限制系統的最大振幅值。

阻尼的形式一般可以采用橡膠契塊、橡膠質彈簧、空氣彈簧、機械阻尼器及彈性阻尼等。

5 結束語

通過上述分析，由于雙質體振動落砂機的工作特性是在近共振區工作的，和單質體振動落砂機的工作特性不同。在設計時特別注意對技術參數的合理選擇，對防松措施的合理應用。使得雙質體振動落砂機在鑄造生產中獲得廣泛應用和發展。

目前設計應用的雙質體振動落砂機在結構上要簡單的多。采用振動電機激振后，降低了制造成本、簡化了加工工藝、方便了維護保養、提高了使用壽命。所以推廣應用雙質體振動落砂機有利于鑄造車間落砂工步的技術改造，有利于降噪節能、改善環境等。

［1］機械設計手冊編委會.機械設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［2］吳劍.鑄造振動機械設計與應用［M］.北京：化學工業出版社,2008.

［3］吳劍.慣性式振動機械在鑄造生產中的應用［J］.中國鑄造裝備與技術，2009（2）：37-41.

［4］吳劍.利用微分方程解析雙質體落砂機在近共振區的振動機理［J］.鑄造設備與工藝，2012（3）：7-9.