動態(tài)設(shè)計(jì)在慣性振動給料機(jī)中的分析應(yīng)用

張軍光 張強(qiáng)

摘 要：文章針對性的對給料機(jī)中的慣性給料機(jī)進(jìn)行了介紹，以動態(tài)設(shè)計(jì)作為中心內(nèi)容，闡釋了其一般步驟以及相關(guān)內(nèi)容，并通過對ZG單電機(jī)振動給料機(jī)以分析，文章中的動力學(xué)分析主要使用了Matlab。

關(guān)鍵詞：動態(tài)設(shè)計(jì)；慣性振動給料機(jī)；Matlab

慣性振動式給料機(jī)是目前應(yīng)用較為廣泛的給料機(jī)，其工作原理是利用振動電機(jī)負(fù)載振子，產(chǎn)生的振動作用，完成給料動作。該設(shè)備目前在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，通過振動機(jī)械的振動作用，被運(yùn)輸物料便會沿著槽體向指定的方向滑行或者作拋擲運(yùn)動，以此完成物料的運(yùn)輸。

這種振動式的給料機(jī)同其他給料機(jī)具有共同的發(fā)展方向，即設(shè)備的體型越來越大，集成性越來越強(qiáng)，自動化越來越高，智能化程度越來越高。但是越先進(jìn)的設(shè)備在運(yùn)行過程中設(shè)計(jì)動力學(xué)問題便會越來越多，在動力學(xué)特性上提出更高的要求。

所以，在設(shè)備的設(shè)計(jì)中，以動態(tài)設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，動態(tài)設(shè)計(jì)方法為手段的系統(tǒng)，全面的設(shè)計(jì)對設(shè)備系統(tǒng)以及零部件是不可或缺的工作，動態(tài)設(shè)計(jì)作為一種保障措施和手段，是機(jī)械運(yùn)行以及系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的保障基礎(chǔ)。該種慣性振動式的給料機(jī)動態(tài)設(shè)計(jì)的根本目的就在于，機(jī)械設(shè)備在投入實(shí)際的生產(chǎn)后，其工作狀態(tài)能夠達(dá)到較為理想的狀態(tài)，這不僅僅要求設(shè)備在使用時能夠從工藝指標(biāo)上達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，同時還要求該設(shè)備在投入使用后生產(chǎn)性能可靠安全，并且使用年限能夠更長久。

1 動態(tài)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容

振動給料機(jī)主要利用機(jī)械振動，而機(jī)械振動賦予設(shè)備動態(tài)設(shè)計(jì)兩種內(nèi)容：

首先，在慣性振動式的給料機(jī)設(shè)計(jì)初期，需要將初步設(shè)計(jì)的整體過程予以考慮，依據(jù)總結(jié)出來的理論成果以及工作經(jīng)驗(yàn)，對動力學(xué)參數(shù)以及運(yùn)動學(xué)參數(shù)進(jìn)行選擇、計(jì)算，對設(shè)備中應(yīng)用的零部件的形式以及尺寸和形狀予以確定，在工藝上獲得更好的指標(biāo)，例如電機(jī)選擇，料斗寬度，料斗長度，送料速度，輸送量確定，結(jié)構(gòu)模式等。

其次，在進(jìn)行初步設(shè)計(jì)之后，需要進(jìn)一步對設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，對設(shè)備的動態(tài)特性予以研究分析，并對設(shè)備進(jìn)行分析、試驗(yàn)，最大程度的對動態(tài)特性予以分析，了解設(shè)備的動態(tài)特性，從而對設(shè)備的圖樣予以審核，對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能薄弱或者振動傳遞不好的部位進(jìn)行更改，如果整體振動效果不好，對圖樣全面修改和重新設(shè)計(jì)。

2 慣性振動給料機(jī)的主要特點(diǎn)分析

相對于我國目前所用的幾種給料機(jī)，慣性振動式的給料機(jī)具有以下的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。輸送量大，輸送效率高，對物料適應(yīng)性強(qiáng)。能耗低，維修量小，運(yùn)行費(fèi)用低。采用變頻調(diào)速，給料量調(diào)節(jié)方便，更容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動控制。選用防爆激振器可用于有防爆要求的場合。慣性振動給料機(jī)配套反接制動控制箱，可使給料機(jī)在短時間內(nèi)迅速停機(jī)，同時還具有過流、過壓、斷相保護(hù)作用，并可應(yīng)客戶要求，增加能耗制動、快慢加料、遠(yuǎn)程控制及無級調(diào)速等功能。

3 慣性振動式給料機(jī)

在動態(tài)設(shè)計(jì)上的方法以及步驟包括以下幾個方面內(nèi)容：計(jì)算運(yùn)動學(xué)參數(shù)、動力學(xué)相關(guān)內(nèi)容的建模以及計(jì)算動力參數(shù)、分析系統(tǒng)規(guī)定動態(tài)性，并通過實(shí)驗(yàn)對設(shè)備的參數(shù)、模態(tài)以及需要進(jìn)行修改的地方進(jìn)行識別，同時需要對設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行予以動力修改。對上述動態(tài)設(shè)計(jì)，使用最多的方式是實(shí)驗(yàn)法、數(shù)值法以及解析法。幾種方式的結(jié)合方法能夠?qū)?shí)際同理論聯(lián)系起來的方式。

（1）計(jì)算運(yùn)動學(xué)參數(shù)：振幅、振動方向角以及頻率、工作面傾角以及運(yùn)動軌跡是運(yùn)動學(xué)參數(shù)計(jì)算的主要對象，上述參數(shù)需要在物料處于最佳狀態(tài)或者次佳狀態(tài)下獲得的，最佳運(yùn)動學(xué)參數(shù)或者次佳運(yùn)動學(xué)參數(shù)。

（2）建模：慣性振動式給料機(jī)具有其特有的性能，根據(jù)這一特點(diǎn)，對其進(jìn)行動力學(xué)建模。首先將系統(tǒng)進(jìn)行有限元的劃分，選取相應(yīng)的坐標(biāo)系。計(jì)算在總坐標(biāo)系中單元的慣性矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣和結(jié)點(diǎn)力矩陣。

（3）計(jì)算動力學(xué)參數(shù)以及分析動態(tài)特性：對于固有振型以及頻率的計(jì)算，可以將阻尼以及外作用力進(jìn)行事先的去除，可以列式：M■+KU=F式中M表示質(zhì)量矩陣；K表示剛度矩陣，而U則表示位移向量；上述方程有下列形式的解：U=Ψsinφ，其中Ψ表示位移向量（同時間無關(guān)）。將U帶入上面的公式可以得到：（K-ω2M）Ψ=0

通過上述方程可以將系統(tǒng)中固有的振型以及頻率進(jìn)行計(jì)算。有幾個自由度系統(tǒng)便會產(chǎn)生幾個固有頻率，而固有的頻率都會對應(yīng)有一定的振型。另外，動力學(xué)方程還能夠進(jìn)行坐標(biāo)變換，通過變換在正規(guī)坐標(biāo)或者主坐標(biāo)上放置方程，繼而將系統(tǒng)動力響應(yīng)予以求出。

（4）系統(tǒng)物理參數(shù)的識別以及實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)：

通過實(shí)驗(yàn)可以測得急切的動態(tài)特性。振動測量時，應(yīng)同時測量輸入和輸出。測得輸入和輸出，便可算出頻率響應(yīng)函數(shù)，由此可按照所測得的激勵和響應(yīng)將系統(tǒng)的動態(tài)性能推算出來。識別模態(tài)參數(shù)可在頻域中予以識別也能夠在時域中予以識別。

4 實(shí)例分析

在慣性振動式給料機(jī)的應(yīng)用中，可以設(shè)備采用Malfab進(jìn)行動力學(xué)分析，并進(jìn)行仿真研究，通過以下步驟進(jìn)行討論。首先是力學(xué)模型的簡化，其次是分析設(shè)備的受力狀況，繼而建立微分方程，并求解微分方程，最后則是對結(jié)果的分析和仿真處理。

根據(jù)設(shè)備的實(shí)際結(jié)構(gòu)，將阻尼的影響予以忽略，建立起相應(yīng)的力學(xué)模型，模型的坐標(biāo)原點(diǎn)取給料機(jī)的質(zhì)心，水平方向做X軸垂直方向是Y軸。

偏心塊在旋轉(zhuǎn)時會出現(xiàn)周期激振力，正是由于這種現(xiàn)象，慣性振動式給料機(jī)在安裝過程中會產(chǎn)生沿著力心以及質(zhì)心連線的方向分解為F1，F(xiàn)1=F0cosωt，進(jìn)一步對力分解，便可以得到Fx以及Fy另一個分解力會沿著Z軸垂直于力心和質(zhì)心的連線Fz.Fz=F0sinωt，所以在x/y/z軸會分別在三個方向上產(chǎn)生振動。力心和質(zhì)心又不重合，那么Fz所產(chǎn)生的力矩會令設(shè)備發(fā)生轉(zhuǎn)動，這里僅僅考慮設(shè)備圍繞Y軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動，用角位移θ表示。依照牛頓運(yùn)動定律以及轉(zhuǎn)動方程，能夠建立起振動微分方程。由于給料機(jī)的工作環(huán)境是共振區(qū)，因此將阻尼忽略，那么可以求得機(jī)體三個方向上的振幅以及繞Y軸轉(zhuǎn)動時的幅值。

作為目前在技術(shù)指標(biāo)上最先進(jìn)的設(shè)備之一，慣性振動給料機(jī)在給料作業(yè)中已經(jīng)普遍的應(yīng)用在多行業(yè)領(lǐng)域，并且在現(xiàn)代的慣性振動式給料機(jī)的應(yīng)用中往往還會加入變頻調(diào)速的相關(guān)技術(shù)，當(dāng)前的礦山、冶金以及電力、煤炭和輕工、化工、建材等行業(yè)中，慣性振動式給料機(jī)已經(jīng)逐步的開始應(yīng)用，主要被用在對散狀物料的運(yùn)輸工作中，將散裝物料從儲料倉、漏斗中傳送到受料裝置中，連續(xù)、均勻的進(jìn)行運(yùn)送。例如將慣性振動式給料機(jī)應(yīng)用到電廠中，在上煤系統(tǒng)中通過該設(shè)備為皮帶機(jī)輸送散裝煤炭；而在洗煤廠的應(yīng)用中，則通過該設(shè)備進(jìn)行裝車，此外碼頭的卸船也應(yīng)用到了振動給料機(jī)。在動態(tài)作用下，通過結(jié)構(gòu)構(gòu)件動力狀態(tài)反應(yīng)為依據(jù)對設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，有時可采用動力系數(shù)方法簡化為靜態(tài)設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語

通過對慣性給料機(jī)的動態(tài)設(shè)計(jì)和動力學(xué)分析，繪出振動工作面上運(yùn)動曲線的軌跡，從中得出料槽中的物料在XZ平面內(nèi)的橢圓振動作用下，使物料產(chǎn)生一個松散物料的作用，從而提高了物料的運(yùn)動速度及振動給料機(jī)的給料效率。同時采用較大的傾斜角和振動方向角可獲得較大的振動給料效率，且很穩(wěn)定，節(jié)約能源。依據(jù)結(jié)論優(yōu)化給料機(jī)的設(shè)計(jì)，進(jìn)而對物料運(yùn)輸?shù)男视枰蕴嵘黾有袠I(yè)的效益，并為振動給料機(jī)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，具有很大的價(jià)值。

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