彈性連桿式振動輸送機結構形式的研究設計

吳 劍

（江陰智銘鑄造裝備應用技術設計室，江蘇江陰 214432）

彈性連桿式振動輸送機，是一種近共振類的振動機，是利用偏心軸（亦稱曲柄）的回轉，通過彈性驅動連桿和主振彈簧來帶動振動槽體實現水平線性振動的，從而實現物料輸送的一種線性振動輸送機（以下簡稱連桿振動輸送機）。該連桿振動輸送機適用于鑄造車間落砂工部的熱舊砂輸送，清理工部的小件批量工件的輸送，亦可用于庫存顆粒散狀物料輸送。其亦可輸送各種物理性質的物料，對物料的粒度、溫度、形狀沒有太大的要求，可滿足對物料的干燥、冷卻或加溫等工藝要求，但不宜輸送有粘性的、濕度較大的物料。因此，該連桿式振動輸送機具有適應范圍大、容易配套、長距離輸送等特點。

1 連桿振動輸送機的主要結構形式與參數

1.1 主要結構形式

雙質體振動結構的連桿振動輸送機，亦稱不平衡式振動輸送機。一般由振動槽體（上質體）、平衡機架（下質體）、隔振彈簧、主振彈簧、支撐彈簧、支撐擺桿、驅動連桿、偏心軸、電動機和傳動皮帶輪組成。

不采用隔振彈簧時，平衡機架直接安裝在地面上，連桿振動輸送機為單質體振動形式。這種形式的振動輸送機一般應用于規格較小、載重較輕和頻率較低的情況下。對于長距離輸送的連桿振動輸送機，在無特殊要求時，常采用水平或小升角安裝形式。

圖1 連桿振動輸送機圖

1.2 主要技術參數（見表1）

表1 連桿振動輸送機的主要技術參數

連桿式振動輸送機一般采用低頻率、大振幅，或中等大小的頻率與振幅。

1.3 其它技術參數（見表2）

表2 連桿振動輸送機的其它技術參數

2 連桿振動輸送機的工作原理及技術特征

2.1 工作原理

連桿振動輸送機的驅動系統由電動機通過皮帶輪、三角帶傳動，帶動偏心軸轉動，利用驅動彈性連桿和主振彈簧來激振槽體沿一定激振方向作線性往復運動，從而帶動物料或工件作定向拋擲、滑移運動，實現輸送的目的。因為振動幅度（偏心軸的偏心距）是定值，支撐彈簧、支撐擺桿分別將振動槽體與平衡機架鉸支連接，使振動狀態的穩定性較好，所需驅動激振力、功率相對較低。在振動過程中激振力傳遞穩定，能實現長距離的輸送。

在無隔振彈簧條件下，振動機為單質體振動結構，由于工作時振動槽體產生的慣性力較大，不能獲得振動平衡，給土建基礎的動載荷影響很大，同時產生各種不穩定因素，也容易使機構元件損傷，也是產生振動噪音的主要原因之一。為了獲得良好的振動輸送效果，常采用隔振彈簧來隔振（隔振元件有橡膠彈簧、空氣彈簧和鋼質彈簧），而形成雙質體振動形式，形成雙質體后的平衡機架其質量是平衡振動慣性力的關鍵。

2.2 雙質體振動機理

雙質體振動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振動輸送機。振動狀態與單質體有明顯的區別。

連桿式振動輸送機的振動槽體和平衡機架通過支撐彈簧、支撐擺桿鉸支連接。電動機、驅動連桿機構安裝在平衡機架上，平衡機架通過隔振彈簧與地面隔離，形成雙質體結構。其系統利用隔振彈簧的作用，有效地隔離了激振力和振動慣性力對基礎的影響，因此振動載荷對基礎的影響很小。支撐彈簧的作用，是使振動系統處在近共振狀態下工作；支撐擺桿的作用，是限制振動槽體的運動方向。

這種類型的振動輸送機具有載荷能力大、空載噪音小、振幅穩定（振幅受載荷變化較小）、工作平穩的特點，而且動載荷對基礎的影響很小。主振彈簧采用拉壓橄欖式螺旋彈簧（或橡膠彈簧）形式，具有良好的激振、吸振和抗扭曲功能，使雙質體振動輸送機能很好地在近共振區工作。

連桿式振動輸送機工作時兩質體運動方向相反，慣性力方向也相反。當兩質體質量相當的理論狀態下，二慣性力可以達到平衡，而在實際應用中，兩質體的質量始終是變化不斷的，很難實現完全相等。在物料輸送中，上質體質量的不斷交變，不能實現上下質體質量的絕對平衡，仍然有部分不平衡慣性力傳遞到基礎，影響基礎的承載能力，所以隔振元件的選擇很重要。實際試驗表明，平衡機架（下質體）的整體質量應大于振動槽體（上質體）和輸送物料質量的總和。

2.3 性能技術特征

（1）激振角的選擇

該連桿振動輸送機的激振方向角是反映輸送機生產能力的主要參數之一，也是反映輸送機輸送能力的重要指標。隨著激振角的變化，相應振幅、輸送能力隨著變化，如果激振角選擇不合理將直接影響輸送效果。

激振角（方向角）α，選用取值：9°、12°、15°、20°，設計采用 α=15°。

（2）支撐擺桿與支撐彈簧夾角選擇

圖2 驅動連桿激振角

圖3 支撐擺桿與支撐彈簧夾角

在實際性能試驗中，支撐擺桿和支撐彈簧的支承點是采用軸套式鉸支點連接，振動狀態時由于受到徑向和軸向力的影響，容易形成死點造成支承點損壞。其支撐彈簧與平衡機架的夾角（β）選擇，對振動狀態有一定影響，夾角選擇不適宜，直接影響振動效果。而支撐擺桿與支撐彈簧的夾角保持90°為宜，應用中的常用取值β=30°、35°、45°。對細小顆粒松散物料（干），常取β=30°；對小塊狀物料，常取β=35°（設計取值）；對小件批量工件，振動強度較大時，可取β=45°。

（3）上、下質體的質量關系

連桿式振動輸送機在隔振彈簧作用下，上、下質體形成雙質體振動形式。其平衡機架（下質體）的質量是平衡振動慣性力的關鍵，設計時常采用增加下質體質量來平衡，一般取上質體質量的3～5倍，小規格的振動輸送機可取值2倍。所以，具體設計時應考慮“不平衡”式的振動狀態，對上、下質體進行驗算，使工作狀態時的振動平衡效果更好一點。

3 與慣性振動輸送機技術比較

慣性振動輸送機和連桿式振動輸送機，在鑄造生產線各工部環節上都有廣泛應用。其結構形式、規格多樣，安裝布置亦靈活便捷，特別適用于熱舊砂、小件批量工件和顆粒松散物料的輸送，以及長短距離過渡和振動給料輸送等。

慣性式振動輸送機為單質體振動結構，是一種慣性式振動機，可以兼篩分、給料為一體，主要由振動槽體、振動電機、隔振彈簧三大構件組成。其結構簡單、安裝方便、布置靈活、承載能力大。但其具有輸送距離有限、動載荷較大、振動噪音大等缺點，空載荷時的測量結果值85 dB（A）。

連桿式振動輸送機為雙質體振動結構，是一種往復式振動機，相對結構復雜。但具有安裝方便，具有輸送距離長、振動狀態相對穩定、振動幅度均衡、動載荷較小、振動噪音低等優點，空載荷時的測量結果值75 dB（A）。從制造成本上考慮，長距離的連桿式振動輸送機其性價比更好一點。連桿式振動輸送機為單質體振動結構時，同樣動載荷較大，應考慮土建基礎的設計。

根據有關美國、日本的技術資料反映的情況顯示：目前，國外也在不斷推出不同形式的雙質體振動輸送機，應用于落砂工部的熱舊砂輸送、滾筒落砂清理機的振動給料、多品種庫料輸送等等，以滿足不斷發展的大型鑄造工藝要求。

4 應用彈性元件及減少不利振動的措施

4.1 應用的彈性元件

在振動機械中，應用的彈性元件按用途可分為三類：

（1）隔振彈簧

其作用是對振動載體實現彈性支承，使載體產生彈性振動，并使振動傳給地基鋼結構件上的動載荷減到最小。

（2）主振彈簧

其作用是使振動機在設定的工作狀態下運動，并按一定的頻率，激振方向角主振。

（3）其他用途彈簧

連桿彈簧、阻尼彈簧、減振彈簧等。在振動狀態下，起到支承和傳遞激振力的作用。

彈性元件的結構形式主要有：圓柱螺旋壓縮彈簧、拉壓橄欖式螺旋彈簧、橡膠彈簧和空氣彈簧等。

4.2 減少不利振動的措施

在振動機理上,當外部激振力的振動頻率和系統的固有頻率接近時,系統將產生強烈的不利振動，這種現象（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，所以系統產生的不利振動是必須關注的重要因素。這種現象是不可避免的，但可以利用它的共性和特征盡快縮短不利振動時間，實現穩態振動，達到正常的振動工作狀態。可以采取的技術措施：

（1）隔振

采用隔振技術的目的即切斷振動波的傳遞路徑，控制不利振動的傳播方向，是消除振動危害的重要手段之一。

（2）減振

采用減振裝置的目的就是使振動載體有效地工作在正常的振動狀態下，以完成需要的振動目的，而對周圍的環境不受影響和干擾。

（3）阻尼

阻尼是控制振動狀態的重要措施之一。阻尼在振動系統中具有特性關系，阻尼能使瞬態振動迅速衰減，特別是對不利振動和降低受迫振動中的共振區振動。因此，利用阻尼可以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等。

5 結語

根據設計與應用情況的研究分析，振動槽體的結構設計很重要。振動輸送槽體一般采用敞開式，截面形式有矩形、梯形或其它形式。為減少振動系統慣性力，應盡可能減輕槽體的質量，并考慮結構強度采用加強筋板加強，材料選用焊接性能好的鋼材（如16Mn），避免振動狀態下的振動疲勞和焊接斷裂。

設計槽體時，僅考慮許用強度是不夠的，更重要的應考慮槽體在受到周期性作用的振動力時，槽體應有足夠的剛度。當激振頻率接近或等于某一自振頻率時，會出現槽體本身的共振、近共振現象，使槽體自身產生較大振幅，而加速槽體的損壞（寬槽體會更明顯一點）。因此，在考慮槽體本身強度與剛度時，必須考慮槽體本身質量輕、慣性矩大、支承距離短的因素。支承距離的大小（節點分布），必須考慮輸送槽體具有足夠的動力剛度，尤其是長距離輸送的連桿式振動輸送機。

[1]機械設計手冊編委會.機械設計手冊（第2、3卷）[M].北京:機械工業出版社,2004.8.

[2]吳劍.鑄造振動機械設計與應用[M].北京:化學工業出版社,2008.4.

[3]吳劍.鑄造砂處理技術裝備與應用[M].北京:化學工業出版社,2014.4.

[4]吳劍.雙質體與單質體振動落砂機的工作機理及特性研究[J].鑄造設備與工藝 ,2012（5）:4-5.

[5]吳劍.慣性振動機械在鑄造生產上的應用 [J].中國鑄造裝備與技術, 2009 （2）: 37-41 .