高效振动清理筛振动系统的设计与研究

发布时间：2016-10-23 08:16

1 绪论 

1.1  课题研背景、目的和意义
我国粮食的收获机械化程度不断提高，随之产生的粮食中的杂质（特别是秸秆段）增加严重，粮食收获后没有有效配套的清理技术及设备，造成商品粮的含杂率大幅度上升，杂质中充填有大量的秸秆和糠皮，在储存过程中极容易发热，发生虫害、霉变、污染，直接造成粮食损失甚至达到 6%左右，对下游的粮食加工带来了很大的影响，严重影响了加工产品的质量，增加了加工企业的成本。 我国粮食种植采用的是一家一户或一定规模的土地承包种植模式，虽然在收获粮食时大部分都采用了机械化收割，但是粮食的收获及产后处理也是采用传统的一家一户形式，基本无连续的产后清理，只是通过机械收获后，将粮食搬运至家中各自晾晒后直接出售或自己保存，在晾晒过程中可能会采用人工方式进行简单粗糙的杂质清理，且劳动强度大，无规范、无要求、无标准，随意性大，甚至没有进行基本清理的原粮直接出售，以致粮食中出现大量杂质，特别是大杂（秸秆等）直接进入到粮库和粮食加工企业，而机械收获时产生的秸秆段数量多，不仅严重影响粮食的存储，而且很容易产生粮食发热变质，其现象相当普遍，造成粮食损失，甚至对加工出来产品的质量造成一定的影响，同时粮库及部分加工企业收购时进行的简单出清理产生的杂质，又存在运输的问题，造成无谓的运进运出循环浪费。 受粮食种植模式的制约，我国在粮食收获后田间地头的及时清理技术的研究处于空白，既无粮食产后清理技术的研究也无专用的粮食产后的清理装备。由于收获后的原粮中存在较多杂质（特别是秸秆段），粮食加工过程中需要采用中复杂的清理技术和设备进行清理，清理成本加大的同时又得考虑大量清理出的杂质的处理问题。所以，无粮食产后清理技术及装备、不仅会使粮食中的杂质含量增高，也造成杂质循环重复运输的浪费，更使粮食储存发热霉变可能性增大。 
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1.2  国内外目前研究发展现状
自上世纪 70 年代以来，人们开始使用有限元分析法对多种振动机械作了动态特性和静强度的计算分析，积累了较多的经验。其中马富强等人利用有限元程序对大型振动筛进行了振动计算和结构的优化设计，通过对筛箱结构进行大修改，并结合有限元分析软件，研究发现仅通过将装于侧板上的护板做成整体这一局部的变化，即可将第二阶固有频率(16.11Hz)提高到（20Hz）左右。此时对筛箱结构的动应力集中问题得到了很好的改善，并对结构进行了优化。河南洛阳矿山机械研究所的高级工程师刘恋华对于对具有自同步激振器的振动筛的运动作了分析；用有限元结构分析程序计算分析了大型振动筛的筛框强度。研究得到对于直线振动筛，振动方向角受弹簧的垂直、水平方向刚度的影响，设计时应该考虑；对于处于振动状态下的机体，一定要加强整体的刚性，使筛框(不包括弹簧)的一阶固有频率偏离筛分机的工作频率，以免产生共振现象。王志伟、孟玲琴通过对直线振动筛的结构进行振动模态分析，得到了筛分机系统的各阶固有频率和振型图；即通过对系统频率和振型的研究，可更准确的预测筛箱上容易发生破坏的薄弱环节，进而为结构设计提供了依据，有利于提高振动筛分机的使用寿命与可靠性。 2008 年宫美英在大型振动筛系统与结构的动力学研究中介绍了建立振动系统微分方程的基本方法，结合拉格朗日法的原理与方法建立了大型直线振动筛振动系统的数学模型，并结合有限元仿真软件对振动筛进行了运动学和系统动力学分析，给出了该机械系统的固有频率以及运动轨迹方程的表达式。 
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2 振动清理筛的动力学分析 

本章将以 TQLZ100×200 振动清理筛为研究对象，基于拉格朗日能量原理，结合振动清理筛正常工作下的激励、约束条件为边界条件，建立 TQLZ100?200 的高效振动清理筛的力学模型与运动微分方程，并对微分方程进行数值求解，以探究系统支撑弹簧材料以及橡胶弹簧理论模型的选取。为后续对振动清理筛的分析提供基础。

2.1  振动清理筛的结构组成
振动清理筛的筛体是由钢板焊接及螺栓连接组成的，筛体与支撑机架之间的连接是通过中空的橡胶弹簧支架来实现的。抽屉式的两层筛格通过导轨支撑、冲孔薄钢板筛面内置于木质筛格上，筛面上通过设有橡皮球实现筛面的清理。筛体倾角的可调范围为??21~0 。由压紧机构将筛格锁紧固定，在更换筛面时需松开压紧机构，然后将筛格抽出。TQLZ100×200  型振动清理筛采用两个完全相同的振动电机来提供驱力，振动电机是由四只螺栓固定于安装圆盘上，他们分别对称地固定安装在筛体两侧的电机底座上，并且两个振动电机的轴心连线通过筛体的质心。振动角的调节是通过松开固定电机底座的螺栓，然后电机可以连同底座一起绕其中心轴旋转，从而改变电机的安装角度来实现的。一般振动角在 45~0?? 范围内可调。两个可以旋转的偏重分别安装在振动电机转轴的两端，通过振动电机带动偏重旋转，产生离心力，进而驱动振动筛体工作。  
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2.2  振动筛的工作原理  
TQLZ100×200  型振动清理筛最突出的特点是，运用连接在支撑架之上的四组橡胶弹簧来支撑筛体，其驱动力则是通过采用两个振动电机的振动来实现的。两个振动电机同时开始运转，并且旋转的方向相反时，二者所提供的激振力，在与电机的轴线相平行的方向上抵消，而在与电机的轴线相垂直的方向上进行叠加，从而使筛体在这一简谐力的作用下做往复直线振动? ?26。而且两个电机在安装时，其轴线和筛面存有一定的倾斜角度，从而使物料在其自身重力以及激振力的共同作用下，在筛面上弹跳式地不断向前运动，并近似为直线轨迹运动，从而使物料达到自动分级。  振动清理筛的筛分工作主要是通过筛箱来实现的。振动清理筛在工作的过程中，物料最先由进料口偏心锥形管通过软布套筒进入到进料箱，再经过可调匀料闸门和分料板，可以在筛宽方向上均匀的分布，进而进入筛格，在激振力的作用下，筛箱按照一定的运动轨迹进行振动，从而迫使物料在其振动过程中不断的向前运动。在此过程中，物料是通过筛格实现分层的，也就是颗粒直径比筛孔大的大、中型杂质物料，就会在第一层筛面清理后，从筛体尾端侧面的大杂出料口排出。筛分过程分为两个阶段，第一阶段，比筛孔尺寸小的筛分物穿过物料层到达第二层筛面继续进行筛理；其中第二层筛面是除小杂的筛面，筛孔的尺寸小于筛分物的直径尺寸。第二阶段，细颗粒通过筛孔直接落入底板上，并由小杂出进口排出。而筛上物是物料主流，从卸料口送出机外，这样就形成了一个完整的筛分过程。  
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3  振动清理筛的振动特性仿真与研究 ..... 19 
3.1  仿真模型的建立 ...... 19 
3.2  改变弹簧刚度振动清理筛的运动仿真 ..... 21 
3.3  改变弹簧支撑在竖直方向上的位置振动清理筛的运动仿真 .... 24 
3.4  本章小结 .... 26 
4  振动清理筛的模态分析与谐响应分析 ........ 27 
4.1  振动清理筛的模态分析 ........ 27 
4.2  振动筛筛箱的谐响应分析 .... 39
4.3  本章小结 .... 48 
5  振动清理筛的振动测试 .... 49 
5.1  振动测试理论 .......... 49 
5.2  振动试验及结果分析 ..... 51 
5.2.1  试验设备 ....... 51 
5.2.2  试验步骤 ....... 52 
5.3  测试结果 .... 53 
5.4  本章小结 .... 63 

5  振动清理筛的振动测试 

本章结合 SO  Analyzer 数据采集与分析系统对 TQLZ 200100? 振动清理筛进行现场振动测试，了解振动清理筛的实际振动中的时域特性与频谱特性，并将分析结果与第四章中的有限元分析仿真的结果进行比较。验证有限元动力分析的合理性。 

5.1  振动测试理论 

振动测试的一个重要应用就是要获得结构的模态参数。模态试验不仅可以获得一组可靠的模态参数，而且可以获得结构的阻尼和刚度等重要数据。振动测试的另一个重要应用使对机械设备进行在线检测和故障诊断，利用振动测试对重大设备进行在线的、实时的状态检测或故障诊断，以便提前发现故障隐患，增加机械设备运转的可靠性和提高设备的利用率，并减少停机时间和降低维修费用。基于振动测试的在线检测和故障诊断技术还可以用于控制工厂产品质量，杜绝不合格产品出厂。 振动问题由脉动(输入)、振动结构(系统)和响应(输出)三部分组成。试验模态分析的主要内容包括:首先，通过试验测得脉动激励和响应的时问历程，运用数字信号处理技术求得频响函数或脉冲响应函数；其次，运用参数识别方法，求得系统的模态参数；最后，确定系统的物理参数。因此，试验模态分析是综合运用线性振动理论、动态测试技术、数字信号处理技术和参数识别等手段，进行系统识别的过程。 结构的试验模态分析首先要测量频响函数，然后用模态分析软件对频响函数进行分析，识别出结构的模态参数。频率响应函数是线性动力系统的固有特性，与激振函数的类型无关。 

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结论 

本课题是河南省重大科技专项“粮食产后清理技术与关键装备的集成研究及示范”（项目编号：121199110120）的基础上，根据 TQLZ100-200 振动清理筛的具体特征，利用能量原理建立了系统的动力学模型，，并结合仿真软件对其进行了运动学分析；运用有限元理论，以有限元分析软件 Ansys workbench 为主要工具，对振动筛筛箱进行了结构动力学研究，并结合实验对其进行振动测试。 
（1）利用朗格朗日方程建立了 TQLZ100-200 振动清理筛的运动微分方程，采用数值方法对微分方程进行了求解分析，并推导出了其相关的理论参数。 
（2）在三维建模的基础上，结合运动学分析软件 ADAMS，对 TQLZ100-200 振动清理筛的原始模型进行了运动学仿真研究，得出了振动清理筛在各个方向的运动振幅。并通过改变弹簧刚度参数、弹簧支座在竖直方向上的位置，对新模型进行了运动学的仿真研究，得出在一定的取值范围内通过改变弹簧刚度参数，或者小幅度的调整弹簧支座在竖直方向上的位置不会改变新模型的运动幅值。  
（3）运用有限元分析软件  ANSYS Workbench，分别对原始模型与新模型进行了模态分析、谐响应分析得出了振动清理筛的前 10 阶模态、应力分布云图。并通过调节弹簧支撑在竖直方向不同位置的每个模型的有限元分析结果进行了分析对比，发现改进后振动筛筛箱的固有频率值及相应振型与改进前的差别很小，不会发生共振的现象，且其结构的刚度以及强度均能够满足实际要求，同时也为结构的设计改进提供了依据。 
（4）通过 SO Analyzer 数据采集与分析系统对 TQLZ 200100? 振动清理筛进行现场振动测试，所得各测试点的振动频率的值都比较接近，并与第四章有限元仿真分析的结果相一致，从而验证了仿真分析的正确性。 
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参考文献(略)

本文编号：150029