（机械制造及其自动化专业论文）电磁振动给料系统结构动力学研究.pdf

摘要 摘要 电磁振动给料机广泛应用于机械、电子、食品和医药等产品的自动化 生产中。针对不同物料的材质、形状、表面特性和给料要求，电磁振动给 料的动力系统结构、定向机构和驱动输入也不同，这种多性能指标和多影 响参数的匹配问题一直是电磁给料技术的研究难点问题，因此有必要在实 验的基础上对其运动和动力模型进行研究，修正原有的经验设计方法。本 文较详尽的分析了国内外电磁振动给料底盘技术及离散物料定向技术的研 究状况，针对当前电磁振动给料机存在的主要问题，通过理论和实验方法 对电磁振动给料系统的运动学、动力学进行了比较系统的研究。 论文系统地分析了电磁振动给料系统的工作原理，建立了直线电磁振 动给料系统运动学和动力学数学模型，通过理论模型分析了物料滑行运动 和抛掷运动的实现条件；根据幅频特性曲线分析了固有频率和激振频率的 关系，确定了电磁振动给料系统的工作状态，得到了物料运动的理论平均 速度和结构与动力参数的关系公式；并利用m a t l a b 软件进行模拟实验， 确定了给料系统参数对物料输送速度的影响。论文也对振动系统中的多层 板弹簧刚度与结构参数进行了研究，建立了多层板弹簧的力学模型。 根据电磁振动给料系统的多参数特点，开发了一种具有可调结构的实 验装置作为参数与性能的实验平台。对多层板弹簧参数与刚度的关系以及 系统的固有频率进行了物理实验研究，验证和修正了各参数对多层板弹簧 刚度的影响，同时实验结果证明了所建立模型的合理性。 关键词电磁振动给料机；运动学模型；动力学模型；多层板弹簧；性能指 标 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t o r yf e e d e r sa r ew i d e l yu s e di na u t o m a t i cp r o d u c t i o n ， s u c ha sm a c h i n e r y , e l e c t r o n i cp r o d u c t ，f o o da n dp h a r m a c ym a n u f a c t u r i n g ，a s e l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t o r yf e e d e r ss t r u c t u r e ，o r i e n t i n gm e c h a n i s ma n dd r i v i n g s y s t e ma r ed e t e r m i n e da n da f f e c t e db yt h ed i v e r s em a t e r i a l s c h a r a c t e r s ，s h a p e s ， a n ds u r f a c ef e a t u r e sa n df e e d i n gd e m a n d s ，t h em a t c h i n go fm u l t i - p e r f o r m a n c e a n dm u l t i f a c t o r si ss t i l la b i gh e a d a c h e t h e r e f o r e ，f u r t h e rs t u d ya n de x p e r i m e n t o nt h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so fe l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t o r yf e e da r en e c e s s a r y f o rd e s i g n r e s e a r c h e so ft h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so fe l e c t r o m a g n e t i c v i b r a t o r yf e e ds y s t e m b yt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a la p p r o a c h e sf o rt h e v i b r a t i n gc h a s s i sa n dm a t e r i e lo r i e n t i n ga r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e r a n a l y z e d t h e w o r k i n gp r i n c i p l eo fe l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t o r yf e e d i n g s y s t e ma n de s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i cm o d e l so fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so f e l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t o r yt i m e df e e d i n gs y s t e m ，t h ec r i t i c a lc o n d i t i o n so ft h e s l i d i n ga n dt o s s i n ga r eg i v e n ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nn a t u r a lf r e q u e n c y a n dv i b r a t o r yf r e q u e n c yi sg i v e ni nt h ea m p l i t u d e f r e q u e n c yc u r v e sa sw e l l i n a d d i t i o n ，t h et h e o r e t i c a la v e r a g ev e l o c i t y , c o n f i g u r a t i o na n da y n a m i cp a r a m e t e r s a r es i m u l a t e db ym a t l a b t h er i g i d i t yo ft h em u l t i l a y e rl e a f s p r i n gi n v i b r a t o r ys y s t e mi ss t u d i e db ym e a n so f t h em e c h a n i c a lm o d e le s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h em u l t i p a r a m e t e rc h a r a c t e ro fe l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t o r y f e e d i n gs y s t e m ，ae x p e r i m e n t a le q u i p m e n tw i t ha d j u s t a b l ef a m ei sd e v e l o p e d ，b y w h i c ht h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n r i g i d i t y a n d c o n f i g u r a t i o np a r a m e t e ro f m u l t i l a y e rs p r i n ga n dt h ei n h e r e n c ef r e q u e n c yi sv e r i f i e da n da m e n d e d k e y w o r d se l e c l r o m a g n e t i cv i b r a t o r yf e e d e r ；k i n e m a t i c sm o d e l ；d y n a m i c s m o d e l ；m u l t i - l a y e rl e a fs p r i n g ；p e r f o r m a n c em e a s u r e s u 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电磁振动给料系统结构 动力学研究，是本人在导师指导下在燕山大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字张碍胡豕 日期：) 矿。6 年。月，f 燕山大学硕士学位论文使用授权书 电磁振动给料系统结构动力学研究系本人在燕山大学攻读硕士学 位期蒯在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕l j j 大学 所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完 全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕 山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的 全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密匹 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：；易磅黍弱冢日期：知4 年( 月) 妒 导师签名 旁铷l 日期：】。裤乒月土；n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1电磁振动给料技术简介 在很多情况下，振动是一种不必要的和有害的现象。但在某些场合， 振动也有其有利的一面，利用振动原理可以实现一般机械所难以达到的功 能，可有效地完成许多工艺过程，或用来提高某些机器的工作效率川。最 近三十多年来，应用振动原理而工作的机械( 简称振动机械) 得到了迅速的 发展，它们在矿山和冶金工厂、选煤厂、化工厂、发电厂、铸造厂、建筑 工地、水泥厂，以及粮食和食品加工厂中得到了广泛的应用【2 1 。振动给料 即是其中一例。 振动给料机是自动加工与自动装配系统中的一种给料装置，同其它给 料机相比。它的结构简单，能量消耗小，工作平稳可靠，在给料过程中， 可以利用挡板、缺口或偏重等方法对物料进行定向整理，分离筛选后供料： 也可以在高温、低温或真空状念下进行操作【3 】。因而广泛应用于轻工、电 子产品的自动加工、装配等机械上，在粮食、商品的自动称量、包装k ， 粉状或颗粒状的物料的运输中也得到非常广泛的应用【4 j 。 目前，国内外生产和使用振动给料机的厂家很多，从激振方式的分类 来说，现在主要有三矛中，即偏心电机激振、电磁铁激振和压电陶瓷激振。 其中偏心电机和电磁铁激振应用比较广泛，压电式激振在我国还处在研究 阶段并且因其振动幅度不大，在生产中的应用受到了一定的限制。就控制 与安装的方便性来说，电磁铁激振要比偏心电机激振更为方便，因而电磁 铁激振的应用更为广泛【5 】【6 1 。在本论文中，我们以应用最为广泛的电磁振 动给料机作为研究对象。 电磁振动给料机是由电磁铁激振的一种振动机械。由于其具有定向性 能优良、物料削相互摩擦小、不易损伤物料、通用性好、改换品种方便等 优点，因而用途广泛，例如，用来向皮带运输机、斗式提升机给料以及为 工业窑炉定量配料等。在轻工业机械中，电磁振动给料机也有广泛的应用 1 燕山大学工学硕士学位论文 例如，在糖果包装、钟表元件加工、铅笔橡皮头装配等生产环节中均有应 用【7 】【8 】。电磁振动给料机既可以输送松散的粒状物料，也可以输送4 0 0 5 0 0 毫米的块状物料以及粉状物料。特别是电磁振动给料机的料槽可以用钢板 或合金钢板制成，容易绝热，因此，还适用于输送高温的、磨损性大的以 及有腐蚀性的物料，并便于实现密封输送或给料一j 。 目前，轻工业生产中应用的电磁振动给料机主要有直线料槽往复式和 螺旋料槽扭动式两种形式。前者简称直槽式电磁振动给料机，如图i - 1 所 示，料槽作往复直线运动，一般适合于不需定向排队的轻小物料的供送， 或用于对物料进行清洗、筛选、烘干、加热或冷却的操作机：后者简称圆 盘式电磁振动给料机或振动料斗，如图i - 2 所示，带有螺旋槽的圆形料斗 作扭转振动，适合于需要定向排队的单件物料的供送【7 l i 。0 i i “i 。 图i - i 直槽式电磁振动给料机 f i g 1 1e l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t o r y s t r a i 曲tf l u t e df e e d e r 图1 - 2 圆盘式电磁振动给料机 f i g 1 - 2e l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t o r y b o w lf e e d e r 1 2 电磁振动给料底盘技术国内外研究状况及趋势 振动给料机始于上个世纪初，八十年代进入高速发展阶段。我国振动 给料设备的发展开始于二十世纪六十年代，随着生产技术的发展，出现了 电磁振动给料机，并迅速得到广泛应用。原机械工业部相继在东北的辽阳、 河南鹤壁和江苏海安设立定点三家生产厂【1 2 。由于当时技术落后，振动机 械产品存在着设备体积小、效率低、结构复杂、故障率高、寿命短等缺陷。 2 第1 苹绪论 进入八十年代后，随着制造工业的发展，我国振动给料机产品的丌发与生 产也在自力更生和消化吸收的基础上进行了探索和创新，在设计、制造及 技术性能等方面都取得了长足发展。各大振动机械生产企业和各振动研究 机构除按美国、日本、德国引进消化和制造外，还积极研制开发新一代的 振动机械产品。九十年代以来，国内已有太行公司、鞍山矿山机械股份有 限公司、上海冶金矿山机械厂等少数几家企业开始大型振动给料机的研制、 开发与生产，并基本占领了国内市场。但由于振动机械的工业环境复杂、 条件恶劣、生产企业小，致使我国振动机械理论研究难以取得突破，加上 我国振动机械行业起步晚等原因，导致我国振动机械产品多为技术含量不 高的中小型号，与国外产品相比使用性能、产品寿命等方面差距较大，尤 其是在大型、智能、机电一体化方面还存在十分落后的局面 1 3 - 15 l 。e t 前 国内电磁振动给料机的电磁激振器( 由电磁铁、衔铁组成) 主要采用斜向配 置，主振板弹簧使用环氧树脂复合板，制作较为粗放，生产率的调节尤为 不便、费时费力，无级调速的范围窄、精度不高。国外的电磁振动给料机 制作精巧、美观，其电磁激振器主要采用上下配置等方式，主振板弹簧主 要采用弹簧钢板或环氧树脂复合板，电磁激振器的激振间隙小，激振力大， 生产率高，可方便的进行无级调速【1 6 】【7 1 。 从给料机的发展历程可以看出，我国振动给料机顺应国外给料机的发 展模式： ( 1 ) 振动给料机可靠耐用，维护量少，生产效率高，便于自动化管理： ( 2 ) 大型化可提高处理能力，适应高产高效集约化生产需要，实现微机 自动化控制、动念分析与监控技术相结合； ( 3 ) 拓展各机型的适用范围，以满足不同物料运输的需要，降低动力消 耗和噪声，更加环保和人性化设计。 但是，我们不难发现，一种设备的发展并不是孤立的，而是与整个民 族工业发展息息相关，我们要倍加呵护。由于我国各地经济发展不平衡， 先进技术应用还要经过一个艰苦的认识过程，传统观念的封闭与经济欠发 达地区的财力都会影响我国振动给料设备的发展。因此，要想使我国的给 料设备赶超世界水平，还有待各方面的共同努力【l 引。 3 燕山大学工学硕士学位论文 目前，世界上振动给料机产品处于领先地位的公司主要有德国的 s c h e n c k 公司、美国的a l i s c h a l m e r s 公司、日本的h i t a c h i 公司 等，他们的产品具有大型化、智能化、高效集中、使用寿命长等特点，代 表着当今世界振动机械的发展方向。近年来，日本在振动供料技术的理论 和实用技术方面研究颇多，也推出许多异形结构料斗，但生产实际中依旧 以基本正弦振动的整体料斗为主，而且着眼于实用可靠及配套技术，形成 了完整的系列产品占领市场 1 ，这e 是我们应以努力的方向。 世纪之交的今天，市场竞争日益激烈，商务环境持续多变，消费者需 求日趋多元化，且变化节奏不断加快。“敏捷制造，i 塞一概念随即孕育而生， 并己成为制造业的热门话题。在这种形势下，传统结构的振动给料机及其 设计与加工方法己难以满足市场需求。为解决这一问题，许多研究工作已 经展开并不断走向深入。在这些研究中，计算机已广泛用于振动给料机的 设计、仿真与控制，从而大大提高了振动给料机的柔性，使其能快速适应 产品变化的需求畔“l 。 1 3 离散物料定向技术国内外研究状况及趋势 为实现离散物料的自动给料，在振动给料系统的设计与制造过程中存 在着一个非常突出、棘手的问题，就是定向机构的设计与加工，对这一问 题的研究一直受到国内外有关学者和工程技术人员的很大重视。由于物料 品种和形状的多样性，决定了定向整理的复杂性。就目前情况看，对物料 自动定向理论的研究还不能为定向给料系统的设计和选用提供足够的依 据。人们大多是从实用出发，依赖工作经验和技巧来处理各类物料的自动 定向问题【2 2 l 。尤其对于一些形状复杂的物料，相应的定向机构几乎难以用 视图来表达，在实际制造与加工过程中，只能边调整边修配，加工周期较 长。国外常把物料定向传输方法及相应的定向机构作为企业的专门技术 【1 射，甚至黑色艺术f 2 3 1 。 离散物料的定向传输方法，是利用物料的结构、形状、大小、表面特 性等，设计专门的定向机构，使物料达到定向的目的，保证其按照工艺加 工的方位要求送出。物料的定向一般是在料槽或输送线上进行，借助于支 4 第1 章绪论 承面而实现的，在定向物料的支承面中，我们称支承物料主要重量的面为 基本定向面，另外的面称为导向面。 设计物料的定向机构，最关键的是要找到物料的最大稳定状态。对于 每一物料来说，都有几个稳定状态，而其中总有一个是最大的稳定状念， 即物料在此状态有最大的定向概率【2 4 j 。在常用的振动给料系统中，较多地 采用这种方法来实现离散物料的自动定向，这就需要物料具有较大的形状 不对称性或重心偏置。由于这些方法很难为一些几何形状差别不大或仅在 表面微观上存在差别的物料进行定向整理，因此，在生产实际中不少物料 的定向整理不得不靠人工来完成，不仅浪费了大量的人力，而且繁忙单调 的动作易使工人疲劳而大大影响生产效率【2 2 j 。 随着计算机和传感技术的发展及检测手段的提高，为物料的姿势t 别 提供了有利的工具，检测技术应用的关键是如何使物料在被识别位置定向 而又不影响给料的正常进行。此外，机器视觉已用于物料的识别与定向， 使得振动给料系统不再仅适合某一种物料，而是可以适合多种物料，从而 大大提高了振动给料系统的柔性1 2 5 1 1 2 6 l 。近年来，有关离散物料定向技术的 研究工作大致可分为以下几个方面：基于机器视觉的振动料斗研究：物料 在料斗中自然姿态的研究；物料及定向机构的分类编码研究等。 ( 1 ) 基于机器视觉的振动料斗研究传统结构的振动料斗一般适用于大 批量物料的自动化给料作业，其适应性较差，如果所输送物料的形状尺寸 等有所变动，整个料盘就可能要重新设计，而且料盘重新设计、加工的周 期可长达数月，这明显难以满足当今世界快速变化的市场对产品的需求。 为解决这一问题，h e g i n b o t h a m 等将机器视觉引入振动料斗系统【27 j 【2 。浚 视觉系统的光纤传感器分别镶嵌于振动料斗螺旋料槽的底面和侧面，当物 料通过时被覆盖住的光纤便会产生“暗信号”，通过这种方式，机器视觉系 统便可获得物料在料槽底面和侧面上的投影影像，借助计算机系统的分析 判断，就可以确定物料所处的定向姿态。若该定向姿态是所期望的，物料 将被送往加工位置，否则物料将被迫离开螺旋料槽返回料盘，重新参与定 向过程。显而易见，基于机器视觉的振动料斗中已不再完全需要设计传统 的机械定向机构。当物料的形状尺寸在一定范围内变化时，一般不需要重 气 燕山大学工学硕士学位论文 新设计料盘，只要将有关软件程序进行适当修改即可【2 9 】，即使物料形状尺 寸变化很大，料盘的设计也比较简单快捷。因此，基于机器视觉的振动料 斗具有很好的柔性，可以快速适应市场变化，符合敏捷制造技术的要求。 一般来说，基于机器视觉的振动料斗可以适用于多种不同物料的定向 与传输。这些物料的影像样本事先储存在计算机中，在工作时，只需调用 相关的程序即可。m a u l 等研制的基于机器视觉的振动料斗可以对十五种不 同的物料进行定向与传输。这十五种不同的物料混合放入料盘，该料斗可 按要求的次序将这十五种不同的物料逐个送往装配或加工位置【3 训。此外， m a u l 等研制成功的另外一种基于机器视觉的振动料斗可以解决物料紧密 排列与相互重叠的问题，进一步提高了料斗的智能化1 3 “。除了具有很好的 柔性之外，基于机器视觉的振动料斗还可利用其视觉功能发现有瑕疵的物 料及异物，将其及时排除，避免造成堵塞，这样就扩大了定向机构的功能。 ( 2 ) 物料在料斗中自然姿态的研究物料在料斗中的自然姿态是指物料 从一定高度自然垂直降落到料盘水平面上所呈现的可区分的各种稳定姿态 3 2 1 0 它与物料的定向姿态是二个不同的概念。定向姿态是指根据装配或加 工需要，采取一定技术和手段获得的物料姿态。因各个自然姿态出现的概 率一般不同，而且经常相差很大，所以基于不同自然姿态所设计的定向机 构在供料效率方面一般也相差很大。因此，有关物料各个自然姿态出现概 率的研究对振动料斗定向机构的设计有着十分重要的意义。b o o t h r o y d 等 基于能量位垒概念对柱状物料各个自然姿态出现概率进行了成功的数学描 述与预测【3 “。在此之后，n g o i 等基于质心立体角概念对圆柱状物料各个自 然姿态出现概率进行了数学描述与预测，其效果较b o o t h r o y d 的更为理想 3 3 1 3 4 1 。 ( 3 ) 物料及定向机构的分类编码研究在工业自动化生产中，需要进行 自动定向给料的物料种类繁多，其定向机构一般都需要进行专门设计，而 且对实践经验的依赖性很吲”】。若将以往成功的设计汇编整理成册，其参 考价值显而易见。振动给料系统的设计先驱b o o t h r o y d 等基于大量的设计 实例，对常用离散物料及其定向机构进行了系统的分析与研究，推出了 u m a s s 编码系统，并相应出版了一本关于小型物料定向与传输的颇具权 6 第1 苹绪论 威性的手册【3 6 i 。该编码系统采用三位阿拉伯数字的编码形式，根据物料的 几何形状、特征以及定向的难易程度对物料进行分类编码。使用者可根据 手册的使用说明首先确定某物料的编码，然后按此编码便可以查到相应的 定向机构示意图。这样使用者便可吸取他人的经验，免走弯路，有效缩短 定向机构以及整个振动给料系统的设计周期。基于上述基本思路。o u y a n g 等利用计算机辅助设计在物料设计阶段就对其可加工性和可定向性进行评 价。如果评价结果不满意，则放弃或改进该设计方案，直到评价结果满意 为止。然后根据最终设计方案确定相应的定向机构【3 ”。l i m 等也进行了类 似的研究工作，并对物料及其定向机构的编码方法进行了改进p 。 目前，在基于机器视觉的振动料斗中，传感器只能获取物料在料槽底 面及侧面上的投影成像，这还难以满足形状特征细微的物料定向要求。今 后，在这方面的研究工作既要注重提高视觉功能，捕获诸如颜色、文字标 记及凹坑等细微特征，又要力求提高图像处理速度、降低系统成本并增强 实用性1 3 9 】f 4 0 】。随着各方面研究工作的不断深入，在不久的将来，离散物料 定向传输方法及相应的定向机构将不再是一门“黑色艺术”，而是集计算机 辅助设计、先进传感技术与智能控制于一体的系统工程，能快速适应市场 变化，高效服务现代化生产。 1 4 选题的背景及课题来源 1 4 1 选题的背景 目前，电磁振动给料装置在工业生产上应用十分广泛。随着科学技术 和计算机控制的日益发展，社会生产对电磁振动给料机的效率与自动化控 制要求越来越高；随着人们对振动与控制问题认识的深入，也使得提高电 磁振动给料机的性能成为可能。 当前电磁振动给料机存在的主要问题是输送物料的效率低、底座振动 大、噪声污染严重，其主要原因是电磁振动给料系统多性能指标和多影响 参数的匹配不当造成的。尽管电磁振动给料系统的工作原理比较简单、操 作容易，但是由于振动给料系统的几何参数和动力学参数较多【4 2 l ，在传 7 燕山大学工学硕士学位论文 统的工业生产中，参数的选取主要还是依据工人长久以来的经验或者查表 而得，从而各参数的选取与匹配没有达到振动给料系统的要求，多次调试 占用了过多的辅助时间，大大降低了物料输送速度，成为使用电磁振动给 料机输送物料时的瓶颈问题。 因此，对电磁振动给料系统的工作原理和物料输送原理进行研究，对 其进行运动学和动力学的建模与分析，确定各参数对物料输送速度的影响， 寻求最佳几何和动力学参数，进而达到提高物料输送速度、减小机械加工 辅助时间的目的。 1 4 2 课题来源 本课题来自燕山大学企业合作项目一电磁振动给料装置技术。 1 5 研究意义及研究内容 1 5 1 研究意义 本论文通过理论分析和实验相结合的方法，明确了电磁振动给料系统 的参数对物料输送速度的影响，提出提高输送速度的技术措施，从而降低 了生产成本，提高了自动化程度和工作效率，在工业生产中取得了经济效 益。同时，工作性能良好的电磁振动给料系统的研制成功，能跟上甚至超 过当今的国际水平，使我们在振动给料机的这一生产领域走在世界的前列， 提高了机械制造工业技术水平，从而也取得了一定的社会效益。 1 5 2 研究内容 本文以直槽式电磁振动给料机为研究对象，对电磁振动给料系统进行 了运动学和动力学的建模与分析，通过物理实验验证了所建立模型的可行 性，同时通过模拟实验确定了各参数对物料输送速度的影响。 第1 章绪论对电磁振动给料技术进行了简单的介绍，详细介绍了电 磁振动给料底盘技术和离散物料定向技术国内外研究概况和发展趋势，阐 述本课题的研究背景、意义及研究内容。 第2 章电磁振动给料系统运动学建模与分析介绍了电磁振动给料系 8 第1 蕈绪论 统的组成、工作原理和物料输送原理，建立了直线电磁振动给料系统物料 运动数学模型，最后对物料滑行运动和抛掷运动的理论进行了分析。 第3 章电磁振动给料系统动力学建模与分析建立了振动给料系统的 力学模型和多层板弹簧的刚度模型，对固有频率和激振频率的关系进行分 析，确定了电磁振动给料系统的工作状态。 第4 章电磁振动给料系统的实验研究对多层板弹簧参数与刚度的关 系以及系统的固有频率进行了物理实验研究，论述了各参数对多层板弹簧 刚度的影响。在讨论各参数对物料输送速度的影响分析中进行了模拟实验 研究，论述了各参数与物料输送速度的关系。 9 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章电磁振动给料系统运动学建模与分析 2 。1 电磁振动给料系统的组成及工作原理 2 1 1 电磁振动给料系统的一般组成 直槽式电磁振动给料系统的结构形状是多种多样的，但所有这些装置 都具有类似的结构和功能机构，这样就可以提出一个一般结构。图2 - 1 表 示的是供应小物件的直槽式电磁振动给料装置的一个实例，该电磁振动给 料装置为悬挂式安装。 图2 - 1 电磁振动给料装置 f i g 2 - 1e l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t o r yf e e d e r l 0 一。r e 二= = 二孑 4 j 一丁_ l 一料槽2 一减振器3 一机碱本体4 一电源及控制器 图2 2 电磁振动给料装置的一般组成 f i g 2 - 2c o m p o s i n go f e l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t o r yf e e d e r l o 第2 章电磁振动给料系统运动学建模与分析 图2 2 表示的是电磁振动给料系统的一般结构，其结构是由料槽、机 械本体、减振器和电源及控制器四个部分组成。下面分别叙述这四个部分 的构造和用途。 ( 1 ) 料槽部分通常由钢板压制焊接而成，根据使用要求可设计成槽式 和管式两种。槽式的又可做成敞开的或密封的，其作用为承受物料的重量 和控制物料的运动方向。 ( 2 ) 机械本体部分由上振动体、底座、主振弹簧、电磁铁、衔铁等零 部件组成。上振动体、底座、主振弹簧决定系统的固有频率和振动方向角。 电磁铁与衔铁构成电磁激振器。它决定和影响激振力的大小。当绕于电磁 铁上的线圈有电流通过时，就产生交变电磁激振力，使上振动体带动料槽 作受迫振动。 ( 3 ) 减振器部分由一组减振弹簧组成，其作用为减小传给地基或建筑 物的动载荷。 ( 4 ) 电源及控制器部分包括多头开关，整流、调压装置及光电自动控 制装置等。用于控制起停，改变供电电压和频率大小及电流的输出形式等。 2 1 2 可调结构实验机的组成 本课题中根据实验的需要，开旋了一种具有可调结构的实验装置作为 实验平台，该可调结构实验机是直槽式电磁振动给料机，为座式安装，如 图2 3 、图2 - 4 所示，它是由五个部分组成的，即料槽部分、机械本体部 分、电磁激振器部分、减振器部分和电源及控制器部分。 其中，料槽是由钢板焊接成的槽子，设计成敞开式的结构。机械本体 部分包括振动块及上调整架、板弹簧、底座及下调整架和配重，板弹簧作 为系统的主振弹簧，一般由四片或五片矩形等截面的弹簧钢板或环氧树脂 复合板叠加而成，中问压紧处均用l 毫米的钢垫片隔开，板弹簧上端用压 紧螺钉固定在上调整架上，下端用压紧螺钉固定在下调整架上，配重作为 平衡质量用。电磁激振器部分包括电磁铁和衔铁，电磁铁固定在底座上， 衔铁固定在料槽下面的振动块上。减振器部分采用的是刚度不大的橡胶弹 簧作为减振弹簧。电源及控制器部分包括开关和调压、变频装置。 燕山大学工学硕士学位论文 所采用的实验装置的结构是可调的，即料槽的安装倾角、板弹簧的安 装角都可以根据实验的要求进行调整，而且激振频率和电压都可以通过控 制器来改变，适合于不同板弹簧片数的振动系统。由于其结构的可调性， 满足了实验的要求，为本课题的实验部分得以顺利的丌展提供了条件。 图2 - 3 可调结构实验机 f i g 2 - 3a d j u s t a b l ef r a m et e s t i n gm a c h i n e 。、n 一 旦、虱i 1 一配重2 一料槽3 一振动块及上调整架4 一电磁铁5 一衔铁 6 一板弹簧7 一底座及下调整架8 一减振弹簧9 一电源及控制器 图2 - 4 可调结构实验机的组成 f i g 2 4c o m p o s i n go f a d j u s t a b l ef r a m et e s t i n gm a c h i n e 2 11 3 电磁振动给料系统的工作原理 电磁振动给料系统是以电磁激振器产生的周期变化的电磁力作为激振 力来维持其持久而稳定的振动。电磁激振器所产生的电磁激振力，取决于 电磁铁线圈的供电方式，一般对电磁振动给料系统所用的电磁激振器采用 1 2 第2 章电磁振动给料系统运动学建模与分析 交流供电或半波整流供电。当采用交流供电时，线圈直接通交流电，在半 个周期内，线圈回路中的电流达到其最大值就有一次，因此电磁振动给料 系统的激振频率就比交流电的频率增加一倍，即激振频率为1 0 0 赫兹，当 线圈中通过的是正弦交流电时，电磁力的型式如图2 5 所示。当采用半波 整流供电时，在线圈的供电线路中串联一个整流器，那么线圈回路中的电 流在一个周期内达到其最大值只有一次，在这种情况下，电磁振动给料系 统的激振频率与交流电的频率相同，即激振频率为5 0 赫兹，当线圈中通过 的是经过半波整流的单向脉冲电流时，电磁力的型式如图2 - 6 所示。 电源电压 一、 一 线圈供电电流 电磁力 图2 - 5 采用交流供电时的电磁力 f i g 2 - 5e l e c t r o m a g n e t i cf o r c ea tp o w e rs u p p l yb ya l t e r n a t i n gc u r r e n t 电源电压 l ：j 1 - 一c 线圈供电电流 电磁力 图2 - 6 采用半波整流供电时的电磁力 f i g 2 - 6e l e c t r o m a g n e t i cf o r c ea tp o w e rs u p p l yb yh a l f w a v ec o m m u t a t i o n 将料槽和上振动体看成上质量体，底座看成下质量体，给料振动系统 型坐盔兰三堂堡圭兰篁丝苎 进一步简化为如图2 7 所示的形式。当电磁铁线圈中通过交变电流时，系 统开始振动。 i 一物料2 一卜质量体3 一衔铁4 一主振弹簧5 一电磁铁6 一下质量体7 一减振弹簧 图2 7 电磁振动给料系统的工作原理 f i g 2 - 7w o r k i n gp r i n c i p l eo f e l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t o r yf e e d e rs y s t e m 假设电磁铁线圈中通入的是半波整流电流，在正半周内，线圈中有电 流通过，在衔铁和电磁铁之间产生一对大小相等的脉冲电磁力而相互吸引， 使料槽向后运动，主振弹簧因此变形，存储了一定的势能；在负半周内， 线圈中无电流通过，在衔铁和电磁铁之间的电磁力消失，主振弹簧存储的 势能释放，衔铁朝反方向离开，使料槽向前运动，在达到振幅位置之后又 返回向后运动，这样电磁振动给料机就如此作往复振动。由于电磁力是一 个周期变化的强迫作用力，因此电磁振动给料系统是一个以电磁力为周期 干扰力的强迫振动系统。 电磁振动给料机是通过料槽的振动来输送物料的，当电磁振动给料机 采用不同的几何参数和动力学参数时，物料在料槽上将出现四种基本运动 形式：相对静止、j 下向滑行、反向滑行和抛掷运动。 相对静止就是物料跟料槽一起运动，物料相对于料稽没有位移。 正向滑行是物料与料槽保持接触，在料槽的每一个振动周期内，物料 沿输送方向对料槽都有相对运动，且向前滑动一个微小距离，因而在料槽 以一定的频率连续振动的情况下，就可以将物料连续地从料槽中输送出去。 1 4 第2 章电磁振动给料系统运动学建模与分析 反向滑行是物料与料槽保持接触，在料槽的每一个振动刷期内，物料 逆输送方向对料槽都有相对运动，且向后滑动个微小距离。 抛掷运动是物料时而与料槽接触，时而与料槽脱离，即物料时而被料 槽向前上方轻微抛起，作抛物线运动，时而又落回料槽表面。物料每次被 抛起之后，都向前前进一个微小距离，从而实现物料的连续输送。 上述四种形式中，相对静止不能输送物料，反向滑行对输送物料来洗 是非理想的运动状态，只有正向滑行和抛掷运动才有实用意义。但由于参 数的某些限制，在实际工作中上述几种运动形式可能有各种不同的组合形 式。 2 2 直线电磁振动给料系统物料运动数学模型 2 2 1 物料输送的基本原理 动，看成是滑块在斜面上的运动，参照文献【4 3 ，4 4 ，4 5 ，建立料槽向上、 n ：詈k 一。l 一乏：三二二! ；：；i ：；! ；j ；j 一一 由图2 - 8 可知，料槽在电磁铁吸力作用下，带着物料以加速度从毛 上方向左下方运动，物料受到与料槽运动方向相反的惯性力m 口的作用。 燕山大学工学硕士学位论文 此时与料槽垂直的惯性力分力m a s m 口向上，使物料作用在料槽上的正压 力减小，摩擦力f 也减小。若与料槽平行的惯性力分力m a c o s 口大于摩擦 力f 时，物料便沿料槽向右上方滑行，如图2 - 9 ( a ) 所示物料从b 到c ；若 与料槽垂直的惯性力分力m a s i n 口大于物料自重在垂直料槽方向的分力 m g c o s a 时，物料将跳起来作抛掷运动。如果物料抛掷运动时间等于料槽下 降时间，则物料再与料槽接触时，就升移了一大步，如图2 - 9 ( b ) 所示；如 果物料抛掷运动时间小于料槽下降时间，则物料将过早返回料槽，随同料 槽一起下降，有如在料槽上“进两步退一步”，每次升移较小，如图2 - 9 ( c ) 所示；如果物料抛掷运动时间大于料槽下降时间，则物料将过晚返回料槽， 跳的很高，落的很近，如图2 - 9 ( d ) 所示。 j ?【至由 ( a ) 口， _ - - - 且屯一 _ 二丑 _ _ 一一一口 一 ( c ) 且一 爿c ( b ) 口，一：d l lc 爿 ( d ) 图2 - 9 物料在料槽上的运动状态 f i g 2 9m o v e m e n to fm a t e r i a lo ng r o o v e 由图2 1 0 可知，当电磁铁吸力减小为零的瞬间，料槽将在主振弹簧反 力作用下，带着物料以加速度口从左下方朝右上方升移，物料受到与料槽 运动方向相反的惯性力y a 作用。此时，与料槽垂直的惯性力分力m a s i n 向下，增加了物料与料槽之间的正压力及摩擦力，而与料槽平行的惯 性力分力m a c o s f l 向后，故一般不会使物料滑动，而只会使物料随料槽一 起向右上方运动。 1 6 第2 章电磁振动给料系统运动学建模与分析 y = 口+ 图2 1 0 料槽向上运动时物料受力分析 f i g 2 - 1 0f o r c e so i lm a t e r i a lw h i l eu pm o v e m e n t 2 2 _ 2 物料运动的数学模型 如图2 8 所示，当弹簧长度与料槽振幅之比值很大时，料槽的振动方 向k - k 与弹簧垂直，料槽在电磁力的作用下沿缸七方向作简谐振动，则料槽 沿七方向的位移可表示为 s = a s i n ( 0 l ( 2 一1 ) 式中爿料槽沿如七方向的单振幅 振动角频率 时闯 将料槽沿k - k 方向的振动位移s 分解到x 方向( 平行于料槽表面) 和y 方 向( 垂直于料槽表面) ，便得到料槽在x 和y 方向的分位移为 j ，= 爿c o s 卢s i n c o l( 2 - 2 ) s 。= as i n p s i nc o t( 2 - 3 ) 式中料槽的振动方向角 依次求式( 2 - 1 ) 、式( 2 2 ) 、式( 2 - 3 ) 对时间的一阶导数和二阶导数，便得 到料槽沿缸t 方向的速度和加速度，以及沿x 方向和y 方向的速度分量及 加速度分量为 v = 出a c o s c o t ( 2 4 1 1 7 q p ： q 。p 二 j 二 ，一一 一 乒二 一_ 一 一仁 ：，芋 一傣 燕山大学工学硕士学位论文 v ，= 国ac o s 卢c o s c o t ( 2 5 ) v 。= 国as i n 卢c o s c o t ( 2 6 ) = 一国2 a s i n t o t ( 2 7 ) ，= 一埘2 a c o s 声s i no ) t( 2 8 ) 口v = 一) 。as i n 声s i n g o t ( 2 9 ) 物料在料槽上沿x 方向受到的力有重力分力、惯性力分力和摩擦力f 未 抛起时) ，故物料在料槽上的运动微分方程为 m g s m 口+ 川( q + 戈) 一f = 0( 2 1 0 ) 式中m 物料质量 g 物料自出落体重力加速度 a 料槽倾角 量物料沿料槽相对滑行的加速度 f 物料与料槽之间的摩擦力 将料槽沿j 方向的加速度分i ra 。值代入式( 2 1o ) 后得 m = 一m g s i n _ ( z + m ) 2 a s 芦s m f + f 馆一l i ) 在物料对料槽保持接触的情况下，物料与料槽之间的摩擦力为 f = 千西r( 2 - 1 2 ) 式中，物料与料槽之间的摩擦系数 物料对料槽的正压力 其中“干”号代表摩擦力的方向，“一”号对应于正向滑行，“+ ”号 对应于反向滑行。正向滑行是指物料顺着料槽方向滑行。当有正向滑行趋 势时，摩擦力方向是与坐标方向相反的；反向滑行是指物料逆着料槽方向 滑行，反向滑行的摩擦力方向与坐标方向一致。 由图2 8 可知 n = m g c o s 口一搠出a s i n ，s i n c o t( 2 1 3 ) 将式( 2 1 3 ) 代入式( 2 1 2 ) 得 f = 干- f m ( g c o s u 一2 a s i n f l s i n w t )f 2 1 4 ) 将，值代入式( 2 1 1 ) 并经整理后得 舅= 一g ( s i n a - + f c o s a ) + f j 0 2 a s i n c o t ( c o s f l _ + f s i n f l )( 2 - 1 5 ) l r 第2 章电磁振动给料系统运动学建模与分析 上式两括号内的正号用于物料正向滑行，负号用于物料反向滑行。 2 2 3 给料系统的性能指标 尽管电磁振动给料系统的工作原理和物料输送原理比较简单，但出 i 影q 目电磁振动给科系统的参数较多，并且在目前的电磁振动给料系统的设 计中，参数多是根据经验和查表而得，精确的理论分析计算十分复杂，所 以参数的选取以及与性能指标的匹配问题是给料系统的研究难点。 给料系统的性能指标包括物料输送速度和物料输送的平稳性等，物料 输送速度是指物料沿料槽运动的快慢，而物料输送的平稳性与物料在料槽 上的跳动幅度有关，一般跳动幅度越大平稳性就越差，本文主要研究的性 能指标是物料输送速度。物料输送速度受到给料系统的几何参数和动力学 参数的影响，即料槽倾角口、料槽振动方向角、振幅a 、频率、物料 与料槽之间的摩擦系数厂等参数的影响，参数的选取以及与性能指标的匹 配是否合理直接影响着给料系统的工作性能。 2 3 物料滑行运动的理论 2 3 1 正向滑行和反向滑行的条件 物料沿料槽开始正向滑行瞬时，物料对料槽的相对加速度i = 0 ，山式 f 2 - 1 5 ) 得 一g (