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摘要 日益严重的沙滩污染成为各海滨地区和城市不得不面对的问题，亟须开发适 用于我国沙滩的清洁车来进行清理工作。改变目前人工清理效率低，引进沙滩清 洁车价格高昂、维修困难、清理效果不理想的现状。 本文以课题组正在开发的沙滩清洁车筛分机构为研究对象，介绍了目前沙滩 清洁车筛分机构的发展情况。针对振动筛分机构对湿沙的筛分效果较差，会出现 大质量的物体短时滞留，部分垃圾相对筛面静止或反向滑动等不良工况进行了相 关的理论分析，找出原因并提出了相应的解决办法。 利用虚拟样机技术对筛面上的沙粒进行运动学仿真，测试各个参数对筛面上 沙粒运动的影响。根据沙粒的抛掷高度和抛掷次数，对比了各个参数对沙粒抛掷 运动的影响大小。根据筛分机构的设计要求，分别选取每个影响参数三水平，共 9 组进行了仿真测试。根据沙粒是否出现抛掷运动，抛掷高度和抛掷次数，分析 了各因素对沙粒运动趋势的影响。通过有限元分析软件a n s y s 对设计的筛分机 构主要零部件激振辊、网带和筛分侧板进行了动静态分析，得出了激振辊在自身 激励和外部激励下的变形量仅为0 5 4 m m ，网带具有较高的疲劳寿命，筛分侧板 强度和模态振型均满足设计要求。 通过本课题的研究，结合a d a m s 软件和a n s y s 软件进行了理论分析和试 验研究，为沙滩清洁车筛分机构提供了运动控制、样机研制、筛分实验研究提供 了理论依据。 关键字：沙滩清洁车筛分机构沙粒运动学仿真动静态分析 a b s t r a c t t h e i n c r e a s i n g b e a c h e s c o n t a m i n a t e db e c o m e s a l le v a s i v e p r o b l e mf o r b e a c h e s d i s t r i c ta n db e a c h e s c i t y s on e e dt od e v e l o pb e a c h e sc l e a n e rs u i t i n gf o ro u r b e a c h e s ，a n dr e s o l v et h e s ep r o b l e m s ：m a n u a lw o r ki si n e f f i c i e n t ，t h eb e a c h - c l e a n e r i m p o r t e di se x p e n s i v e 、m a i n t a i n e dd i f f i c u l t l ya n d i t sc l e a n i n ge f f e c ti sn o ti d e a l t h eb e a c h - c l e a n e rd e v e l o p e db yo u rd i s c u s s i o ng r o u pi st h eo b j e c to fs t u d yi n t h i sp a p e r i n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to ft h es c r e e n i n gm e c h a n i s m ，a i m e da tas e r i a l o fa b n o r m a lw o r k i n gc o n d i t i o no fr e c t i l i n e a rv i b r a t i n gs c r e e n ，w h i c hi n c l u d e st h e w e a k e rs c r e e n i n gp e r f o r m a n c ef o rw e ts a n d ，h e a v i e rb o d yb e i n gd e t a i n e do nt h e s c r e e nt r a n s i t o r i l ya n ds o m eg a r b a g eb e i n gs t a t i ca n ds l i d i n go p p o s i t e l yr e l a t i v et ot h e s c r e e n , t h i sp a p e rc a l c u l a t e si ti nt h e o r y ，a n da n a l y s e st h ec a u s e ，t h e nc o m e su p 诵m s o l u t i o i l s a p p l yw i t l lt h ev i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yt os i m u l a t et h em o t i o no ft h es a n d o nt h es c r e e n ，o b t a i na n dc o m p a r e 、) l ，i t ht h ee f f e c t i v es e n s i t i v i t yo fp a r a m e t e r se a c h o t h e r o nt h eb a s i so ft h ed e s i g nr e q u i r e m e n t ，s e l e c t3s t a n d a r d sf o re v e r yp a r a m e t e r s i m u l a t e9g r o u p st ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo fq u a d r a t u r eb e t w e e nt h ep a r a m e t e r sa n d a n a l y z et h er e s u l tj u d g i n gb yw h e t h e rt h es a n dh a p p e n t ot h r o w 、t h et h r o w i n gn u m b e r a n dh e i g h tt a k ea d v a n t a g eo ff i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y st oa n a l y z et h ed y n a m i c a n ds t a t i cc h a r a c t e r so ft h ec r i t i c a lp a r t s ：t h ee x c i t i n gr o l l e r 、s c r e e na n dl a t e r a lp l a t e t h ed e f o r m a t i o no ft h ee x c i t i n gr o l l e ri so n l y0 5 4 r a ma tt h ee f f e c to fa l le x c i t a t i o n t h ef a t i g u el i f eo fs c r e e n , t h es t r e s sa n dm o d a ls h a p eo fl a t e r a lp l a t ea r eb o t hs a t i s f i e d 、) l ，i t l lt h ed e s i g n i n g p l a n t h i s p r o j e c tp r o v i d e s t h e o r e t i c a lb a s i sf o rm o t i o n - c o n t r o l l e da d v a n c e d d e v e l o p m e n ta n ds c r e e n i n g - t e s to fb e a c h c l e a n e rt h r o u g ha n s y sa n da d a m s k e yw o r d s ：b e a c hc l e a n e r ；s c r e e n i n gm e c h a n i s m ；s a n d s ；k i n e m a t i cs i m u l a t i o n ； s t r u c t u r a l - a n a l y s i s 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 近年来，全球日益恶化的环境污染受到人们广泛关注，包括大气污染、土地 污染和海洋污染等，全球各地的沙滩环境也正遭受着越来越严重的破坏。在我国， 旅游业作为第三产业发展迅速，未来1 0 年间，将保持年均1 0 4 的增长速度， 2 0 1 0 年中国旅游总收入占g d p 的比例从2 0 0 2 年的5 4 4 达到8 【l 】。由于海滨 沙滩的游乐体闲功能给游客提供沙滩浴、日光浴、海水浴的功能，使其渐渐成为 旅游热点。由于目前大部分海滩都是开放式管理，大量游客遗留下的垃圾和潮水 涨落所带来的海藻、石头、贝壳，对沙滩环境造成了严重污染，并引起游客强烈 的不满，特别是在我国沿海地区如大连、青岛、厦门、三亚、香港、澳门等有着 较好天然沙滩的旅游区，沙滩环境的治理已是刻不容缓。图1 1 1 4 【2 , 3 1 为全球各 地被大量垃圾污染的沙滩。 五遴囊氛 图1 1 美国佛罗里达州彭萨科拉沙滩上的海藻垃圾 j 碧麓j i i l 躐麴嘲嘲媚溯朗罐 ；“一+ 一 m ，y 。一 图1 2 印度昭帕提海滩上的生活垃圾图1 3 牙买加沙滩上的海上漂浮物 厦i _ 】大学硕士学位论文沙滩清洁车圆形物料筛分特性仿真研究 如图1 4 p s ，通过人工拾取沙滩上的垃圾，不仅劳动量大、工作效率低，而 且随着污染物的增多，人工处理显然已经达不到治理效果；如图1 5 ，清洁工人 就近对垃圾进行深度掩埋或焚烧处理。焚烧和填埋处理法弊病多端，不仅目前寻 找处理场地已日益困难，而且会引起其它形式的环境污染。填埋地内的腐烂性有 机物虽然可通过细菌的分解作用消灭掉，但有毒的分解物对环境造成二次污染。 图1 4 环保工人在人工清理沙滩图1 5 对垃圾进行焚烧及掩埋处理 面对此现状，应采取必要的治理措施：一是加强人们的环保意识，在注目的 地方多贴提示牌提醒人们注意保护沙滩环境，不随意扔垃圾。二是提高沙滩环境 治理能力，加强相关设备的研发。目前，由于我国在该领域暂无沙滩清洁车产业 化的生产厂家和研发机构，各大海滩的沙滩清洁设备均从国外进口。高价格，维 修困难，筛分效果不理想限制了沙滩清洁设备在我国的普及使用，因此亟需开发 适合我国沙滩的沙滩清洁车设备。 1 2 沙滩清洁车及其筛分机构的研究现状 1 2 1 沙滩清洁车的市场产品及市场前景概况 沙滩清洁车是通过机械装置将垃圾从沙土中分离出来收集处理的清洁设备， 诞生于2 0 世纪6 0 年代。欧美国家公民环保意识强以及国家对环境保护的重视， 使其在环保设备的开发与技术研究上遥遥领先于其他国家和地区。美国 2 厦门大学硕士学位论文第一章绪论 h b a r b e r & s o n 公司生产出了第一台沙滩清洁机f 6 】，市场上知名的沙滩清洁车的生 产商均来自于欧美国家，表1 1 中列出了目前市场上沙滩清洁车的知名生产商及 产品系列【7 8 ，9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 。 表1 1 沙滩清洁车主要生产厂家及产品系列 产品生产商公司国别公司产品系列及型号 r p13 0 r p 3 0 0 厂r am 】s 1 ：a r m o r e a u 公司法国 系列 4 7 0 0 x l 4 5 0 0 甩7 4 0 7 5 0 7 c h e r r 烈g t o n 公司 美国 4 0 x l 7 5 9 x l 8 0 0 系列 s u r k f s a n d m a n t u r f j h 。b a r e r & s o n s ，i n c 公司 美国ra k e i i t t e rp i c k e r r o a d r a k e 系列 j u n i o r s u p r a d h o o g h e 比利时m a y m s u p r am a x u m m a c h i n e b o u w 公司 x l m 觚a d o r m e g a d e l f i n e p ba r r ac u d a e e g 公司意大利 s q u a l o b a l e n a o r c a 系列 k a s s b o h r e r b e a c h t e c h g e l a n d e f a h r z e u ga g 公德国 3 0 0 0 2 0 0 0 2 8 0 0 m a r i a 司 沙滩清洁车将清洁宽度小于1 砜功率不超过2 0 k w 的归为小型；清洁宽度在 l m 1 8 m 之间，功率在2 0 k w , - , 6 0 k w 之间的归为中型；清洁宽度大于1 8 i n ，功率 超过6 0 k w 的归为大型。根据牵引方式可分为自行走式、牵引式和手扶式，如图 厦门大学硕士学位论文 沙滩清洁车圆形物料筛分特性仿真研究 1 6 1 8 e 7 , s , g l 所示。 图1 6 比利时d h o o g h e 公司j u n i o r 系列小型牵引式沙滩清洁车 图1 7c h e r r i n g t o n 公司5 0 0 0 系列中型自行式沙滩清洁车 图1 8 美国h b a r b e r & s o n s 公司手扶式小型沙滩清洁车 以m o r e a u 公司r p 3 0 0 型沙滩清洁车为例，计算清扫长度为3 0 公里，平 均宽度为9 m 的沙滩所需要的时间。该型号的最大工作速度是1 5 公里j 、时，清 扫宽度为1 8 m ，以最大工作速度不间断清洁则需要1 0 个小时。而对于海岸边的 4 厦门大学硕士学位论文 第一章绪论 沙滩清洁应在退潮时间，一天之中海潮一般经历两次涨落，在涨落潮之间有6 个小时，那么就需要两辆以上的清洁车不间断工作才能够保证在6 个小时之内完 成清洁工作。若对我国3 2 万公里的海岸线2 0 的沙滩进行清洁则至少需要4 2 0 0 余辆，再将国外的市场考虑在内，沙滩清洁车巨大的市场前景有待开发。 1 2 2 沙滩清洁车垃圾与沙粒分离机构的研究现状 荷兰北海工作组和荷兰旅游委员会在1 9 8 7 年对荷兰总长2 0 9 k m 的沙质海滩 调查发现：平均每公里海滩收集到9 0 0 k g 垃圾，其中7 0 来源于旅游者，其余来 自于海上；塑料占所有海滩垃圾的4 0 ，此外木片和纸片占3 4 t ”l 。 在1 9 9 2 年美国海洋保护中心发表的国际海岸清除结果报告中显示：塑 料是造成海洋垃圾问题最主要和最危险的原因。美国一所海洋保护机构也曾发表 报告称：全球海滩日垃圾3 7 0 0 吨，香烟、塑料袋成海洋环境头号“杀手 ij 4 , j s l 。 山东省潍坊市海洋环境监测中心从2 0 0 7 年到2 0 0 9 年连续三年对白浪河入海 口海滩垃圾进行调查研究发现：潍坊市海滩垃圾主要为极难降解的塑料制品、玻 璃制品、木制品和橡胶制品等，其中塑料制品是比重最大的海洋垃圾。海滩垃圾 的主要来源包括3 种：1 ) 人类在海滩上娱乐、休闲时所丢弃的垃圾；2 ) 人类在 海上从事生产活动所生产的垃圾，涨潮时冲到海滩上；3 ) 陆源入海河流携带而 t ，” 来的垃圾。其中每年塑料类垃圾所占比重分别为4 0 0 、4 6 7 、5 0 0 1 1 6 】。 通过对厦门白城沙滩上收集到的沙滩垃圾调查发现，沙滩上的垃圾主要有游 客遗留下来的烟头、塑料袋、罐头盒、快餐盒、筷子等：海上漂至沙滩的塑料制 品、石块、贝壳、海草；还有沙滩周围树木的落叶等。由于沙土中垃圾成份的复 杂性，沙滩清洁车如何更好地实现垃圾与沙粒的分离成为研究重点。在工程中， 目前沙滩清洁车筛分机构主要有网带振动筛型、被动滤网型、主动棘爪型，图 1 9 1 1 1 t 7 1 为常见的沙滩清洁车三种不同的筛分机构类型，表1 2 对比了三种筛 分机构应用范围及其优缺点。 5 厦门大学硕士学位论文 沙滩清洁车圆形物料筛分特性仿真研究 图1 9 主动棘爪型机构 图1 1 0 网带振动型筛分机构 图1 1 1 被动滤网型筛分机构 翟 厦门大学硕士学位论文第一章绪论 表1 2 沙滩清洁车上常用三种分离机构对比 筛分机构类型 应用范围及优缺点 应用范围：大中小型沙滩清洁车均适用 优点：对干沙中的烟头等细小颗粒垃圾的筛分效果较好， 网带振动筛分 可根据沙土中垃圾的成分灵活更换网带规格。 型 缺点：对湿沙和多海藻、树枝的沙滩的筛分效果较差，质 量大的垃圾个体在网带上容易出现短时滞留 应用范围：常用于大中型沙滩清洁车 优点：对湿沙和多海藻、树枝沙滩的筛分效果较好，对质 主动棘爪型量大的垃圾个体具有较好的筛分效果，筛面沉沙量少静 缺点：对干沙中烟头等细小垃圾的筛选效果不理想，不能 够根据沙土中垃圾的成分灵活更换棘爪规格 凯 应用范围：小型沙滩清洁车，多用于a q w 牵挂或手扶式 ”， 沙滩清洁车上 。” 被动滤网型 优点：小巧灵活，操纵简单，成本低 缺点：应用范围有限，仅适用于沙况较好的沙滩，效率低 1 2 3 网带振动筛在沙滩清洁车上的应用及发展 筛分机械种类很多，按筛面的连动方式划分有固定筛，回转筛，摇动筛和振 动筛。振动筛发源于1 6 世纪，在1 8 世纪欧洲工业革命时期，振动筛分机械得到 迅速发展，振动筛根据物料在筛面上的运动轨迹，可以分为直线振动筛、椭圆振 动筛和圆形振动筛；根据其筛分原理分为普通筛、概率筛和等厚筛。目前，振动 筛在我国已广泛运用于冶金、采矿、交通运输、环保机械等行业中，满足筛分、 输送、给料、脱水、冷却和甄选的工程要求s l 。由于直线振动筛可以对沙滩中 7 厦门大学硕士学位论文 沙滩清洁车圆形物料筛分特性仿真研究 绝大多数的垃圾进行筛分，同时其结构简单、维修方便、成本能耗低，故在沙滩 清洁车上被大量使用。目前，市场上沙滩清洁车的网带振动筛型筛分机构均采用 直线振动筛，部分公司并采用了张紧辊，可根据沙滩的条件调节网带张紧力的大 小以改进筛分效果，如比利时d h o o g h em a c h i n eb o uw 公司的s u p r a m a x u m m a x u mx l 、m a t a d o r 、m e g a 等多款沙滩清洁车上均采用了张紧辊。 1 3 物料振动筛分理论的研究概况 将固体颗粒物料按其大小进行分级的操作通常有筛分和流体分级。利用具有 一定大小孔径的筛面，将固体颗粒物料，按粒径大小进行分级的操作称为筛分。 振动筛分是较严格按照物料的几何尺寸进行的，具有严格的粒度界限。物料颗粒 在筛面上的运动是实现筛分的前提，物料颗粒在筛面上的运动状况对筛分效果起 着决定性的作用1 1 9 2 0 1 。 由于常见沙滩沙土直径小于l m m ，湿沙含水量大于7 ；同时沙土中含有多 种体积、大小、重量不一的垃圾个体，就加大了沙土透筛和垃圾输送的难度。改 进筛分机构在沙滩清洁车上的筛分效果，就需要运用正确的筛分理论，构建合适 的模型，优化筛分机构的工作参数和结构，提高筛分效率。 w k l u g e 研究了筛板运动与筛板上颗粒运动之间的关系，指出筛面的抛射强 度决定了物料颗粒的运动状态1 2 t l ；j b r u d e r l e i n 给出了颗粒碰撞的速度传递公式 2 2 1 ；岩尾俊男系统地研究了物料在振动筛面上的运动，先后研究了单个颗粒在振 动筛中的运动、粒子的运动速度对筛分性能的影响、物料的物理特性与筛分性能 的关系、物料层的运动与筛分性能的关系；兕岛初男研究了振动筛筛孔形状及布 置对筛分性能的影响和j h a 1 e e 研究了物料进入筛选装置的状态对筛选效果的 影响f 2 3 2 4 】。闻邦春提出了单颗粒在筛面上运动的三种形式：相对静止、相对滑动、 抛掷运动瞵1 ；刘初升采用混沌运动理论对单颗粒物料在筛面上的运动进行了理论 分析，得出颗粒在筛面上的运动存在非线性运动 2 6 1 。 8 厦门大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 本课题的研究内容 本课题从我国沙滩清洁车研究现状出发，旨在开发一款适合河海沙滩的中型 沙滩清洁车。从目前厦门市购进的法国m o r e a 公司和德国a g 公司生产的两台 沙滩清洁车使用情况来看。一方面成本高、维修困难，限制了沙滩清洁车的普及 使用；另一方面两款沙滩清洁车各有优劣，前者对大颗粒的垃圾筛分效果较好， 后者对小颗粒的垃圾及干沙的筛分效果较好。本文选取厦门市白城沙滩，应开发 项目的要求，以振动筛网式筛分机构为研究对象，研究的主要内容有： ( 1 )针对筛分机构的不良工况，进行相关理论计算；分析筛面上沙土受 力情况和运动轨迹，找出原因；分析影响筛面上沙土运动规律的相关参数。 ( 2 )利用u g 等建模软件建立筛分机构的三维模型，为了使网带更符合 实际情况，利用柔性化理论将网带离散柔性化，添加约束，选取合理的仿真参数， 利用a d a m s 验证工具和仿真的运动曲线验证模型的有效性。 ： ( 3 )运用多体动力学软件a d a m s a v i e w 模块对沙土中单颗粒沙粒在筛 网上的运动轨迹进行仿真实验，获得其在不同的工作参数下，沙土在振动筛上的 运动状态。分析仿真数据，获得各因素对沙土运动规律的影响程度。对影响筛分 效果的因素进行了9 组正交仿真试验，获得所有因素对沙土运动规律的正交影 响。 咿 ( 4 )利用有限元分析软件a n s y s 对筛分机构的网带、筛分侧板等主要零 部件进行静力学和动力学分析，分析激振辊自身的固有频率对振幅的影响，校核 筛分机构力学和结构设计。 1 5 本章小结 本章介绍了课题研究的背景、研究意义以及目前沙滩清洁车开发研究领域和 市场现状，就目前沙滩清洁车采用的沙土与垃圾的分离机构做了简单概述和对 比。对振动筛分理论的研究现状及筛分机构网式筛分机构在使用中存在的问题作 了简单概述，并给出了本课题的主要研究内容。 9 第二章沙滩清洁车振动筛的筛分理论分析 2 1 沙滩清洁车筛分机构的工作原理分析 图2 1 t 7 】为沙滩清洁车用筛分机构的总装配图，其工作原理为通过液压马达 输出动力给主动滚筒，依靠主动滚筒4 与筛网5 之间的摩擦力带动振动筛网往复 运动，将未透筛的垃圾和沙土输送到尾部液控垃圾倾倒箱中，通过筛网网孔漏沙 以实现沙土的筛分与垃圾的输送。为了增加摩擦系数，同时防止海水腐蚀传动滚 筒，往往在主动滚筒和从动滚筒圆周外表面包了一层橡胶。在网带之间等距离安 装有激振辊1 4 ，加剧沙土的离散运动，利于沙土的透筛，激振辊由主动滚筒通 过皮带轮传动。在主传动滚筒、从动滚筒附件安装了网带托辊1 6 ，在部分沙滩 车的网带回程中部位置安装了张紧辊，并通过张紧弹簧来调节网带的张紧力，以 改善筛分效果。 图2 1 筛分机构总装配图 l o 厦门大学硕士学位论文第二章沙滩清洁车筛分机构筛分理论分析 l 一沙土平整机构2 一液控垃圾倾倒箱3 一行驶信号灯4 一主传动滚筒5 一 振动筛网6 一液压油泵阀7 、8 、9 一动力输出装置p t o1 0 一过滤器1 l 一拨沙机 构1 2 一从动滚筒1 3 一连接侧板1 4 一激振辊1 5 一加强方管1 6 一托辊 2 2 筛面沙土运动情况的理论分析 图2 2 为筛网式筛分机构基本原理图，网带沿着倾角为的斜面以速度v o 往 上反复地输送筛分，网带筛分总长度为厶；激振辊6 、7 、8 与从动滚筒之间的 中心距离分别为厶、厶、厶；在回程的网带部分则安装了托辊5 和张紧辊3 、4 ， 其中3 可根据筛分效果调节张紧力；激振辊的振动方向线与网带之间的夹角为 9 ；拨沙机构使质量为历的沙土以速度y 抛出，与水平方向成a 角；其抛出位置 巍h1 与网带输入端的水平距离为三，垂直距离为h ；网带与主动滚筒和被动滚筒晓 角分别为屈、殷，沙土所受空气阻力为厂。 图2 2 筛分机构筛分原理图 1 一沙土颗粒2 一从动滚筒3 、4 一张紧辊5 一托辊6 、7 、8 一激振辊 9 一网带1 0 一主动滚筒 蟊一：母 弘一 为了数学模型的建立，激振辊的外形选择为正弦式，激振辊对筛网任一位置 点的工作位移都可用式( 2 1 ) 表示： s=asinc of c o t = 9 ( 2 1 ) 1 1 厦门大学硕士学位论文 沙滩清洁车圆形物料筛分特性仿真研究 为： 式中：a 一筛面沿振动方向单振幅一激振辊圆周频率 f 一时间9 一振动相位角 筛网在x 方向自运动位移为： s = r o t 将筛网的合位移分解得： x 方向位移： y 方向位移： s l = a , c o s 6s i n c o t + r o t s y = s i n 3 s i n c o t ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 对时间分别求一次、二次导可得网带在x 方向和y 方向速度和加速度分别 x 方向速度及加速度： 圪= i c o c o s 8 s i n c o t + v o q = 一九2 c o s ss i nc o t y 方向速度及加速度： 巧= & c o s i n 8 s i n c o t a y = 一l e 0 2 s i n ss i n c o t ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 图2 2 为沙土受力图，沙土对筛面作相对运动，在x 方向和y 方向相对位移 为x 、a y ，相对速度为x 、z x y ；相对加速度为x 、z x y 。 沙土在x 方向所受惯性力和重力的合力为： 1 2 厦门大学硕士学位论文第二章沙滩清洁车筛分机构筛分理论分析 互= 朋( q + x ) 一g s i n a o ( 2 9 ) 沙土在y 方向作用于筛面的正压力为： 互= 聊( 嘭+ a y ) + g c o s a o ( 2 1 0 ) 其中g 为沙土重力，m 为沙土质量。 2 2 1 沙土正、反向滑动运动分析 当沙土相对工作平面做滑动时，应满足正压力e 0 ，相对加速度 a y = 0 ；当沙土出现抛掷运动时，应满足正压力最= 0 ，沙土相对加速度 a y 0 。沙土与筛面保持接触时，筛面对沙土的极限摩擦力为： 磊= 二最 ( 2 i i ) 其中“+ 号代表反向滑动，“ 号代表正向滑动 滑动开始时，沙土对筛面的相对加速度x = 0 ；同时由于未出现抛掷运动， a y = 0 。即有： e + e = 0 ( 2 1 2 ) 将式( 2 6 ) 代入式( 2 9 ) ，将式( 2 7 ) 代入( 2 1 0 ) ，并将( 2 1 1 ) 带入( 2 1 2 ) 可得其运动方程为： 7 砌2 k c o s 6s i n o d t - g s i n c t o - t - f o ( - v t 0 2 k s i n 5s i n c o t + g c o s t x o ) = 0 ( 2 1 3 ) 其中f o = t a np o ( 为静摩擦角) ，g = m g 。 由式( 2 1 3 ) 求得沙土在筛面上开始出现正向滑动的相位角讫。应满足： 1 3 厦门大学硕士学位论文沙滩清洁车圆形物料筛分特性仿真研究 化简得： s i n = 霜g ( f 西oc 。s 而a o + i s i n 丽a o ) ( 2 1 4 ) 一 蔫耥 眩 利用矩阵分析软件m a t l a b 可给出沙土静摩擦角心、筛面倾角倪o 、筛面振 动方向角6 对正向滑动开始相位角眈。的影响如图所示： 正向滑动开始相位角与静犀擦角关系曲线图 01 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 沙土与筛面的静摩攘角 图2 3 正向滑动开始相位角纯。与o 的关系 图2 4 正向滑动开始相位角红。与a o 、艿的关系 1 4 加 加 援趔罂彀嗷蒋茸l厘肖 厦门人学硕士学位论文第二章沙滩清洁车筛分机构筛分理论分析 0 图2 5 与万对正向滑动开始相位角纪。的正交影响 静摩擦角与筛面倾角对沙土正向滑动开始相位角的正交影晌曲线 1 叩 图2 6 与风对正向滑动开始相位角纯。的正交影响 静摩擦角与撅动方向南对正向滑动开始相位角的正交影喃由线 图2 7 风与万对正向滑动开始相位角纪。的正交影响 1 5 1 0 0 1 嚣 加 佰 佃 5 0 毂牮罂薮敬需骢世肖 侣 5 加 加 竹 0 m 援掣罄搬圭蒋班定陶 厦门大学硕十学位论文沙滩清洁车圆形物料筛分特性仿真研究 从图2 3 2 4 可看出，沙土的静摩擦角越大，就越有可能出现正向滑动，这就是 沙土中易拉罐、酒瓶等不易正向滑动筛分的原因所在。相比，振动方向角与筛面 倾角则不同，振动方向角在0 , - - 6 0 。之间时，沙土在筛面上出现正向滑动的开始 相位角基本不变；当大于6 0 。时，沙土则开始出现正向滑动延迟。而筛面倾角 在0 。一6 5 。之间时，沙土在筛面上出现正向滑动的开始相位角随之增大而增大； 当大于6 5 。，由于沙土的静摩擦渐渐转化为动摩擦，相位角则基本不变。同时， 从图中亦可看出，更利于沙土正向滑动的参数依次为振动方向角、筛面倾角和静 摩擦角。 从静摩擦角、振动方向角与筛面倾角的正交影响图2 5 2 7 来看，如果仅考 虑要使所有沙土正向滑动，改变振动方向角和筛网材料决定的静摩擦角更有利， 筛网上沙土正向滑动的开始相位角在很小的范围内变化。 沙土在筛面上开始出现反向滑动的相位角缈厂。应满足： s i n = 盟孚坠互竺掣 ( 2 1 6 ) s 纷。= 翥丽忑厕 眈j 化简得： 纷。一i一一gsin(to-ao)=arcsin k#u u i 纷。 一瓦写而i 心j 7 利用矩阵分析软件m a t l a b 可给出沙土静摩擦角o 、筛面倾角、筛面振 动方向万对反向滑动开始相位角纷。的影响如图所示： 静_ 绋角匈砖曲l 滑动开怕_ 日旺角的，弓曲毛虹图 ” ”移士；铬砸的- 盎捧角 一m!i g，r 图2 8 反向滑动开始相位角纷。与风的关系 1 6 厦门人学硕十学位论文第二章沙滩清洁车筛分机构筛分理论分析 5 l 叩 援印 蓁4 0 蒋 鐾：2 0 哒 0 瓣面倾角。撮动方向角与反向滑动开始相位角的关系曲线圈 n 啊l 摄动方向膏 一一， 厂， 01 0 2 0 1 0 4 0 1 0 3 04 05 07 0 筛面侦角( 壬爱动方向南矿 图2 9 反向滑动开始相位角纷。与口o 、万的关系 静犀擦角与筛面倾角对反向滑动开始牛甘位角的正交影哺由线 图2 1 0 口。与o 对反向滑动开始相位角 1 ( 2 1 9 ) 旯国2c o s ( t o + 万) 1 8 厦门大学硕士学位论文第二章沙滩清洁车筛分机构筛分理论分析 当沙土在筛面上正向滑动后，其运动方程可表示为： m ( z x x + a x ) = 一g s i n a o z e ( 2 2 0 ) 其中彳= t a n 2 1 为动摩擦系数( “为动摩擦角) 将式子( 2 6 ) 、( 2 8 ) 、( 2 1 0 ) 代入( 2 2 0 ) 式积分可得沙土在x 方向上正向 滑动时，初始条件为f = 0 ，z x x = 0 ，沙土相对筛面的速度x 为： 主= 儿入2 ( c 。s 6 + z s 1 n 6 ) s i n c o t - g ( s i n0 c 。+ 彳c 。s 仅。) 以 = a c o ( c o s t 5 + f ls i n t $ ) - g ( s i n a o + f lc o s a o ) t - a c o ( c o s d ；+ f ls i n s ) c o s c o t ( 2 2 1 ) 将x 对时间t 积分可得沙土相对筛面的运动位移a x 为： 血叫c o s 8 + 倒n 6 饥) 一世墅鼍等必一 z ( c o s a + 彳s i n 6 ) ( s i n c p - s i n a p , ) ( 2 2 2 ) 其中织为沙土开始滑动时刻的初始相位角。 沙土正向滑动过程中，沙土相对筛面的平均速度矿1 ： v l = 一c o a x ( 2 2 3 ) 2 7 r 其中国为筛面振动的圆周频率。 同理，当沙土在筛面上反向滑动后，初始条件为f = 0 ，z x x = 0 ，根据运动方 程可得沙土在x 方向上反向滑动时，沙土相对筛面的速度x 为： 1 9 厦门大学硕士学位论文 沙滩清洁车圆形物料筛分特性仿真研究 二= 儿九2 ( c 。s 6 + zs i n 6 ) s i n c o t g ( s i n 仅。+ 石c 。s 仅。) 衍 = 允烈c o s 6 + 石s i n 6 ) 一g ( s i n 仅o + f lc o s a o ) t - x c o ( c o s s + fs i n 8 ) c o s c o t 将z x x 对时间t 积分可得沙土相对筛面的运动位移a x 为： ( 2 2 4 ) 缸叫c o s 5 + 倒n 6 饥) 一鲤堕唑笋蚴 - a , ( c o s8 + 彳s i ns ) ( s i na p s i n t p , ) ( 2 2 5 ) 沙土反向滑动过程中，沙土相对筛面的平均速度y 2 ： 唬= 警 2 2 3 沙土抛掷运动分析及其运动条件 ( 2 2 6 ) 沙土在筛面上开始出现抛掷运动时，在y 方向相对加速度和正压力应满足： 由式( 2 8 ) 、( 2 1 0 ) 可得： a y = 0 ，疋= 0 ( 2 2 7 ) 一聊九2s i n 5s i n o d t + g c o s a o = 0 ( 2 2 8 ) 由式( 2 2 5 ) 即可求得开始出现抛掷运动的相位角： q ) p - 删n 嚣蒜 ( 2 2 9 ， 利用矩阵分析软件m a t l a b 可给出筛面倾角仅o 、筛面振动方向艿对抛掷运动 开始相位角的影响如图所示： 2 0 厦门大学硕十学位论文第二章沙滩清洁车筛分机构筛分理论分析 7 0 6 ；0 5 0 援 蓑一。 彀 意3 0 1 例 萎2 0 1 0 0 筛分倾角振动方向结对抛掷运动开始相位鸯的影喃曲线 筛分镇角l 擐动方向角i 1 r 一 “ l 一、 、 、_ 一 一产 、 ： 、 02 03 04 07 0 筛分俩角( 振动方向角) ， 1 0 0 图2 1 3 和j 对抛掷运动开始相位角砟的影响 筛分倾角和振动方向角对抛掷运动开始相位南的正交彰哺曲线 图2 1 4 口。和万对抛掷运动开始相位角作正交影响 从图2 1 3 可看出，筛面倾角在较小值时，对抛掷运动开始相位角影响较大， 反观振动方向角越大越有利于抛掷运动的出现。从图2 1 4 可看出，振动方向角 和筛分倾角在一定范围内选取时，沙土在筛面上均会出现比较规律的抛掷运动。 由式可知要使沙土在筛面上开始出现抛掷运动，则必须满足条件： o 婴1( 2 3 0 ) a g o 。s md 当沙土离开筛面，由式( 2 1 0 ) 可得沙土在垂直于筛面向相对运动方程为： 2 1 厦门人学硕士学位论文 沙滩清洁车圆形物料筛分特性仿真研究 m a y = 一g c o s 口o + m 0 0 2 2 s i n 8 s i n c o t ( 2 3 1 ) 对时间f 积分，初始条件为t = 0 ，a y = m ；求得沙土相对于筛面垂直方向 运动速度y 为： a y = m - ( gc o s a o ) t + 2 r o s i n6 c o s c o t 一2 c o s i n8 ( 2 3 2 ) 由式( 2 2 9 ) 对时间f 积分可得沙土在y 向相对位移a y 为： 妙= 业型一g c o s 丁a 0 ( 缈2 - g 2 ) + - 2 s i n 文s i n 驴p - s i n e ) 一a 血脚一纬) 1 02 矗 、。、 j ( 2 3 3 ) 当沙土在筛面上y 向相对位移a y 重新为零时，抛掷运动结束，此时的振动 相位角为，与纬之间的差值记为巳，可由( 2 3 3 ) 可求得与纬之 间的关系为： c o t = 一 旺3 4 ， 沙土离开筛面后，沿x 向运动方程为： 聊一+ 刁一馏s t n 他3 5 ， 对时间f 积分，初始条件为t = 0 ，a x = 屹；代入式( 2 6 ) 求得沙土在x 向 相对运动速度主为： a x = 一2 c o c o s 8 c o s t o t g s i n c t o + v 2 + 2 c o c o s 8 ( 2 3 6 ) 厦门大学硕士学位论文第二章沙滩清洁车筛分机构筛分理论分析 缸= 九c o s 6s i n ( q ) 一( p ) + 堕丝竺尘竺坐捌( 2 3 7 )x = 九c o s 6 一( p 口) + 二兰! 1 2 二_ 兰 ( 2 3 7 ) c o 此时，沙土进行抛掷运动的理论平均速度v s ： 吃= 警 2 3 筛分过程中不良工况原因分析及解决办法 2 3 1 垃圾在筛面上反向滑动或相对静止不能输送的原因分析 ( 2 3 8 ) 于网带的方向上反复跳动，振动网带对这些大质量的物体输送筛分困难。 1 ) 若沙土相对筛面静止，即沙土在筛面上没有相对滑动，则应满足条件： r 薪g s i 丽n ( a o + o t o ) 1 i 九2c o s fu n 一61 。 l 掣螋 1 ( 2 3 9 ) l 九2c o s ( p t o + 6 ) 一“ a , c 0 2t o s s t a n p o g c o s o g o ( 2 4 0 ) 由式( 2 4 0 ) 可知，沙土在筛面上出现相对静止的原因与物体质量的大小无 关，而是与f 0 、6 、a 0 、c o 和九有关，因此沙土中部分垃圾在筛面上出现不能 够输送筛分的原因是由于垃圾与筛面的静摩擦系数过大。解决方法可以从两个方 面考虑：一是尽可能准确地确定垃圾与筛面的静摩擦系数，从而选择更恰当的相 关运动学设计参数；二是根据垃圾与筛面的静摩擦系数，利用材料特性减少静摩 擦系数，或增大九、国、艿和倪f ，。从理论计算上来看，即可避免此不良工况的 厦门大学硕士学位论文 沙滩清洁车圆形物料筛分特性仿真研究 出现。 2 ) 若沙土在筛面上出现反向滑动，则应满足条件： o 羔掣鲤1 ( 2 4 1 ) 九2c o s ( 肛o + 6 ) 同样从式( 2 4 1 ) 可得出沙土在筛面出现反向滑动的原因与物体的质量大小 无关，而是与f o 、6 、口o 、国和a 等参数有关。若沙土在筛面上出现反向滑 动，不利于提高振动筛的筛分能力，但是从筛分效果来看，反向滑动增加了沙土 在筛面上的透筛时间及频率，有利于沙土分离，改善对湿沙的筛分效果。 2 3 2 垃圾在筛面同一位置上反复跳动的原因分析 部分垃圾在筛面上出现短时反复跳动时，若沙土中有大量此类垃圾，就会造 成筛分效率下降，容易发生瞬间堵塞塞孔，因此这种情况需要引起重视。沙土在 筛面上开始出现抛掷运动，则必须满足式( 2 4 2 ) 的条件： 0 羔孚塑l ( 2 4 2 )尘 旦l( 2 4 2 ) z ( 九s i nd 从式( 2 4 2 ) 中可知，沙土在筛面上出现抛掷运动与物体质量的大小和筛面 的摩擦系数无关。6 、口o 、缈和允决定着沙土在筛面的抛掷运动规律。部分垃 圾出现短时反复跳动的原因是由于这些垃圾一般是体积、质量较大的个体，在筛 面上与其他垃圾容易发生接触碰撞造成的。对于这样的情况，可以从两方面考虑， 一是在保证筛分效率不变的情况下，增加筛面的工作宽度和长度，尽量避免沙土 中各种垃圾成分之间的碰撞对垃圾运动轨迹的影响；二是增大振动筛的振幅和振 动圆频率，使沙土发生碰撞的时间延迟或滞后，但是增大振动筛的振幅和振动圆 频率会使筛分机构的振动强度增加，降低振动筛的使用寿命。 2 4 本章小结 本章通过建立数学模型，对筛面上的沙土进行运动学和动力学相关的理论计 2 4 厦门大学硕士学位论文第二章沙滩清洁车筛分机构筛分理论分析 算，分析沙土在筛面上的运动情况。对沙土在筛面上会出现的正向滑动、反向滑 动以及抛掷运动产生的条件进行了计算分析，通过矩阵分析软件m a t l a b 给出了 筛分倾角、静摩擦角、振动方向角等设计参数各自对三种运动情况的影响以及相 互之间的正交影响，从而为振动筛的设计提供参数的选择依据。对于直线振动筛 分机构的的不良工况，进行了理论计算和阐述，并提出了解决这些问题应采取的 办法及措施。 第三章筛分机构虚拟样机模型的建立及验证 通过第二章的理论计算分析，得出了沙土运动规律的影响因素。利用虚拟样 机技术可以更好地模拟实际的沙土运动情况，分析各因素对沙土的运动规律的影 响大小。a d a m s ( a u t o m a t i ed y n a m i ca n a l y s i sm e c h a n i c a ls y s t e m ) 是较权威的机 械系统虚拟样机仿真设计软件，工程中可利用a d a m s 交互式图形环境、零件 约束、力库等建立机械系统三维参数化模型，并通过对其运动性能进行高精度逼 真的仿真分析和比较，研究“虚拟样机一可供选择的多种设计方案p 刀。本章将建 立基于a d a m s 的筛分机构仿真模型并进行模型验证，测试模型的正确性。 3 1a d a m s 的求解数值原理及发散处理方法 3 1 1 求解数值原理分析 了解a d a m s 的求解的原理和方法，可以更好地设置和选择求解的相关参 数来合理地利用其求解功能。a d a m s 采用不独立的广义坐标，系统动力学方程 是最大数量但却高度稀疏耦合的微分代数