（机械电子工程专业论文）烟丝振动分选筛动态特性研究.pdf

摘要 摘要 针对烟丝振动分选筛在实际运行工况下各层筛网振幅不一致的问题，本文采 用现场测试、理论分析和动力学仿真相结合的方法，以郑州嘉德机电科技有限 公司生产的y q 2 型烟丝振动分选筛为研究对象，在掌握其各层筛网的振动规律 的前提下，首先对其组成结构和工作原理进行研究，建立其力学模型，求解其 运动学及动力学参数。 其次对烟丝振动分选筛进行现场振动测试，以烟丝振动筛的塑料板为测试对 象，利用加速度传感器采集信息，通过快速傅里叶变换和加速度在频域上的二 次积分( f f t - f d i ) ，得到振幅特性分析的位移时程曲线，确定其产生振幅不一致 性的原因。对塑料板的刚度进行测定，进行机械系统固有特性的计算，筛选出 质量一致，刚度相近的塑料板，并提出三种测试方案，分别进行振动测试，最 终筛选出满足振幅均匀性的各层筛网塑料板刚度。 然后基于l a g r a n g e 动力学方程建立了烟丝振动分选筛某一层筛网的数学模 型一3 自由度动力学模型，描述了筛网在各弹簧刚度一致情况下的强迫振动特 性，对该动力学模型下的烟丝振动分选筛固有频率进行分析，推导出系统固有 频率对系统的某个物理量变化的灵敏程度的解析表达式，找出激振点的位置对 振幅特性的影响。 最后采用m a t l a b s i m u l i n k 软件对烟丝振动分选筛的瞬态共振现象进行了动 力学仿真分析，测得工作状态和共振状态时的仿真曲线，包括速度和位移曲线， 并在理论上对共振现象进行了分析。 通过对v q 2 型烟丝振动分选筛的现场测试及动态特性分析，为烟丝振动分 选筛的参数优化和开发下一代产品提供合理可靠的实测数据和理论依据，也为 其它类型的振动筛的参数优化提供了一个可靠的研究方法。 关键词：烟丝振动分选筛；振动测试； 动态特性；s i m u l i n k a b s t r a c t a b s t r a c t b e i n ga i m e da tt h et o b a c c ov i b r a t i o ns i e v ei no p e r a t i o np r o c e s so fs e p a r a t i o n ， t h e r eh a sb e e nt h ep r o b l e mt h a tt h ev i b r a t i o na m p l i t u d eo fe a c hl a y e rs i e v ei sd i f f e r e n t t h em e t h o do fc o m b i n i n gt h ef i e l dt e s t , t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ed y n a m i c s i m u l a t i o nw a sa p p l i e d t h ey q - 2o ft h et o b a c c ov i b r a t i o ns i e v em a d eb yz h e n g z h o u g u a r d i a ne l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a lt e c h n o l o g yc o ，l t dw a st a k e na st h er e s e a r c h o b j e c t f i r s t l y , u n d e rt h ep r e m i s eo fm a s t e r i n gt h ev i b r a t i o nr u l eo ft h ee a c hl a y e r s i e v e ，t h es t r u c t u r ea n dt h eo p e r a t i o np r i n c i p l ew a sr e s e a r c h e da n dt h em e c h a n i c a l m o d e lw a se s t a b l i s h e di no r d e rt os o l v et h ek i n e m a t i ca n dd y n a m i c sp a r a m e t e r s s e c o n d l y , t h es c e n ev i b r a t i o nt e s tw a st a k e nf o rt h et o b a c c ov i b r a t i o ns i e v e t h e p l a s t i cb o a r d so ft h et o b a c c ov i b r a t i o ns i e v ew e r ec h o s e na st h et e s to b j e c t s t h e a m p l i t u d er e s p o n s eo ft h et i m e d i s p l a c e m e n tc u r v eo ft h ep l a s t i cb o a r d so b t a i n e db y a c c e l e r a t i o ns e n s o ra n df r e q u e n c y d o m a i ni n t e g r a lb a s e do nf f tf i l t e r i n g ( f f t - f d i ) w a sa n a l y z e dt od e t e r m i n et h er e a s o no f u n e v e n n e s so f t h ea m p l i t u d e t h es t i f f n e s so f t h ep l a s t i cb o a r d sw a se v a l u a t e dt oc a l c u l a t et h en a t u r a lc h a r a c t e r i s t i e s t h e w e l l - p r o p o r t i o n e dq u a l i t yp l a s t i cb o a r d sw e r es c r e e n e da n dt h r e et e s tp l a n sw e r ep u t f o r w a r di no r d e rt oc a l c u l a t et h es t i f f n e s so ft h ep l a s t i cf i l l e dw i t ht h eu n e v e n n e s so f t h ea m p l i t u d e a n dt h e nb a s e do nl a g r a n g ed y n a m i c se q u a t i o n ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l 一3d o f d y n a m i c sm o d e lo fas c r e e nm e s ho ft h et o b a c c ov i b r a t i o ns i e v ew a se s t a b l i s h e d t h e f o r c e dv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i cw a sd e s c r i b e db yt h em o d e lu n d e rt h es a m es i t u a t i o no f u n e v e n n e s ss p r i n gs t i f f n e s so fe a c hs c r e e n t h en a t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h et o b a c c o v i b r a t i o ns i e v ew e r ea n a l y z e di no r d e rt od e d u c et h ea n a l y t i c a le x p r e s s i o n so ft h e n a t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sw i t ht h es e n s i t i v ed e g r e eo ft h ec h a n g eo fac e r t a i np h y s i c a l q u a n t i t i e sa n dt h e e f f e c to ft h ep o s i t i o no ft h ee x c i t e rs t a t i o n so nt h ev i b r a t i o n a m p l i t u d ec h a r a c t e r i s t i c s f i n a l l y , b a s e do n m a t l a b s i m u l i n ks o r w a r e ，t h es i m u l a t i o na n a l y s i so ft h e t r a n s i e n tr e s o n a n c ep h e n o m e n o no ft h et o b a c c ov i b r a t i o ns i e v ew a sp e r f o r m e di n i i a b s t r a c t o r d e rt oo b t a i nt h ed y n a m i cs i m u l a t i o nc u r v eo fs p e e da n dd i s p l a c e m e n tc u r v e i n c l u d i n gt h es p e e da n dd i s p l a c e m e n tc u r v e t h u st h er e s o n a n c ep h e n o m e n o nw a s t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ef i e l dt e s ta n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fy q 一2o f t h e t o b a c c ov i b r a t i o ns i e v e ，t h er e l i a b l em e a s u r e dd a t aa n dt h e o r e t i c a lb a s i si sp r o v i d e d f o rt h es o r t i n go p t i m i z a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to f t h en e x t - g e n e r a t i o np r o d u c to f t h e t o b a c c ov i b r a t i o ns i e v e i nt h em e a n t i m e ，t h er e s e a r c hm e t h o d sc a l lb ea l s oa p p l i e dt o o t h e rt y p e so f v i b r a t i n gs c r e e nf o rt h ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：t o b a c c ov i b r a t i o ns i e v e ；v i b r a t i o nt e s t ；d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ； s i m u l i n k i i i 1 绪论 1绪论 1 1 课题的研究背景与意义 随着我国经济的高速发展和科学技术的快速进步，经煤炭、化工、有色矿山、 水泥、钢铁、发电、铁矿等行业发展的拉动，振动筛分机械在近3 0 年来得到迅 速发展的一种新型机器，并在市场上有着很大的需求量。目前已广泛运用于采 矿、冶金、煤炭、石油化工、水利电力、轻工、建筑、水泥、交通运输和铁道等工业 部门中，用以完成各个行业各种不同的工艺过程。 在烟草行业，随着新技术、新工艺的应用，制丝生产过程发生了变化，对烟 丝结构的定义也发生了变化，对烟草生产过程的检测越来越重视，对质量检测 工作的标准化、规范化要求也相应的越来越高。在短短几年时间内，一大批行 业标准进行了更新，相应的，与质量检测相关的仪器、设备等也迅速升级换代。 郑州烟草研究院在第一代烟丝振动分选筛的基础上重新研发出t y q 2 型烟丝 振动分选筛，用于卷烟企业评价相关工序的生产水平以及指导相关过程控制。 随着y c t 1 7 8 2 0 0 3 烟丝整丝率、碎丝率的测定方法标准的修订、颁布与 执行，y q 2 型烟丝振动分选筛成为目前市场上唯一符合现行行业标准的烟丝振 动分选筛，市场潜力巨大。 目前，v o 2 型烟丝振动分选筛为减少启动或者停车时过共振区的振动幅值， 缩短开车和停车时间，采用的是具有较好的支承作用，又有较高弹性的橡胶弹 簧，但由于橡胶弹簧的具有很高阻尼，并且散热性能差，导致其稳定性能差，容 易引其各层筛网振幅的不均匀性和不一致性，影响烟丝振动分选筛的振幅均匀 性和筛分效果。因此，本课题从研究系统的组成结构和工作原理开始，对烟丝 振动分选筛的进行了现场测试，分析产生振幅不一致的原因；在理论上推导出 系统固有频率对系统参数变化的灵敏程度的解析表达式；通过用m a t l a b s i m u l i n k 软件对烟丝振动分选筛的瞬态共振现象进行了仿真，为烟丝振动分选筛的参数 优化和开发下一代产品提供合理可靠的实测数据和理论依据。 1 2 振动筛分机械的发展现状和未来发展趋势 随着全球经济的高速发展和科学技术的快速进步，振动筛分机械得到迅速的 l 1 绪论 发展，而振动筛是振动筛分机械中发展最快、市场需求量很大、结构相对复杂 的筛分设备，它是利用振动把不同颗粒大小的混合物料通过多孔工作筛面，按 照粒度进行分级的机械乜剖。 1 2 1振动筛分机械的发展现状 在国外筛分设备的发展已有3 0 0 多年的历史，在此之前，物料的筛分主要 采用人力筛分。英国从1 6 世纪开始对筛分设备的进行了研究，并诞生了世界上 第一个用于煤炭工业的筛分机械一固定筛；并且在1 8 世纪的欧洲工业革命时期， 受到当时工业发展迫切的需求，筛分机械设备得以快速发展；在1 9 世纪初，有 一部分矿山企业和煤矿企业开始使用比较完善的振动惯性筛，如圆筒筛、摇动 筛h 1 。 目前，许多国外的知名振动筛企业进驻中国，如申克公司，德国j o e s t 、 美卓矿机m e t s o 、杰弗朗机械t r i o 、耐纳特、美国马丁m a r t i n 、美国艾尔吉 e l g i n 、泰勒振动筛t y l e r 、宾得利曲张筛b w i t e c 、德瑞克d e r r i c k 、阿盖尔振动 设备等知名企业，这些企业凭借着领先的设计技术及先进的制造工艺技术，不但 可以制造出适用于各种行业、不同领域和规格多样的筛分机械，而且能生产出 了可靠性好、效率高的大型和特大型振动筛。但不得不提到的是，从国外进口 设备价格比较高，一般的振动筛分设备至少是国产同类型设备价格的3 倍，尤 其是在大型设备上更是达到国产同等型号价格的8 1 0 倍睁们。 我国的筛分机械在引进、消化和吸收国外先进技术的基础上发展起来的， 虽然在振动筛分机械的研究方面也取得了一些很不错的成就，研制出了多种规 格的振动筛，包括电磁振动细筛、高频振动筛和曲面筛等一些达到国际先进水 平的产品，可是从整体来讲，我国的筛分技术仍落后于国外十年甚至更多的时 间盯1 。由于工业基础差，科研设计能力薄弱，制造工艺水平落后等原因，在近 6 0 年，我国筛分机械经历了从无到有，从d , n 大，从落后到先进的发展过程， 从总体上可以分三个阶段饵1 ：仿制阶段、自主研发阶段及提高阶段。目前国内的 筛分机械制造企业已经从仿制阶段走过自行研制阶段到今天的引进提高阶段， 但引进国外先进技术后基本处于消化吸收的层次，很少有自己的特色创新，所 以在国内国际两个市场非常缺乏自主的品牌；技术创新能力严重缺乏，全国具有 独立研究开发新产品能力的企业不多，每年开发的新产品，无论是质量和档次 上都同国际先进水平企业有较大差距。 2 1 绪论 1 2 2 振动筛分机械发展趋势 国外筛分设备仍以发展振动筛为主，振动筛向标准化、通用化和系列化方 向发展阳1 ；向大型化方向发展，最大到5 5 平方米；增大筛面倾角，提高筛分效 率；发展细粒筛分设备，筛孔尺寸小到0 1 - - - 0 3 毫米；旋流筛使用逐渐增多； 共振筛发展停滞。 目前，国内积极开展筛分技术研究，提高原煤干式深度筛分技术，降低分 级下限和增加煤炭品种，着重解决粒度细、水分高和粘度大的难筛物料的分级 技术；为满足大露天矿选的需求，研制重型分级筛，适用于5 0 0 毫米以下物料 筛分；为提高筛板的寿命和效果，着重发展焊接筛网，非金属筛面；共振筛有 被淘汰之势，大力发展块偏心圆振动筛和直线振动筛。综合国内筛分机的状况， 筛分机械应向以下几个方向发展“： 1 、向高效率高产量化发展：工业的现代化进程促使企业经营范围变大，制 砂设备生产能力有了飞跃式的提高，并与高效高产能筛分机配套。 2 、向尺度化、系列化、通用化发展：这是便于计划、构造专业化生产、保 证质量和低成本的途径。根据振动筛的三种不同运动轨迹( 圆、直线、椭圆) ， 并针对不同经济领域中各行业的特殊要求，采用不同的筛分方法，形成了各种 不同形式的振动筛分设备，并促使其在不同的工业部门中迅速得到应用。 3 、振动强度的增大：筛机的振动进程渐渐强化，即提高筛机的振动参数， 以取得较大的速度和加速度。 4 、向轻型、环保、布局简化的方向发展：随着工业部门对振动筛要求的不 断提高，老式振动筛将逐渐被淘汰，新型振动筛为达到工业、化工等部门的要 求应向轻型、环保、布局简化的方向发展。 1 3 振动筛机械系统建模和实验研究 振动筛机械系统的振动特性和动力学参数对筛分工艺有重要影响，近3 0 年来振动筛的研制已取得了可喜的进步，一方面致力于对现存振动筛分机械的 进行结构调整和动力分析；另一方面瞄准新颖的设计目标，探求合理的 结构型式、动力配置和动力学参数，以便更好的对推动筛分机械的推广n 引。 3 1 绪论 1 3 1 振动筛机械系统建模研究 振动筛的应用场合广泛，规格类型比较多，但根据机械系统结构的力学原 理，主要分为两大类：单质体和双质体。在工程中比较常用的振动筛的研究大 都是采用单质体集中力量力学模型，构成单自由度线性振动系统u 3 1 副。对有 二次隔振功能的振动筛和弹性连杆式振动筛，通常采用双质体集中力学模型， 构成二自由度振动系统n 8 1 。由于对振动筛摆振问题进行研究时，需要考虑 振动筛几何尺寸和质量分布的角位移参数，此时集中质量力学模型因无法描述 筛体的摆振而失效，从而采用连续体力学模型n 争2 。从目前现有的研究方法来 看，一般采用刚性平板力学模型进行解析求解，研究振动筛结构强度、刚度和 各阶固有模态时，也采用连续体力学模型。对于大型振动筛结构的弹性体力学 模型，目前大都采用离散化数值方法，例如有限元模态分析法啦争2 钔。 1 3 2 振动筛机械系统实验研究 要解决各种各样的振动及动态特性问题，除了对振动理论分析外，研究系统 的动力学特性，分析产生振动的原因，考核设备适应振动与环境的关系，对结 构、系统和设备进行振动测试实验与信号分析是必不可或缺的重要手段乜引，因 此振动筛机械系统动力学实验在振动筛的研究与应用中具有十分重要的意义。 振动测试实验的目的，是在实验中作一连串可控制的振动模拟，检验理论分析 结果是否正确，结构设计是否合理以及各主要参数是否达到设计要求。振动筛 机械机械系统的测试实验内容主要有堙螂1 ：( 1 ) 振动筛的固有频率和振型；( 2 ) 筛 机的振幅，直线筛和椭圆筛长轴的振动方向角；( 3 ) 传给基础的动载荷或传递率； ( 4 ) 自同步直线筛双激振器的相位差，同步性与同步稳定性；( 5 ) 振动筛的重心； ( 6 ) 筛箱的试验模态；( 7 ) 筛箱摆振的摆幅和摆振频率；( 8 ) 振动器的工作频率； ( 9 ) 弹簧的刚度；( 1 0 ) 振动筛的噪声；( 1 1 ) 振动筛的起动与停车时间；( 1 2 ) 电机的 空、满载功率；( 1 3 ) 筛板的二次振动；( 1 4 ) 筛箱横梁与侧板的静、动应力等。 1 4 课题的研究内容 本课题以河南省郑州嘉德机电科技有限公司生产的y q 一2 型烟丝振动分选筛 为研究对象，对其塑料板刚度和各层振动筛振动频率、幅值进行测试，进行了 动态特性分析研究。 4 1 绪论 本文的主要研究内容如下： 第一章介绍了振动筛分机械的发展现状和未来的发展趋势、振动筛机械系 统建模和实验研究。 第二章首先对烟丝振动分选筛的组成结构和工作原理进行研究，建立起其力 学模型，计算出必要的动力学及运动学参数。 第三章是振动测试，主要介绍了振动测试的相关概念，尤其是采用自由振动 法，对塑料板的刚度进行测试，并提出三种测试方案。完成对烟丝振动分选筛 的振动测试，确定影响振动幅值不一致性的原因。 第四章是实验数据处理和分析，主要研究了基于频域滤波的加速度信号处 理，并应用该方法对采集数据进行处理。对第三章提出的三种测试方案进行了 测试，筛选出满足振动幅值均匀性的塑料板刚度。 第五章建立了烟丝振动分选筛某一层筛网的数学模型一3 自由度动力学模 型，并采用m a t l a b s i m u l i n k 软件对瞬态共振现象进行了研究。 第六章总结了论文所做的工作，并对进一步研究进行展望。 5 2 烟丝振动分选筛力学模型的建立及参数的选择 2 烟丝振动分选筛力学模型的建立及参数的选择 2 1 烟丝振动分选筛的结构组成及工作原理 烟丝振动分选筛就是通过筛分的方法，将烟丝通过筛面按照尺寸大小分成 四种不同尺寸规格的筛分设备阳。为了达到不同尺寸烟丝分离的目的，烟丝振动 分选筛必须使烟丝与筛面之间及烟丝与烟丝之间有合适的相对运动，能够使烟 丝尽量松散，筛面不易被尺寸大的烟丝堵住，尺寸小的烟丝通过尺寸大的烟丝 到达筛面，而尺寸大的烟丝留在筛面。 2 1 1烟丝振动分选筛的结构组成 烟丝振动分选筛主要是由激振器、筛箱、弹簧减振装置和支撑底架等组成 。由安装在一固定框架上的喂料输送带、三层筛网和四个烟丝收集箱组成。烟 丝通过三个网孔尺寸不同的筛网进行分离，筛网按网孔尺寸由大到小的顺序叠 加排列，每层筛网的出口应有收集箱，收集分离后的烟丝。y q 2 型烟丝振动分 选筛的外观如图所2 1 示。 图2 1 y q 2 型烟丝振动分选筛的外观 1 激振器 激振器由激振轴、偏心块等零件组成。激振器可产生周期性变化的激振力， 6 2 烟丝振动分选筛力学模型的建立及参数的选择 从而使筛网产生周期性持续的振动。 根据不同的工作原理，激振器分为惯性式激振器、弹性连杆式激振器、电 磁式激振器、液压或气压式激振器、以及凸轮式激振器等阳别。 2 筛箱 筛箱由筛框、筛网及其压紧装置等部件组成。 其中筛框是由左右侧板和上下横梁构成的框架式结构。筛网在烟丝振动分 选筛的筛分过程中起至关重要的作用，筛孔的形状、尺寸大小和布置直接影响 筛分效果和筛分效率。 3 弹簧减振装置 烟丝振动分选筛的减振设计主要包括基础减振和起动停车时的减振1 。烟丝 振动分选筛为减少起动停车时过共振区的振动幅值，降低噪音，缩短起动和停 车时间，采用的是具有较好的支承作用，又有较高弹性的橡胶弹簧。设置好合 理的隔振弹簧的动力学和运动学参数，可以有效的减少振动对地面的冲击，降 低设备运行时的噪音，提高设备的筛分效果和筛分效率，延长设备的工作时间 和使用寿命。 2 1 2 烟丝振动分选筛的工作原理 l 一电机；2 一偏心块式振动器；3 一连杆；4 一拔叉；5 一弹性元件；6 一筛盘。 图2 2 烟丝振动筛结构示意图 烟丝振动分选筛采用了偏心连杆式振动机构，并使之有相应的特定频率，使 筛网按照一定的方向作简凿运动。烟丝振动分选筛分为四层，水平安装，振动 方向角4 5 度，并采用塑料板支撑筛网，同时起到弹簧片的作用。由电机通过三 7 2 烟丝振动分选筛力学模型的建立及参数的选择 角胶带驱动具有相同偏心距的偏心块式振动器，每个偏心块各驱动一根连杆， 每根连杆通过一个拔叉带动一对筛网，如上图2 2 所示，使筛网产生振动，烟丝 在筛网上被抛起，同时向前作直线运动，达到将烟丝筛分分级的目的。 从上图2 2 中看出，该振动筛为使振动分选筛时，尽可能的平稳，采用了两 套平衡装置。 1 第一套平衡是在同一根轴上，安装两个互相差1 8 0 度且具有相同偏心距 的偏心块，每一个偏心块各驱动一根连杆，每一根连杆带动一对筛盘。 2 第二套平衡是由一根连杆通过一个拨叉带动一对筛网，两个筛网之间互 相差1 8 0 度，并互相保持平衡。 烟丝在筛网内的运动，包括正向滑动、反向滑动，烟丝与筛网一起的运动， 以及烟丝离开筛网的微小抛掷运动泓1 ，烟丝的运动并不要求四种运动形式完全 存在，希望消除滑动，尤其要消除反向滑动，只存在微抛掷及烟丝与筛网一起 运动的两个阶段，振动筛筛网水平放置，减小了前两种滑动的可能，保留了后 面两种运动形式，使烟丝能很好作抛掷运动。在筛选过程中，当烟丝落在筛网 的光板上时，烟丝作均匀流动，当烟丝落在筛网的网面上时，大于网孔的烟丝 从网上通过，由下料斗落入接料盒，小于网孔的烟丝从孔内漏下，至吓一层筛 网继续进行同样的筛选，四层筛网同时运动，以此达到按尺寸分选的目的。 2 2 烟丝振动分选筛的力学模型的建立 2 2 1 强迫振动概述 系统在持续性的外激励作用下所产生的振动称为强迫振动，因外激励对于 系统作功，用于补偿消耗在阻尼上的耗散能量，所以系统将继续的振动下去。 这种强迫振动现象是区别于自由衰减振动的一种振动，是工程实际当中的一种 常见的振动现象口”。如图2 3 ( a ) 所示为一个典型的单自由弹簧一质量阻尼系统， 该系统受到简谐力，0 ) = f os i n w t 的作用，w 和层分别为作用激励的频率和幅 值。 8 2 烟丝振动分选筛力学模型的建立及参数的选择 c 卜一一 ( 七) ( q ) f l ( t f “七 图2 3 单自由度模型 ( b ) l - - ( 七) ) 下面用牛顿定律来建立系统的运动方程，描绘系统的分离体图，如图2 3 ( b ) 所示。用f ( t ) 表示作用于系统上的外力，用x ( f ) 表示质量m 相对于平衡位置的 位移，可得： f ( f ) 一只( f ) 一乃( f ) = 膨( f ) 由于c ) = r x ( t ) ，乃o ) = c i c ( t ) 可得： 戥o ) + c 冀o ) + 玉& o ) = f o ) ( 2 1 ) 这是个二阶常系数非齐次线性微分方程。方程的解有两部分组成，即： x ( t ) = x l o ) + x 2 0 ) ( 2 2 1 其中五( f ) 是齐次方程通解：_ ( f ) = e - 4 - - 。( c lc o s w d t + c 2s i n w d t ) 瞬态响应， 随着t 的增加，逐渐衰减到零。 式中：c l 、g 一由初始条件决定的常数； 一自由振动周期。 x 2 ( t ) 是非齐次方程的解，是一种持续的等幅振动，是稳态响应，其频率与 激振力的频率相同。在这里只讨论稳态响应。 设x = x s i n ( w t 一伊) ，代入公式( 2 2 ) 可得： f x ：一一 ( 肛删2 ) 2 + ( c w ) 2 ( 2 3 ) ic w i ( , a = a r c t a n i 磊 由公式( 2 3 ) 可知，其受迫振动规律为： 删2 习霸丽f o s i n ( w r 一妒) ( 2 4 ) 9 2 烟丝振动分选筛力学模型的建立及参数的选择 式中：力一频率比，名：旦； 一系统的固有频率= 厝； 一系统的固有角频率，= 去居； 亭一阻尼比，孝= 兰； 。 2 q m k 矽一振动响应与激振力的相位差，缈= t 觚。1 主鲁； 一动力放大系数，= 由以上分析可知，公式( 2 2 ) 中瞬态响应x l ( t ) 随时间的增加，逐渐衰减到零。 而强迫振动而( f ) 则不受初始条件的影响，是一种和激振力频率相同的持续等幅 振动。由此可见，强迫振动稳态振幅x 和相位角伊不仅与激振力的性质( 激励力 大小和频率) 有关，而且与物体的物理特性( 质量、弹性刚度、阻尼) 有关，初始 条件只影响系统的瞬态响应，这就是强迫振动的特点，与自由振动完全不同。 由公式( 2 3 ) 可知，强迫振动振幅x 的大小与激振力大小e 成正比、与刚度七 成反比，还与频率比兄、阻尼比f 有关。当频率比a = 兰很小时，振幅x 与静 力作用下位移的比值= l ，或者说强迫振动的振幅x 接近于静态位移( 力的频 率很低，相当于静力) ；当激振力的频率很高时，0 ，这是物体由于惯性原 因跟不上力的变化而几乎停止不动；当频率比见= l 时，表明激振力频率和固有 r 一 f 角频率相等，此时为共振，共振频率为，= 五l 一2 亭2 ，共振幅值为e = 丢旦- 。 l 由共振幅值公式可知：对于无阻尼系统，即阻尼c = 0 时，强迫振动系统的共振 振幅b ，趋近于无限大；对于有阻尼系统，振幅受阻尼系数的影响比较明显，阻 尼较小时，振幅迅速增大，阻尼较大时，振幅变化比较平缓。 2 2 2 力学模型的建立 烟丝振动分选筛使用偏心块式振动器激振，偏心块式振动器包括两个偏心距 相同，相位差1 8 0 度的偏心块，用一个调速电动机带动这两个偏心块反向同速 1 0 2 烟丝振动分选筛力学模璎的建立及参数的选择 速旋转，偏心块的旋转惯性力合成一个简谐激振力。通过对烟丝振动分选筛的 工作原理分析可知：每个偏心块各驱动一根连杆，每根连杆通过一个拔叉带动 一对筛盘，而烟丝振动分选筛正常工作时的振动就是属于上述弹簧质量一阻尼 系统的稳态强迫振动，建立烟丝振动分选筛的力学模型，就可以对其动态特性 及外部激振情况进行分析。 为了准确的建立烟丝振动分选筛的力学模型，方便其分析计算，首先分析其 各个参数，抓住振动系统总体的振动特性，忽略筛体的自身结构特征，其简化 原则可归纳为如下汹1 ： i 质量集中 实际的筛体结构是分散的，需要对质量体作适当的集中，如质量大，弹性 小的简化为不计弹性的集中质量。 2 刚度集中 刚度主要是弹簧的刚度，在振动系统中，弹簧是分散布置的，建立模型时， 需要把质量小、弹性大的集中为不计质量的弹簧，当质量大时，把弹簧质量结 合到系统质量中。 3 阻尼集中 振动过程中，阻尼是多种多样的，如弹簧的阻尼，构件之间的摩擦，冲击 等，全部简化为等效线性阻尼。 由此上述简化的原则，结合烟丝振动分选筛的结构组成和工作原理，建立其 力学模型如下图2 4 所示。 _ 上y y 图2 4 烟丝振动分选筛的力学模型 2 烟丝振动分选筛力学模型的建立及参数的选择 2 3 烟丝振动分选筛的参数选择与计算 烟丝振动分选筛的参数选择与计算包含两方面的参数：运动学参数和动力学 参数。运动学参数包括抛掷指数、安装倾角、振动方向角、振动强度、振幅和 频率、物料运动速度、生产率等；动力学参数有参振质量、弹簧刚度、激振力、 传给基础动载荷、电机功率等阳5 1 。上述这些参数直接影响烟丝振动分选筛的筛 分效率和处理能力，所以必须合理的选择。下面以河南省郑州嘉德机电科技有限 公司生产的y q 2 型烟丝振动分选筛为原型，进行烟丝振动分选筛的参数选择与 计算。 2 3 1 运动学参数的选择 郑州嘉德机电科技有限公司生产的y q 2 型烟丝振动分选筛部分技术指标 如下表所示。 表2 1y q 2 型烟丝振动分选筛部分技术指标 参数参振质量频率振幅 流量 坚( ! 璺旦! 旦圣2垒( 翌翌2q ! 垦型达2 数值800i o 1 4l 论文涉及的其他的运动学参数选择如下： 1 抛掷指数l ( v 根据经验，可以根据振动筛所处理的物料性质而确定抛掷指数协2 l ，如下表 2 2 所示： 表2 2 振动筛的抛掷指数 2 安装倾角口 筛面与水平面之间的夹角，为筛面安装倾角1 2 。筛面倾角屿振动筛的处理 量及筛分效率密切相关，当筛面倾角增大时，物料在筛面上的运动速度变快， 振动筛的处理因而变大；物料在筛面上的停留时间变短，随之筛分效率降低。 因此当对所筛分物料的产品质量由特定要求时，就可以选择一个合适的安装倾 角，使振动筛处理量变大，提高筛分效率。直线振动筛用于筛分尺寸在5 0m m 1 2 2 烟丝振动分选筛力学模型的建立及参数的选择 以上的粗物料时，选用的安装倾角口= 5 1 0 0 ；用于筛分尺寸在4 0r l l l i l 以下中、 细物料筛分时，选用的安装倾角口= 0 0 ；用于物料的脱泥、脱介、脱水时选用的 安装倾角口= - 5 0 0 3 7 - 3 i o 本文中的y q 2 型烟丝振动分选筛有四层筛网，即有 四个安装倾角，都是水平安装口= 0 0 。 3 振动方向角 振动方向线与筛面之间的夹角，称为振动方向角。振动方向角值越小，物 料在筛面上的运动速度就越快，处理量就越大，比较适合用于筛选易筛物料；振 动方向角值越大，物料在筛面上的运动速度就越慢，处理能力就越小，物料反 而能更好的得到筛分，适合用于筛选难筛物料及有一定质量要求的物料。直线振 动筛的振动方向角的取值范围为= 3 0 6 0 0 ，在我国，国产的直线振动筛全部取 = 4 5 0 ，因为当振动方向角为= 4 5 0 时，振动筛不仅有比较强的处理能力，而 且还具有很好的筛分效率，具有很好的适应各种筛分的能力n 9 1 。y q 2 烟丝振动 分选筛的振动方向角取= 4 5 0 。 2 3 2 动力学参数的选择 烟丝振动筛动力学参数选择的计算步骤如下： 1 计算质量的计算 烟丝振动筛计算质量m 包括两个部分：烟丝振动分选筛的参振质量m ，和筛 网上所筛选烟丝的质量m ，。即： m = m l + m 2 ( 2 5 ) 其中参振质量m ，= 8 0 l k g ；由于烟丝振动分选筛每次筛分的烟丝为l k g ，相 比整个参振质量可以忽略不计。 由公式( 2 5 ) 可得振动筛就计算质量为m = 8 0 1 k g 。 2 隔振弹簧刚度的计算 任何振动机械都必须设有减振装置，而隔振弹簧是主要的减振装置，主要用 来减少传递给基础的交变载荷。烟丝振动分选筛的每层筛网均采用了4 组橡胶 弹簧作为减振支撑装置，则刚度的计算公式为： k = m 吨= m ( w z 。) 2( 2 6 ) 式中：k 一振动筛弹簧的总刚度： m 一振动筛的计算质量； m 一系统的固有角频率； 1 3 2 烟丝振动分选筛力学模型的建立及参数的选择 w 一系统的工作角频率； 一振动筛的频率比。 其中计算质量m = 8 0 1 堙；工作角频率w = 2 n f = 6 2 8 r a d s ；频率比z o g l 常取 3 - 5 ，此处取z 。= 4 5 ；则有公式( 2 6 ) 可得： k = 8 0 1 x ( 6 2 8 4 5 ) 2 = 1 5 5 8 0 6 n m 烟丝振动分选筛共有4 层筛网，每层筛网采用了4 组橡胶弹簧，共有1 6 组 橡胶弹簧，则每个弹簧刚度为： k = k 1 6 = 1 5 5 8 0 6 1 6 = 9 7 3 8 n m 圆整取k = 9 7 0 0 n m ，此时弹簧总刚度k = 1 5 5 2 0 0 n m 。 3 所需激振力的计算； 由于烟丝振动分选筛橡胶弹簧的阻尼非常小，为了方便计算，可以忽略系统 阻尼的作用，所以烟丝振动分选筛在振动方向上的微分方程： m r + k x = 尸 ( 2 7 ) 可解微分方程式( 2 7 ) 并整理，得烟丝振动分选筛所需激振力为： p = m a w 2 一k a = a ( m w 2 一k ) ( 2 8 ) 式中：肘一振动筛的计算质量； x 、j 一分别为振动筛筛网在振动方向上的位移和加速度； k 一系统的弹簧刚度； 彳一振动筛的振幅； w 一振动筛的工作角频率。 其中计算质量m = 8 0 1 k g ；刚度k = 1 5 5 2 0 0 n m ；振幅a = o 0 0 7 m ；工作角 频率w = 2 矿= 6 2 8 r a d s 。 由公式( 2 8 ) 可得： p = o 0 0 7 x ( 8 0 1 6 2 8 2 1 5 5 2 0 0 ) = 2 0 9 9 9 n 4 传给基础动载荷的计算 振动筛正常工作时传给基础的载荷包括静载荷和动载荷。 静载荷：烟丝振动分选筛有四个支点，每个支点所受的力为： = 丢他= 三x 8 0 8 n = 9 6 0 n 动载荷：振动筛正常工作时传给基础的动载荷为引： 1 4 2 烟丝振动分选筛力学模型的建立及参数的选择 e = k a s i n p ( 2 9 ) 由公式( 2 9 ) 带入数值可得 日= 1 5 5 2 0 0 x 0 0 0 7 xs i n 4 5 0 = 7 6 8 n 烟丝振动分选筛在起动或停车的过程中，会产生振动幅值很大的振动，这时 烟丝振动分选筛传给基础的动载荷要比正常工作时大很多。这是因为烟丝振动 分选筛无论是从0 一w 的起动过程，还是从w 一0 的停车过程，其振动频率都要 过共振频率区域，而当烟丝振动分选筛经过共振区域时，其瞬态共振振幅通常 是工作振幅的3 7 倍4 1 1 ，这时最大动载荷的计算公式为： 兄一= ( 3 7 ) 乃 ( 2 1 0 ) 假设烟丝振动分选筛经过共振区区域时，瞬态共振振幅为5 倍的工作振幅， 由式( 2 1 0 ) 可知，传给基础所受的最大动载荷为： 只懈= 7 6 8 x 5 = 3 8 4 0 n 5 所需电机功率的计算 振动筛所需电机功率为： n = ( l + n 2 ) q ( 2 1 1 ) 式中：l 一激振器为克服筛箱运动阻力而消耗的功率； 一激振器转动时克服轴在轴承中摩擦力而消耗的功率； 刀一传动效率，一般可取r l = 0 9 5 。 激振器克服振动筛筛箱运动阻力而消耗的功率n 为： n i = 可m n 3 矿 m 2 ( 2 1 2 ) 1 7 4 0 、 其中计算质量m = 8 0 1 k g ；咒为电机转速，由振动筛的工作频率可知 刀= 6 0 0 r m i n ；为阻尼系数，可取= o 1 6 ；振幅a = 0 0 0 7 m 。 所以由公式( 2 1 2 ) 可得： l一：!q!兰型：兰q：!鱼兰q：qq!：078kwiv= ：- 。- 一= 1 7 4 0 轴承上的压力主要取决于激振力或筛箱运动的惯性力。回转运动消耗的功 率： n 2 ：m f n 3 d a ( 2 1 3 ) 2 0 4 、 1 5 2 烟丝振动分选筛力学模型的建立及参数的选择 式中：厂一轴承摩擦系数，滚动轴承厂= 0 0 0 5 ； d 一轴承内径，d = 0 1 5 0 m ： 由公式( 2 1 3 ) 可得： ，8 0 1 0 0 0 5 6 0 0 0 1 5 0 0 0 0 7，、 = = u 5 2 c w 1 7 4 0 由公式( 2 1 1 ) 可得： n = ( 0 7 8 + 0 5 2 ) 0 9 5 = 1 3 7 挑 2 4 本章小结 本章主要介绍了烟丝振动分选筛的结构组成及其工作原理，并参照单自由度 简谐激励的强迫振动模型，建立起烟丝振动分选筛的力学模型。然后通过对该 力学模型的分析，选择出烟丝振动分选筛的动力学及运动学参数，得到主要参 数数据如下表2 3 所示： 表2 3 参数计算结果 参数计算质量弹簧总刚度 激振力幅值安装倾角振动方向角 丛( 垦型鉴型塑2丛2g ( 廑2昼【蕉2 数值8011 5 5 2 0 02 0 9 9 9 0 4 5 1 6 3 烟丝振动分选筛的振动测试 3 烟丝振动分选筛的振动测试 3 1机械振动测试的相关概念 3 1 1振动测试的必要性 随着现代工业、科学技术与经济的飞速发展，各种用于现代化生产的机械设 备日趋高速化、重载化、大型化、精密化、复杂化，功能越来越完善，其工艺 自动化程度越来越高。现代企业为了最求经济效益最大化，经常需要连续生产， 采用流水线作业，因而一旦发生故障，轻者造成停机停产，连续自动化生产过 程中断，造成企业巨大的经济损失；重则还会造成人员的伤亡，导致灾难性的 事故，给社会造成恶劣的影响，因而设备的安全、可靠与平稳的运行备受人们 的关注。设备监测诊断技术为现代化企业提供安全的生产环境提供了技术支持， 而振动测试与诊断是其不可或缺的组成部分h 纠。尤其是进入2 1 世纪以来，人们 追求科学的发展与和谐社会，人与设备的和谐至关重要，使振动测试与诊断更 具有实际意义，也是现代化生产的迫切需要。 振动测试实验的目的，是在实验中作一连串可控制的振动模拟，检验理论 分析结果是否正确，检验设备产品在有效的使用周期中，能否承受在实际环境 中运输或者使用的考验，结构设计是否合理以及各主要参数是否达到设计要求 m 1 。振动测试作为验证设备产品机械可靠性的主要手段，可以有效的评估设备机 械可靠性并推进设备产品机械可靠性提升。通过振动测试可以提前发现设备产 品在运输及使用过程中由机械振动导致的失效，为设备产品结构设计的改进提 供依据，以提升设备产品在运输及在复杂使用环境中的可靠性，提升设备产品 设计水平，降低设备产品维护成本。 3 1 2 振动测试的内容 机械振动测量主要是指测量振动体( 或振动体上某一点) 的位移、速度、加速 度大小，以及振动