电磁振动料斗的有限元分析

电磁振动料斗的有限元分析

0自动送料机构的缺陷在现代制造行业，自动废物去除设备是自动检测和自动装配生产线不可或缺的重要组成部分。振动料斗是自动上料装置中应用最为广泛的一种上料机构,因其低廉的价格和优良的性能,从面世以来就深受各大厂家青睐。然而在自动送料过程中发现,有的工件出现了破损甚至断裂的现象,这是由于使用者忽略了振动料斗自身频率对工件的影响。本文结合ANSYS软件对振动料斗作有限元分析,找到振动料斗频率和物料的关系,从而在保证送料效率的同时,也确保物料不被损坏。1振动装置的结构和原理1.1振动材料场的结构本文以最为常见的电磁振动料斗为例,它一般由料盘、隔磁板、主振弹簧、电磁铁、基座、减震支脚等组成。其机构如图1所示。1.2主振弹簧控制振动将物料放入料盘里,接通电源之后,电磁铁产生磁力吸引衔铁下行,使料盘偏离平衡位置向下移动,迫使主振弹簧发生弹性形变,同时料盘绕中心轴做扭转运动;在电流的反向周期里,电磁铁磁力消失,主振弹簧释放弹性势能,使料盘反向回升,超过平衡位置达到某一上限,如此反复循环就形成了高频低幅振动。料盘沿内壁焊接螺旋料道,在料盘里的物料就沿着螺旋料道向上爬行,最后通过整列装置整列后离开料盘。2工件力学分析料盘里的工件,不仅受到重力和料道的支撑反力作用,还受到摩擦力和惯性力作用,而工件所受摩擦力的大小和方向还取决于电磁铁通电电流的情况。对工件进行力学分析,从而确定工件高效滑移的条件。假定电磁铁通正弦交流电。2.1加速度a向左下方运动工件受力情况如图2所示。料盘受电磁力和重力作用,以加速度a1向左下方运动,加速度方向垂直于主振弹簧中轴线。根据受力平衡原理可知,即:式中,,为料道表面动摩擦系数;即:2.2弹性权利的下储存当电磁铁所通交流电到反向周期,即I≤0时,主振弹簧释放储存的弹性势能,使料盘反向回升,通过平衡位置,达到某一上限。工件以加速度a2向沿料道向右上方运动,其受力情况如图3所示。同I>0时情况类似,根据力平衡原理,即:2.3振动料斗连续滑移时的条件确定在料斗激振频率固定的情况下,物料的运动情况主要受如螺旋升角α、振动方向角β、摩擦系数μ等结构因素影响。物料在料道上可能出现向前、后跳跃,连续或断续滑移等运动状况。由于连续滑移运动是物料理想的运动情况,因此本文仅讨论实现连续滑移时的条件。根据物料受力情况,当电流I>0时,工件受惯性力ma1作用,产生沿滑道向上运动的趋势;当电流I≤0时,工件受惯性力ma2作用,有沿滑道向下运动的趋势。因此,只要a1大于(不能过大,否则会产生跳跃)某一临界值且a2小于某一临界值时,物料就可以不会下滑而克服摩擦力沿料道向上连续滑移运动。由式(1)和(2)可得:联立式(3)和(4)可得:根据本文设计的振动料斗的结构参数,螺旋升角α=2uf06f,振动方向角β=30o,摩擦系数查表得µ=0.25,代入式(5)和(6)得a1=0.288g,a2=0.290g。由此可以看出,只要结构设计合理,使加速度达到临界值,就可以让物料在料道上实现连续滑移。3振动料盘模态分析在生产振动料斗的过程中,要精确地将料斗的机械振动调整到亚共振状态,以达到高效输送物料的目的。因此,准确把握振动料斗的固有频率十分重要,对研究振动频率对物料的影响也非常重要。基于ANASYS分析振动料斗动态设计过程如图4所示。无阻尼振动系统运动方程可表示为:式中,[M]为总质量矩阵,[K]为系统刚度矩阵,、{X}分别为结构在物理坐标下加速度向量和位移向量,{F(t)}为激振力向量,这里无阻尼振动系统激振力向量{F(t)}为零向量。则式(7)对应的特征方程为:式中,ω为系统的固有圆频率,解此方程得第i阶固有圆频率,各阶固有频率fi均与ωi成正比。将各阶圆频率代入特征方程,得出各阶振型Xi(i=1,2,…,j)。本文中振动料盘外径D=300mm,螺旋升角α=2uf06f,振动方向角β=30o。主振弹簧选用65Mn材料,其强度、硬度、弹性和淬透性都比45钢要好,对振动料盘可以起到支撑作用,其性能为:弹性模量E=206GPa,泊松比µ=0.3,密度ρ=7.85×103kg/m3,其他零部件采用45钢。将模型导入ANSYSWorkbench中,采用六面体网格划分模式,橡胶底脚下表面作全约束,将紧固件与孔简化。振动料斗的网格划分模型如图5所示。模态分析得到各阶固有频率,共6阶,如表1所示。从表1中可以看出,一阶固有频率69.033Hz最接近激振力频率50Hz,也是理想工作状态下的频率。根据各阶固有频率可以得到各阶振型图,如图6所示,为一阶固有频率振型图。4动电源频率对输送效率的影响根据所得结果考察振动料斗工作频率对物料输送效率的影响。设置一简易实验台,如图7所示。选择500g的物料,从20Hz开始,逐步增加驱动电源频率,每隔5Hz作为一个记录值,用电子秤记录10秒内输送物料的质量。通过计算求出输送效率,从而得到一条工作频率与物料输送效率之间的关系曲线,如图8所示。从图像上我们可以看出,在0~30Hz时,给料速度几乎为零,从30Hz开始,送料速度逐渐增大,在70Hz左右达到最大,之后随着频率的增大,输送效率降低。由此可知,在工作频率达到料斗固有频率时,工作效率是最高的,即给料速度最快。5振动料斗送料速率1)通过ANSYSWorkbench软件对模型进行了模态分析,得到一阶模态固有频率为69.033Hz