微型非线性振动传输机的研制

王春莹 孙利民

【摘 要】本文介绍了所研制的微型非线性振动传输机的结构特性及其工程背景，利用所学的振动力学知识对料槽和物料的受力方程和运动方程进行分析，求出物料的位移、速度、加速度方程及图像，并采用有限元软件对微型非线性振动传输机进行了仿真分析，建立装置的模型，分析了该系统的静力学结构特性即固有频率和其在简谐激振力作用下的运动轨迹；运用数值说明该机构确实可以达到振动传输的目的。

【关键词】振动传输 物料输送 固有频率 动力学特性

在现代化的社会工业大发展下，振动输送越来越多的运用到物料传输上，它可以输送高温的物体以及克服一些形状不规则、棱角突出的物料对输送带磨损大的缺点。目前的振动传输机分为靠电机提供动力和通过连杆机构振动的振动传输机。

国外最近几年陆续研究出了通用化程度高的、技术水平较高的筛分设备，如双频率筛和三路分配器给料以及自同步直线振动筛等等；国内发展较缓慢，很多大型的振动传输及振动筛分设备都较笨重，且受场地和工作环境的影响极大。综合上述国内外研究现状，下面详细介绍我们研制并试验成功的微型非线性振动传输机。

1微型非线性传输机结构特征

该传输机高800mm，长1000mm，料槽宽度100mm，振动源电机功率为60W，工作频率为1hz。该传输机装置在偏心电动机的带动下做周期性简谐运动。实物图如图1所示：该传输机只采用一个电机，避免了多个电机同步工作所产生的各种问题、障碍和噪音；偏心块在电动机的带动下产生连续不断的位置变化，从而产生周期性变化的激振力，该激振力的大小和方向也是周期性变化。在该激振力作用下，物料随料槽一起振动。当料槽位移达到一定值后，被弹性阻挡条阻挡，振动衰减，在此过程中，由于碰撞时间非常短，所以当料槽的位移衰减时，里边的物料在惯性作用下保持原来的速度不变，继续向前运动，不受碰撞影响，从而实现物料的连续不断向前输送。如此循环往复，物料就可被输出料槽。

该传输机采用交流齿轮调速电机，省掉了调压变压器或减速器的中间环节，电机自身可以实现转速调节。在调节过程中可以找到最佳转速，从而得到最佳的工作效率。

图1 微型非线性振动传输机实物图

2 传输机系统运动微分方程的计算

2.1料槽及物料动力学分析

实物图如图1所示，取为偏心质量、为偏心距、为电机角频率、为电机和料槽质量、为物料质量、为连杆与垂直方向夹角、为连杆长度。根据实物图，对实物模型进行简化，画出传输机的平面简图，并分别以物料和料槽为研究对象，进行受力分析。其中为连杆对料槽的拉力，为摩擦力，为物料对料槽的压力，为料槽对物料的支撑力，为激振力，为物料重力，为电机和料槽重力。

以料槽为研究对象，则有

3传输机力学性能的数值仿真分析

简化该振动传输机的动力学部分，利用ANSYS软件建立简化模型，并进行模态分析和动力学性能分析。对装置进行模态分析，得到系统的前七阶固有频率，第一阶固有频率为刚体的固有频率，其后的各阶频率为料槽和框架的频率。如下表1所示。

由于电机产生的力为简谐力，这种由简谐变化的载荷引起的结构持续的周期性响应称为谐响应。谐响应分析可采用3种计算方法：完全法、缩减法和模态叠加法。利用上述建立的模型并进行剖分，在料槽的等效部分表面施加简谐力F=100N，由于料槽做平动，故选取料槽上的一点，可以模拟得到节点的位移-频率曲线，即为料槽的位移-频率曲线，如图3所示。

4结语

本文利用动力学知识讨论了在料槽与物料碰撞前、碰撞中和碰撞后的受力情况以及运动情况；我们还从有限元仿真模拟方面，使用模态分析和谐响应分析方法，分析了微型非线性振动传输机的结构静力学特性和动力学特性，并将数值模拟结果与理论计算的结果进行比较，从而可以进一步说明设备的可用性和数值模拟运算的合理性。

参考文献：

[1]苗同臣，赖永星，王伟，李静斌.振动力学与工程应用.郑州：郑州大学出版社，第1版.

[2]李聪灵，孙利民.微型粒料振动传输机研制及粒料运动分析.河南化工，2011，28（07）.

[3]李会如，王树刚，陶瑛.可调振幅的振动筛料斗的研发与应用[J].河南建材，2014，02：165-166.

作者简介：王春莹，（1992-） 女，汉族，河南南阳人，单位： 郑州大学力学与工程科学学院，研究方向：工程力学；孙利民，（1956-）男，汉族，河南开封人，博士，教授，研究方向：结构动力学实验与仿真。