振动料斗料槽几何参数的研究与设计

孙为韬，吕彦明

江南大学 机械工程学院，江苏省食品先进制造装备技术重点实验室,江苏 无锡　214122)



振动料斗料槽几何参数的研究与设计

孙为韬，吕彦明

江南大学 机械工程学院，江苏省食品先进制造装备技术重点实验室,江苏 无锡214122)

摘要：针对振动料斗料槽在设计过程中完全依靠制作经验的情况,考虑其几何设计参数料槽升角α和振动方向角β，利用达朗贝尔原理，建立了用于判断物料运动状态的振动料斗料槽的数学模型。提出了在实现最佳送料率时物料所需的运动状态，并利用所述最佳运动状态计算出振动料斗料槽的几何参数α和β的设计范围。最后，通过对某料槽设计参数可变的直线振动料斗进行实验研究，考查了料槽几何参数α和β的变化对平均送料速度的影响。结果表明，平均送料速度随着直线振动料斗料槽升角α的增大和振动方向角β的减小而变大，这为设计高效的振动料斗提供了依据。

关键词：振动料斗；运动状态；送料率；几何设计参数

0引言

目前，在工业生产中，工厂需要提高生产效率来保证竞争力，而在大量小零件的生产组装过程中会出现供料效率低的问题，振动料斗作为能够有效解决中小零件自动供料问题的最经济的供料装置[1]，得到越来越多的学者们的关注。Ding和Dai将振动料斗作为三组平行的弹簧机构模型进行了模态分析[2]。他们还对振动料斗的料槽和物料的运动状态用状态空间方程分别建立了数学模型[3]。Silverside等对振动料斗进行了力学分析[4]。 Ramalingam等对直线料槽的输送速度进行了研究实验[5]。国内的杜玉明教授等提出广义物理效应引入法用于实现振动料斗定向机构的设计[6]。傅蔡安教授等人对原有编码系统进行了改进[7]，提出了一种适用于振动料斗料道设计的新的编码方法。还有一些研究集中在振动料斗的激励信号方面，通常将正弦信号作为振动料斗的驱动信号，但在研究过程中也有考虑不均匀的脉冲信号和PWM信号。

为了提高生产效率，需要对振动料斗进行合理设计来提高其送料速度。振动料斗送料速度的影响因素有很多[9]，包括激励电流的大小和频率、振动料斗料槽与物料之间的摩擦系数、料槽的几何设计参数等。本文在考虑振动料斗料槽的几何设计参数的情况下，通过建立料槽的数学模型，对物料在输送过程中的运动状态进行了分析，得出了实现最佳送料率所需的振动料斗料槽设计参数α和β，为振动料斗的设计提供理论依据。

1振动料斗结构及工作原理

振动料斗从送料轨道类型上可以分为螺旋式和直进式，从振动源上可以分为电磁式、电动机式、压电式和超声波式[10]。本文以结构较为简单的直进式电磁振动料斗为研究对象，其主要构成如图1所示，由料槽、托盘、板弹簧、衔铁、电磁线圈和底座组成[11]。

图1　直进式电磁振动料斗结构图

振动料斗接通交流电后，电流逐渐增大，电磁铁产生的吸力也同时增大，迫使板弹簧发生弹性变形，衔铁带着托盘逐渐偏离静平衡位置向左下方移动。电流变小时，板弹簧中储存的弹性势能使得衔铁带着托盘回归静平衡位置。交流电的周期性变化，使得托盘产生了往复振动，料槽中的物料在重力、摩擦力和惯性力等力的综合作用下，沿着料槽直线轨道向上移动[12]，最后送往装配或加工位置。

2物料的受力分析和运动状态

物料在输送过程中一般有[13]：相对静止、向上滑移、跳跃、向下滑移。以下根据物料受力情况分别介绍这4种运动状态。

为了方便分析,将图1所示直进式振动料斗简化成上图2所示斜面振动料斗[14]。其中α料槽升角是料槽与水平面的夹角， β振动方向角是物料运动的方向和料槽之间的夹角。

图2　料槽静止物料受力图

当振动料斗没有工作时如图2，物料静止在斜面上，此时静摩擦力f方向沿x轴正向，有最大静摩擦力

f0≥mgsinα

(1)

当料槽在电磁力和板弹簧作用力下向左下方运动时，如图3所示，随着电磁力增大，惯性力F逐渐增大，而静摩擦力逐渐减小并降低为0后反向增大。当静摩擦力f达到反向最大值时，物料处于静止的临界状态，此时在料槽平面内沿x轴的惯性力分量max与重力在料槽平面内沿x轴反方向分量mgsinα的矢量和小于最大静摩擦力f0，有：

化简得a

其中

(2)

此时物料和料槽相对静止，随后惯性力F继续变大，料槽以加速度a向左下方运动时，如图3所示，物料所受的惯性力沿料槽斜面向上。若在料槽平面内沿x轴的惯性力分量max大于摩擦力f与物料重力沿料槽平面向下的分量mgsinα之和时，物料向上滑移，此时有

化简得a≥a1

若惯性力F足够大，当惯性力在垂直于料槽平面且沿y轴正向的分量may与支持力N之和大于物料重力沿垂直于料槽平面上的分量mgcosα，并且料槽斜面上的支持力N等于0时，物料离开料槽斜面，出现跳跃的运动状态，有：

化简得a>a2

其中

(3)

随着电磁力周期性变小，板弹簧的作用力大于电磁力，料槽开始向右上方运动料槽向右上方运动,此时物料所受的惯性力F如图4所示。

图3　料槽向下运动物料受力图

图4　料槽向上运动物料受力图

此时，惯性力F最大，惯性力在料槽平面内沿x轴负方向的分量与重力在垂直于料槽沿y轴负方向的分量之和大于最大静摩擦力f0，物料开始向下滑移，此时有：

化简得a≥a3

其中

(4)

随着电磁力的再次增大，方向向下的惯性力F逐渐减小，当惯性力在料槽平面内沿x轴负方向的分量与重力在料槽平面沿x轴负方向的分量之和小于最大静摩擦力时，物料开始相对料槽静止，

化简有 a

3物料最佳输送状态

为了保证电磁振动料斗的送料速度，应该避免物料出现沿料槽斜面向下滑移的情况出现[5]，此时物料将处于最佳输送状态。所以料槽的加速度a最大不要超过a3，即得到a10，

有

(5)

将式(2)、式(4)带入不等式(5)：

(6)

4α、β对物料输送速度的影响

根据上述所得到的α、β角的取值范围，调整直进式振动料斗的几何参数,考察其值的变化对物料输送速度的影响。采用如图5所示的实验装置，选择固定大小和频率的激励电流驱动振动料斗，通过计算每分钟输送的物料个数，来估计平均送料速度。

图5　简易试验装置

图6可以看出随着α的减小，β的增加，相应的送料率就会提高。

图6　α、β和送料速度关系

5结束语

[参考文献]

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[4] Silversides R, Dai J S, Seneviratne L. Force analysis of a vibratory bowl feeder for automatic assembly[J]. Journal of Mechanical Design, 2005, 127(4): 637-645.

[5] M .Ramalingam, G. L. Samuel. Investigation on the conveying velocity of a linear vibratory feeder while handling bulk-sized small parts[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2009,44:372-382.

[6] 杜玉明, 郑江. 物理效应引入法求解振动料斗设计中的综合技术功能[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2000 (8): 48-50.

[7] 傅蔡安, 张韬. 用于振动料斗设计的新编码系统的研究[J]. 机械科学与技术, 2009,28(11): 1409-1413.

[8] Mahdavian S A, Mahdavian S M, Brooy R L. Effects of Driving Signal Forms and Frequency in the Performance of a Vibratory Bowl Feeder[C]//Proc. of International Conference on Manufacturing Automation. 1992: 836-841.

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[12] 尚久浩.自动机械设计[M].北京:中国轻工业出版社,2003.

[13] 闻邦椿,刘树英. 现代振动筛分技术及设备设计[M]. 北京:冶金工业出版社,2013.

[14] 邓奎刚,张小国,李广安. 电磁振动料斗结构参数的优化设计[J].机械科学与技术,1998,27(1):26-28.

(编辑李秀敏)第

Investigation and Design of the Geometric Parameters of Vibratory Feeder Trough

SUN Wei-tao,LV Yan-ming

(School of Mechanical Engineering，Jiang Nan University，Jiangsu Province Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology and Equipment of Food, Wuxi Jiangsu 214122, China)

Abstract：As the vibratory feeder trough entirely on experience in the design process, considering the geometric design parameters rise angle α and vibration direction angle β of trough, Darren bell principle was used to build a mathematical model of the vibratory feeder trough through to determine the state of the movement of parts. A view was put forward that optimal feed rate needed corresponding moving state of components, and then the best moving state was applied to calculate the design geometric parameters rise angle α and vibration direction angle β of vibratory feeder trough. Finally, the experiment of feeding speed of a vibratory feeder with variable design parameters was made to investigate the effects of vibratory feeder’s geometric design parameters trough rise angle α and vibration direction angle β on the feeding rate, respectively. The results show that the greater of angle α the smaller the feed rate, the greater of angle β the greater the feeding speed which provides a basis for designing efficient vibratory feeder.

Key words：vibratory feeder; movement states; feeding speed; geometric design parameters

中图分类号：TH122；TG65

文献标识码：A

作者简介：孙为韬(1990—)，男，江苏盐城人，江南大学硕士研究生，研究方向为自动机械与机电一体化，(E-mail)811175044@qq.com；通讯作者:吕彦明(1966—)，男，山西合胜人，江南大学教授，博士，研究领域为CAD/CAM和工装夹具计算机辅助设计，(E-mail)995846621@qq.com。

收稿日期：2015-05-12

文章编号：1001-2265(2016)03-0138-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.038