振动筛砂机执行机构仿真与分析

张向红，席晓燕

(唐山学院 机电工程系，河北 唐山 063020)



振动筛砂机执行机构仿真与分析

张向红，席晓燕

(唐山学院 机电工程系，河北 唐山 063020)

摘要：基于ADAMS仿真软件平台，对矿用振动筛砂机执行机构进行了建模及仿真，得到连杆刚性、柔性下的运动规律。在考虑连杆柔性时，摇杆的角速度曲线变化不大，而角加速度波动非常大，出现冲击，砂箱在此过程中速度不稳定，受力变化明显，这与实际过程非常符合。即连杆在实际工作中受力情况较差，在一定情况下会引起机械的振动。

关键词：ADAMS；振动筛砂机；刚性；柔性；仿真

0引言

筛砂机作为物料的分级设备，被广泛用于建筑、选煤、选矿等工业领域[1-2]。虚拟样机技术是在产品设计开发过程中，将产品进行建模仿真，来预测产品的整体性能和进行产品改进、升级的一种新技术[3-4]。

本文基于复数矢量法对筛砂机的运动规律进行求解计算，通过ADAMS[5-10]虚拟样机软件平台，建立筛砂机执行机构的虚拟样机模型，并进行仿真及分析，得到连杆刚性、柔性下的运动规律。

1执行机构中各杆件初始尺寸的确定

筛砂机的设计应满足如下要求：砂箱的水平运动距离为220 mm，砂箱在水平面内的摆角应小于等于8°，砂箱距离地面高度为900 mm，压力角β大于40°，运动简图如图1所示。各杆初始长度见表1，机构压力角如图2。

mm

图2　筛砂机执行机构压力角

由四连杆机构运动关系，按表1设计的机构满足C点水平运动距离220mm的要求，下面计算压力角是否满足要求。

arccos(0.173595)=80°，设计符合压力角要求。

2基于复数矢量法各杆件的运动模型

在四边形ABCD中由矢量多边形定理得：

(1)

各杆长度、角度、角速度、角加速度见表2。

表2　各杆长度、角度、角速度、角加速度

式(1)可改写成复数矢量形式：

l1+l2+l3+l4=0，

即

l1eiθ1+l2eiθ2+l3eiθ3+l4=0。

(2)

将式(2)按欧拉公式展开，并且让等式虚部与实部相等，得

(3)

将θ1看作自变量解方程组，得

(4)

将θ3带入式(3)，得

(5)

将式(2)继续对时间求导，可得速度：

(6)

同理对式(6)进行展开，得

(7)

解上述方程组，得

(8)

对式(2)求导，得加速度：

(9)

展开后令实部和虚部相等，得

(10)

求得加速度为：

(11)

3筛砂机虚拟样机建模与仿真

应用ADAMS在动力学分析中的优点，建立筛砂机执行机构，即四连杆机构的运动模型，其虚拟样机模型如图3所示。取曲柄AB长为110 mm，连杆BC长为715 mm，为使摇杆长度在预定位置、预定长度，故以连杆起始点，即图中A点为原点，建立标记点point_D，以point_D点为摇杆的起始点，连接piont_D点与C点建立摇杆。其中各杆长度均已知，各杆厚度均取15 mm，各杆高度均取30 mm，建立四连杆机构。

图3　筛砂机执行机构虚拟样机模型

当各个杆均为刚性杆时，分析各杆均为理想连接时的运动情况。给A点一个角速度值为360°/s，设置仿真时间与仿真步长，endtime为1s，step为360°，即摇杆每转1°在ADAMS中即计算一次。

刚性连杆下摇杆的角速度与角加速度曲线见图4。

——角速度；--角加速度图4　刚性摇杆角速度、角加速度曲线

从图4可以看出，在一个周期中刚性摇杆的角速度最大为44°/s，由于摇杆在一个周期内的运动是对称的，所以最小角速度为-44°/s。而摇杆的最大角加速度为318°/s2，摇杆的最小角加速度为-235°/s2。

刚性连杆下连杆的角速度与角加速度见图5。

——角速度；--角加速度图5　刚性连杆的角速度、角加速度曲线

由图5可得到刚性连杆在一个周期的最大角速度为55°/s，最小角速度为-55°/s。连杆的最大角加速度为310°/s2，最小角加速度为-395°/s2。

上面建立的模型忽略了杆件的柔性，在考虑连杆的柔性时，替换原来模型的刚性连杆，创建柔性连杆窗口设置见图6，创建好的柔性连杆模型如图7所示。

对模型进行仿真分析。为分析柔性连杆和刚性连杆对机构的不同影响，将仿真时间与仿真步长设置成相同值。将仿真时间设置成1s，仿真步长设置成1 440，得到柔性摇杆运动曲线如图8，图9所示。

图6　连杆柔性化窗口

图7　柔性连杆模型

图8　柔性摇杆角速度曲线

图9　刚性、柔性摇杆角加速度对比曲线

由图8可得柔性摇杆的最大角速度为44°/s，最小为-44°/s。这与刚性连杆时所测得角速度一致，即刚性连杆对角速度的影响不大。但从图8中可看出柔性摇杆角速度曲线并不光滑，这表明柔性连杆对于摇杆的总体速度影响小，而对瞬时速度的影响不可忽略。由图9可得筛砂机执行机构在考虑连杆柔性化时，其摇杆的加速度波动非常大，砂箱在此过程中速度不稳定，受力变化明显，这与实际过程非常符合。即实际连杆在工作中受力情况较差，在一定情况下会引起机械的振动。

4结论

本文应用ADAMS软件对筛砂机进行了建模、仿真和动力学分析，在考虑连杆柔性时，摇杆的角速度曲线变化不大，角加速度波动非常明显，说明出现冲击，砂箱在此过程中速度不稳定，受力变化明显，这与实际情况非常符合。即连杆在实际工作中受力情况较差，在一定情况下会引起机械的振动。

参考文献：

[1]盛玉祝，叶大银.基于虚拟样机弛张筛面的动态分析[J].煤矿机械，2007，235(9)：81-82.

[2]谭兆衡.国内筛分设备的现状和展望[J].矿山机械，2004(1)：34-37.

[3]裴亮，李晔，龚艳，等.基于虚拟样机的三缸柱塞泵动力学仿真分析[J].机床与液压，2014，42(1)：146-148.

[4]刘初升，赵跃民，黄晓徐.振动筛筛分过程的计算机仿真研究[J].工程学报，2004(8)：261-264.

[5]郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008：230.

[6]陈锡伍，袁亮，吴金强.串联机械臂的设计与仿真[J].机床与液压，2015，43(9)：24-27.

[7]朱昌健.基于ADAMS的杠杆夹紧器的仿真与分析[J].唐山学院学报，2013，26(3)：100-102.

[8]席晓燕.基于ADAMS的含间隙酒瓶装箱机构优化设计[J].包装工程，2013，34(1)：69-74.

[9]席晓燕.基于ADAMS的含间隙柔性酒瓶装箱机构的优化设计与动力学仿真[J].机械科学与技术，2013，32(8)：1195-1199.

[10]席晓燕.金属成形加工机械执行机构的仿真与动力学分析[J].包装工程，2015，36(7)：48-52.

(责任编校：夏玉玲)

The Simulation and Design of the Execution Mechanism of Sand Machines with Vibrating Screens

ZHANG Xiang-hong， XI Xiao-yan

(Department of Mechanical and Electrical Engineering， Tangshan University， Tangshan 063020， China)

Abstract：With the simulation software platform of ADAMS，the authors of this paper have established a model of mining-oriented sand machines with vibrating screens， conducted corresponding simulations and obtained the motion laws with rigid and flexible connecting rods. With a flexible connecting rod， the curve of the rocker angular velocity changes little， but the angular acceleration fluctuations greatly， causing an impact， in the process of which the speed of the sand box is unstable， the stress changes noticeably. It agrees with the actual process. The stress exerted on connecting rod in the actual situation is poor， and in some cases causes the vibration of the sand machine.Key Words： ADAMS；sand machine with vibrating screens ； rigidity； flexibility； simulation

基金项目：2012年度唐山市科技计划项目(12110231b)

作者简介：张向红(1969-)，女，河北武邑人，副教授，主要从事机械设计及理论研究。

中图分类号：TD452；TP391.9

文献标志码：A

文章编号：1672-349X(2016)03-0015-03

DOI：10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.03.005