動態(tài)設計在慣性振動給料機中的分析應用

張軍光 張強

摘 要：文章針對性的對給料機中的慣性給料機進行了介紹，以動態(tài)設計作為中心內容，闡釋了其一般步驟以及相關內容，并通過對ZG單電機振動給料機以分析，文章中的動力學分析主要使用了Matlab。

關鍵詞：動態(tài)設計；慣性振動給料機；Matlab

慣性振動式給料機是目前應用較為廣泛的給料機，其工作原理是利用振動電機負載振子，產生的振動作用，完成給料動作。該設備目前在工業(yè)生產、農業(yè)生產和國防建設等領域應用廣泛，通過振動機械的振動作用，被運輸物料便會沿著槽體向指定的方向滑行或者作拋擲運動，以此完成物料的運輸。

這種振動式的給料機同其他給料機具有共同的發(fā)展方向，即設備的體型越來越大，集成性越來越強，自動化越來越高，智能化程度越來越高。但是越先進的設備在運行過程中設計動力學問題便會越來越多，在動力學特性上提出更高的要求。

所以，在設備的設計中，以動態(tài)設計理論為基礎，動態(tài)設計方法為手段的系統(tǒng)，全面的設計對設備系統(tǒng)以及零部件是不可或缺的工作，動態(tài)設計作為一種保障措施和手段，是機械運行以及系統(tǒng)運轉的保障基礎。該種慣性振動式的給料機動態(tài)設計的根本目的就在于，機械設備在投入實際的生產后，其工作狀態(tài)能夠達到較為理想的狀態(tài)，這不僅僅要求設備在使用時能夠從工藝指標上達到標準，同時還要求該設備在投入使用后生產性能可靠安全，并且使用年限能夠更長久。

1 動態(tài)設計主要內容

振動給料機主要利用機械振動，而機械振動賦予設備動態(tài)設計兩種內容：

首先，在慣性振動式的給料機設計初期，需要將初步設計的整體過程予以考慮，依據(jù)總結出來的理論成果以及工作經驗，對動力學參數(shù)以及運動學參數(shù)進行選擇、計算，對設備中應用的零部件的形式以及尺寸和形狀予以確定，在工藝上獲得更好的指標，例如電機選擇，料斗寬度，料斗長度，送料速度，輸送量確定，結構模式等。

其次，在進行初步設計之后，需要進一步對設備進行結構建模，對設備的動態(tài)特性予以研究分析，并對設備進行分析、試驗，最大程度的對動態(tài)特性予以分析，了解設備的動態(tài)特性，從而對設備的圖樣予以審核，對結構的力學性能薄弱或者振動傳遞不好的部位進行更改，如果整體振動效果不好，對圖樣全面修改和重新設計。

2 慣性振動給料機的主要特點分析

相對于我國目前所用的幾種給料機，慣性振動式的給料機具有以下的特點：結構簡單，安裝方便，運行穩(wěn)定可靠。輸送量大，輸送效率高，對物料適應性強。能耗低，維修量小，運行費用低。采用變頻調速，給料量調節(jié)方便，更容易實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制。選用防爆激振器可用于有防爆要求的場合。慣性振動給料機配套反接制動控制箱，可使給料機在短時間內迅速停機，同時還具有過流、過壓、斷相保護作用，并可應客戶要求，增加能耗制動、快慢加料、遠程控制及無級調速等功能。

3 慣性振動式給料機

在動態(tài)設計上的方法以及步驟包括以下幾個方面內容：計算運動學參數(shù)、動力學相關內容的建模以及計算動力參數(shù)、分析系統(tǒng)規(guī)定動態(tài)性，并通過實驗對設備的參數(shù)、模態(tài)以及需要進行修改的地方進行識別，同時需要對設備結構進行予以動力修改。對上述動態(tài)設計，使用最多的方式是實驗法、數(shù)值法以及解析法。幾種方式的結合方法能夠將實際同理論聯(lián)系起來的方式。

（1）計算運動學參數(shù)：振幅、振動方向角以及頻率、工作面傾角以及運動軌跡是運動學參數(shù)計算的主要對象，上述參數(shù)需要在物料處于最佳狀態(tài)或者次佳狀態(tài)下獲得的，最佳運動學參數(shù)或者次佳運動學參數(shù)。

（2）建模：慣性振動式給料機具有其特有的性能，根據(jù)這一特點，對其進行動力學建模。首先將系統(tǒng)進行有限元的劃分，選取相應的坐標系。計算在總坐標系中單元的慣性矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣和結點力矩陣。

（3）計算動力學參數(shù)以及分析動態(tài)特性：對于固有振型以及頻率的計算，可以將阻尼以及外作用力進行事先的去除，可以列式：M■+KU=F式中M表示質量矩陣；K表示剛度矩陣，而U則表示位移向量；上述方程有下列形式的解：U=Ψsinφ，其中Ψ表示位移向量（同時間無關）。將U帶入上面的公式可以得到：（K-ω2M）Ψ=0

通過上述方程可以將系統(tǒng)中固有的振型以及頻率進行計算。有幾個自由度系統(tǒng)便會產生幾個固有頻率，而固有的頻率都會對應有一定的振型。另外，動力學方程還能夠進行坐標變換，通過變換在正規(guī)坐標或者主坐標上放置方程，繼而將系統(tǒng)動力響應予以求出。

（4）系統(tǒng)物理參數(shù)的識別以及實驗模態(tài)：

通過實驗可以測得急切的動態(tài)特性。振動測量時，應同時測量輸入和輸出。測得輸入和輸出，便可算出頻率響應函數(shù)，由此可按照所測得的激勵和響應將系統(tǒng)的動態(tài)性能推算出來。識別模態(tài)參數(shù)可在頻域中予以識別也能夠在時域中予以識別。

4 實例分析

在慣性振動式給料機的應用中，可以設備采用Malfab進行動力學分析，并進行仿真研究，通過以下步驟進行討論。首先是力學模型的簡化，其次是分析設備的受力狀況，繼而建立微分方程，并求解微分方程，最后則是對結果的分析和仿真處理。

根據(jù)設備的實際結構，將阻尼的影響予以忽略，建立起相應的力學模型，模型的坐標原點取給料機的質心，水平方向做X軸垂直方向是Y軸。

偏心塊在旋轉時會出現(xiàn)周期激振力，正是由于這種現(xiàn)象，慣性振動式給料機在安裝過程中會產生沿著力心以及質心連線的方向分解為F1，F(xiàn)1=F0cosωt，進一步對力分解，便可以得到Fx以及Fy另一個分解力會沿著Z軸垂直于力心和質心的連線Fz.Fz=F0sinωt，所以在x/y/z軸會分別在三個方向上產生振動。力心和質心又不重合，那么Fz所產生的力矩會令設備發(fā)生轉動，這里僅僅考慮設備圍繞Y軸進行轉動，用角位移θ表示。依照牛頓運動定律以及轉動方程，能夠建立起振動微分方程。由于給料機的工作環(huán)境是共振區(qū)，因此將阻尼忽略，那么可以求得機體三個方向上的振幅以及繞Y軸轉動時的幅值。

作為目前在技術指標上最先進的設備之一，慣性振動給料機在給料作業(yè)中已經普遍的應用在多行業(yè)領域，并且在現(xiàn)代的慣性振動式給料機的應用中往往還會加入變頻調速的相關技術，當前的礦山、冶金以及電力、煤炭和輕工、化工、建材等行業(yè)中，慣性振動式給料機已經逐步的開始應用，主要被用在對散狀物料的運輸工作中，將散裝物料從儲料倉、漏斗中傳送到受料裝置中，連續(xù)、均勻的進行運送。例如將慣性振動式給料機應用到電廠中，在上煤系統(tǒng)中通過該設備為皮帶機輸送散裝煤炭；而在洗煤廠的應用中，則通過該設備進行裝車，此外碼頭的卸船也應用到了振動給料機。在動態(tài)作用下，通過結構構件動力狀態(tài)反應為依據(jù)對設備進行設計，有時可采用動力系數(shù)方法簡化為靜態(tài)設計。

5 結束語

通過對慣性給料機的動態(tài)設計和動力學分析，繪出振動工作面上運動曲線的軌跡，從中得出料槽中的物料在XZ平面內的橢圓振動作用下，使物料產生一個松散物料的作用，從而提高了物料的運動速度及振動給料機的給料效率。同時采用較大的傾斜角和振動方向角可獲得較大的振動給料效率，且很穩(wěn)定，節(jié)約能源。依據(jù)結論優(yōu)化給料機的設計，進而對物料運輸?shù)男视枰蕴嵘?，增加行業(yè)的效益，并為振動給料機的生產設計提供可靠依據(jù)，具有很大的價值。

參考文獻

[1]辛志杰，徐燕申.超聲珩磨振動系統(tǒng)動態(tài)設計[J].組合機床與自動化加工技術，2006年06期.

[2]閻勝文，瞿金平，韋建召.單螺桿振動塑化擠出機螺桿轉動對其軸向振動的影響[J].中國機械工程，2006年09期.

[3]李鶴，姚紅良，聞邦椿，應懷樵.振動錘的周期運動穩(wěn)定性與分叉[J].東北大學學報（自然科學版），2004年01期.