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沈陽理工大學學士學位論文
摘 要
電磁振動給料機是近幾年來得到迅猛發(fā)展的一種新型機械，已經廣泛應用于冶金，化工，醫(yī)藥食品等各行各業(yè)。隨著采煤機械化程度的提高，對振動給料機的要求越來越高，因此，研究、設計、制造電磁振動給料機就成為一項十分重要的研究課題。
由于現在煉鋼行業(yè)的急速發(fā)展對環(huán)境的影響越來越大，這就對給料機械的環(huán)保設計提出了迫切的要求。所以這次電磁振動給料機的設計中使用了干熄焦技術來降低污染，同時還對電磁振動給料機的電磁學、動力學參數以及鐵芯、銜鐵等結構進行設計。確認無誤后使用AutoCAD軟件繪制電磁振動給料機振動器裝配圖等。最后，這次設計還對電磁振動給料機的使用和維護進行了討論和介紹。
關鍵詞：電磁；振動給料機；干熄焦；
ABSTRACT
Electromagnetic vibration feeder is a new type machine which has been developed promptly in recent many years and applied widely to metallurgy industry, chemical industry, medicine and foodstuff industry, etc. With the increased mechanization of mining, the capacity requirements on the electromagnetic vibration feeder machine are increasing . Therefore, the research, design and manufacture of electromagnetic vibration feeder has became an fully important research subject.
Now the rapid development of steel industry's impact on the environment more and more, this is to put forward the urgent request to the environmental protection design of Material delivery machinery. So the design of the electromagnetic vibration feeder is used in CDQ technology to reduce pollution, but also on the electromagnetism electromagnetic vibration feeding machine, the kinetic parameters and the core. Design of armature structure. Check the correct use of AutoCAD software of electromagnetic vibration feeder vibrator assembly diagram. Finally, this design also uses the electromagnetic vibration feeder and maintenance are discussed and introduced.
Keywords: electromagnetic； vibration feeder; Coke dry quenching；
目 錄
緒 論 1
1 電磁振動給料機 3
1.1 電磁振動給料機簡介 3
1.2 給料機構造 3
1.3 給料機工作原理 5
2 動力學參數的設計與計算 7
2.1 設計原始數據 7
2.2 輸送速度的計算 7
2.3 電磁振動給料機的力學模型 9
2.4 電磁振動給料機的動力學計算 10
2.5 振動輸送參數選擇 13
2.5.1 物料拋料指數D的選擇 13
2.5.2 動力系數K的計算 14
2.5.3 給料量的計算 14
3 電磁學參數的設計與計算 15
4 振動給料機的結構設計 18
4.1 機械結構設計準則 18
4.2 結構設計 18
4.2.1 鐵芯的設計 18
4.2.2 銜鐵的設計 22
4.2.3 板彈簧的設計 23
4.2.4 聯接叉的設計 24
4.2.5 殼體的設計 25
4.2.6 減振彈簧的確定 26
5 給料機的使用與維護 28
5.1 電磁振動給料機的使用 28
5.1.1 給料機的使用 28
5.1.2 給料機給料量的調節(jié) 29
5.2 電磁振動給料機的維護 31
結 論 33
致 謝 34
參考文獻 35
附錄A 英文原文 36
附錄B 漢語翻譯 43
IV
沈陽理工大學學士學位論文
緒 論
從建國初期，國家以重點發(fā)展重工業(yè)以盡快實現社會主義工業(yè)化時起，鋼鐵工業(yè)即被作為重工業(yè)的代表而得到了中央政府的高度的重視，從而有了從幾乎是空白建立起一個強大的鋼鐵產業(yè)的可能。從一五計劃時起，國家就不斷地從農業(yè)和其他產業(yè)上為鋼鐵產業(yè)的發(fā)展籌集了大量的資金，并不惜花很大的代價用于技術的開發(fā)和創(chuàng)新。同時，鋼鐵工業(yè)作為中國最重要的基礎原材料產業(yè)之一，與國家改革開放、經濟發(fā)展與社會進步的步伐息息相關。經過近六十年的發(fā)展，中國鋼鐵產業(yè)取得了舉世矚目的成就，逐步步入了成熟的發(fā)展階段。
——1949年，中國鋼鐵產量只有15.8萬噸，居世界第26位，不到當時世界鋼鐵年總產量1.6億噸的0.1%。
——20世紀90年代以來，鋼產量從1990年的6635萬噸，到1996年首次突破1億噸，達到10124萬噸，躍居世界首位，從此，一直保持著世界鋼產量第一位。
2003年突破2億噸，2005年突破3億噸，2006年突破4億噸，2008年突破5億噸。
由于早期的煉鐵采用的是木炭等材料作為燃料和還原劑，隨著樹木等資源的砍伐和嚴重緊缺，1709年世界上開始采用焦炭代替木炭來進行煉鐵和煉鋼，從此推動了煉焦生產技術的發(fā)展。焦炭是冶金等行業(yè)不可或缺的原材料，在我國二次能源的使用中占據著極為重要的地位。截至目前，我國的冶金行業(yè)連續(xù)保持著迅猛增長的態(tài)勢，煉焦行業(yè)也隨之大跨越式的增長。我國的經濟得到了長足迅猛的發(fā)展。一方面我們由衷地感到欣喜；另一方面也為煉焦業(yè)正在對環(huán)境造成越來越嚴重的污染而倍感憂慮。
隨著我國國民經濟的快速發(fā)展，礦產資源的綜合利用技術與其產業(yè)迅猛前進, 給料是許多行業(yè)(如冶金、礦山、建材、化工、陶瓷、筑路等）產品生產中不可缺少的工藝過程。振動給料機用于把物料從貯料倉或其它貯料設備中均勻或定量的供給到受料設備中，是實行流水作業(yè)自動化的必備設備，分敞開型和封閉型兩種.根據安裝方式可分懸掛式和臺式等幾種。
電磁振動給料機結構簡單，操作方便，不需潤滑，耗電量小;可以均勻地調節(jié)給礦量;因此已得到廣泛應用。但是電磁振動給料機設計它也存在著一些缺點，如接通電源后機器不振動，機器間歇地工作或電流上下波動及空載試車正常負載后振幅降低較多等，這些都是需要在今后的設計生產中進一步改進的地方。
這次課題研究主要針對的是電磁振動給料機在焦炭給料中的應用，由于焦炭給料中容易產生碳粉末揚塵現象，同時在工作時會產生高溫等，這些對環(huán)境對機器的正常工作都會有很大影響。因此本次課題將研究使用液氮干熄焦技術（干法熄焦技術(Coke dry quenching)簡稱干熄焦(CDQ)，是相對于濕法熄焦技術(Coke wet quenching)簡稱濕熄焦(CWQ)而言的。它是采用惰性氣體將赤熱焦炭熄滅的一種熄焦方法。干熄焦技術能夠回收利用紅焦的顯熱，改善焦炭的成品質量，減輕熄焦操作過程中對環(huán)境造成的污染，是一項目前國內外冶金行業(yè)重點推廣、并已經得到廣泛采用的節(jié)能環(huán)保減排技術。干熄焦生產線是利用冷的惰性氣體，將出爐赤紅焦的顯熱回收的技術設備，與傳統(tǒng)的濕法熄焦技術相比，具有低資源 消耗、排污量小和顯著提高焦炭質量等優(yōu)點。）進行降塵降溫。液氮在降溫除塵后產生的高溫氣體還可用來推動汽輪機發(fā)電或直接供暖資源多次利用。所以對CDQ電磁振動給料機設計的結構優(yōu)化具有很重要的意義。
1 電磁振動給料機
1.1 電磁振動給料機簡介
電磁振動給料機是一種較新型的定量、給料設備，它是利用振動使物料產生周期性的拋擲運動而完成向前輸送物料的。它的用途很廣，例如，用于從料倉排料；向膠帶輸送機、斗式提升機等給料；向破碎機、粉磨機喂料；以及定量包裝和定量配料等。此外，電磁振動給料機還可以用于自動控制的生產流程中，實現生產自動化。目前，在采礦、冶金、煤炭、化工、建材、機械制造以及糧食、輕工業(yè)等工礦企業(yè)中，電磁振動給料機已經比較廣泛地獲得采用。它適用塊狀、粉粒狀物料，還適用于輸送高溫的、磨損性大的以及有腐蝕性的物料，例如：化工原料及其產品、食品、玻璃原料、礦石、礦粉、煤炭、型沙、等[1]。本次設計的7噸干熄焦電磁振動給料機主要于干熄焦生產線上，用來輸送熱焦碳。
1.2 給料機構造
電磁振動給料機一般由四個主要部分組成：料槽、支架小車，電磁激振器及控制系統(tǒng)。其具體結構見圖1.1。
圖1.1 電磁振動給料機樣機圖
由于給料機是一個中間環(huán)節(jié)的輸送設備，其料槽的形狀結構尺寸基本已經確定，所以不必再設計料槽的具體尺寸。激振器是使槽體產生振動的能源部件。所以它也是本次設計的核心部分。以板彈簧電磁振動給料機為例，主要由下列幾個部分組成，見圖1.2
圖1.2 板彈簧電磁震動器
1-殼體 2-鐵芯 3-線圈 4-銜鐵 5-聯接叉 6-板彈簧
1. 聯接叉：聯接叉是一鑄鐵件，它與槽體剛性連接在一起，通過它將激振力傳給槽體。
2. 銜鐵：銜鐵由0.23～0.50毫米的一字形硅鋼片迭裝而成，用螺栓固定在聯接叉上，和鐵芯保持一定間隙。
3．板彈簧組：振動器板彈簧為儲能機構，它一般由60Si2Mn或60Si2A制成。彈簧板中部用一螺栓夾在聯接叉中，兩端各用一螺栓夾在機殼上，構成機器的彈性系統(tǒng)。它聯接前質量和后質量，形成雙質點振動系統(tǒng)。板彈簧是機器的重要工作零件，其材料的質量的好壞，直接影響給料機的工作性能。板彈簧電磁振動給料機，通常利用增加或減少板彈簧片數的方法，調整機器的工作點（即頻率比）。
4. 鐵芯和線圈：鐵芯用0. 23～0.50毫米“山”形硅鋼片迭裝而成，用螺栓固定在振動殼體上，鐵芯上套有線圈，當電流通過時就產生磁場。
5. 激振器殼體：殼體用鑄鐵鑄造，作為固定彈簧組和鐵芯用，亦作為平衡質量用，所以其質量應滿足設計要求。為了防止將振動傳給地基或建筑物，將激振器殼體支撐于剛度不大的隔振彈簧上[2]。
1.3 給料機工作原理
1-槽體
2-聯接叉
3-板彈簧
4-銜鐵
5-氣隙
6-殼體
7-鐵芯
8-減振器
圖1.3 電磁振動給料機工作原理圖
如圖1.3所示，由槽體、聯接叉、銜鐵、工作彈簧的一部分以及約占槽體容積10～20%的物料等共同構成質量；由激振器殼體、鐵芯、線圈及工作彈簧的另一部分等構成質量。質量和質量用板彈簧連接在一起，形成一個雙質點定向振動的彈性系統(tǒng)。根據機械振動諧振原理，將電磁振動給料機的固有頻率調諧到與電磁激振頻率相近、使其比值 =0.85～0.95,機器便在低臨界共振狀態(tài)下工作。因此電振機具有工作平穩(wěn)，消耗功率小的特點。
圖1.4 電壓和電磁力的變化示意圖
激振器電磁線圈的電流一般是經過單相半波整流的。未整流時電流的電壓為正弦曲線，見圖1.4a，當半波整流后，在正半周內有電壓(圖1.4b)加在電磁線圈上，因而電磁線圈就有電流通過，在銜鐵和鐵芯之間便產生一對大小相等的脈沖電力，見圖1.4c，互相吸引。這時槽體向后運動，激振器的主彈簧發(fā)生變形，儲存了一定的勢能。在負半周，線圈中無電流通過，電磁力消失，由于板彈簧儲存的勢能被釋放，銜鐵和鐵芯朝相反方向離開，槽體向前運動。這樣，電磁振動給料機就以交流電源的頻率，作每分鐘3000次往復振動。由于槽體的底平面與振動器的激振力作用線間有一定的夾角，當槽體振動加速度的垂直分量大于重力加速度時，槽中的物料被連續(xù)拋起，并按拋物線的軌跡向前進行跳躍運動。由于槽體振動的頻率很高，振幅很小，物料被拋起的高度也很小，所以只能看見物料在槽中向前流動。只有當單顆粒物料在槽中運動時，才能看見微小的跳躍運動[3]。
2 動力學參數的設計與計算
2.1 設計原始數據
本次設計的電磁振動給料機的基本參數如下：
1. 物料名稱：熱焦碳；
2. 物料性質：溫度≤，密度0.45t/m,粒度≤150mm；
3. 輸送量：max 140t/h, (在0~75t/h內無級變量)；
4. 工作方式：連續(xù)；
5. 雙振幅：1.5mm；
6. 震動頻率：50HZ；
7. 電磁振動器上傾角：20°；
8. 料槽下傾角：6°；
9. 總質量： 7t(其中m+m=7t, m/m=0.9)；
10. 工作環(huán)境：室外，支撐在樓板上，高溫，高粉塵；
11. 結構形式：料槽和振動器都采用彈簧下支撐，料槽內側各面裝耐磨襯板，鐵芯采用“山”形鐵芯。
2.2 輸送速度的計算
振動給料機輸送速度與物料的物理性質、料層厚度以及振動頻率、振幅、振動方向角有關。
當物料顆粒在振動槽中的垂直向上加速度分量達到-g后，以槽體的速度脫離輸送槽，在拋擲過程中只受地心引力作用，而且重新與槽體接觸時只引起塑性沖擊，則水平輸送理論速度可以用下式計算：
(m/s) (2.1)
=
=0.228（m/s）
式中
g——重力加速度(m/)；
f ——振動頻率(Hz)；
——振動方向角(°)；
n——系數。(上式中n取0.9)；
系數n為拋擲時間與振動周期之比，即
(2.2)
n與D具有下述隱函數關系：
(2.3)
n與D的關系見圖2.1。當D=3.3時，拋料時間即等于振動周期
1f, n=1
如果機器動力系數K已經選定，則振動方向角的選擇對輸送狀況有極大的影響。角越大，拋料指數D也越大。這表示物料拋得陡而高，系數n也大；小時則相反，物料拋得較平，并且向對于拋料時間，物料在槽里停留時間長。
振動方向角的選擇取決于三個因素，即預期的輸送速度、槽體的磨損和對輸送物料的保護。對應每一個動力系數K可得到一個最佳振動方向角，使輸送速度最大。
圖2.2表明，為了獲取最高的輸送速度，振動方向角與設備動力系數K所呈現的函數關系，同時也含有與拋料指數D的關系。
對一系列物料進行多次實驗結果得出實際輸送速度與理論速度的差值，即實際速度為：
(2.4)
=
=0.172（）
式中
——物料性質速度降低系數(取0.7)；
——料層厚度降低系數（取0.8）；
——槽體傾角影響速度系數（取1.14）。
2.3 電磁振動給料機的力學模型
電磁振動給料機的結構可簡化為一個雙自由度雙質體的振動系統(tǒng)，其力學模型如圖2.3所示。質量為前質量，包括給料槽、給料槽物料的結合質量、聯接叉、銜鐵、主振彈簧折算質量等幾部分。質量為后質量，包括振動器殼體、鐵芯、線圈和主振彈簧折算質量部分及配重等。作用在兩個質體上的激振力模量大小相等方向相反，對振動系統(tǒng)而言是作用與質體之間的內作用力。相對阻尼力是消耗在彈性系統(tǒng)的滯后上，大小相等方向相反。外摩擦阻力，主要是由于物料輸送中所引起的阻力，由于阻力比較小，所以分布在系統(tǒng)中兩個質體上，也可以認為近似于相等，方向相反。內阻力與彈性元件的變形速度成比例，外阻力與質體的運動速度成比例。因此，從上述分析可以列出電磁振動給料機的振動微分方程：
m1x1+f1x1+fx1-x2+k1x1-x2=Fsinωt+φm2x2+f2x2-fx1-x2-kx1-x2=-Fsinωt+φ (2.5)
式中
、——質體1、質體2的質量(kg)；
、——質體1、質體2的阻尼系數；
——質體1、質體2之間的相對阻尼系數；
x1、x1、x1、x2、x2、x2——分別為質體1、質體2在振動方向上的位移、速度和加速度；
F——激振力幅(N)；
ω——角頻率(rad/s)；
t——時間(s)；
ψ——初相位角(°) [4]。
2.4 電磁振動給料機的動力學計算
由原始數據和前面章節(jié)的計算推得，電磁振動給料機的給料量為30~150t/h，振動頻率ω=314rad/s，調諧指數z=0.9，其動力參數計算如下：
(1) 初步分配質量比：
質量m1為前質量，包括給料槽、給料槽物料的結合質量、聯接叉、銜鐵、主振彈簧折算質量等幾部分。質量m2為后質量，包括振動器殼體、鐵芯、線圈和主振彈簧折算質量部分及配重等。
由已知質量比m1：m2=0.9，主振彈簧采用板彈簧或剪切型橡膠彈簧,且此次設計用板彈簧。
+=7000kg
則可以計算出=3316kg，=3684kg。
(2) 求質體1和質體2振幅：
在振動方向上，由于k1＜＜k2，所以可忽略k2的影響。將式 (2.5)中兩方程式相加可得：
m1x1+f1x1+m2x2+f2x2=0 (2.6)
也就是說，在每個瞬時，質體的慣性力與外阻力之和為零。同時外阻力近似地均布在兩個質體上，大小相等方向相反，即：
m1x1+m2x2=0 (2.7)
則式(2.6)可寫成： f1x1+f2x2=0 (2.8)
當強迫振動系統(tǒng)滿足式(2.6)和式(2.7)時，則：
x2x1=-f1f2=-m1m2 (2.9)
因此，電磁振動給料機具有質量與振幅成反比的特性，即：
(2.10)
式中
、——分別為質體1和質體2的振幅。
相對振幅A一般由一次諧波激振力幅和二次諧波激振力幅組成。
A=a1+a2=1.5(mm)
可得出：
a1=0.789(mm)
a2=0.711(mm)
(4) 計算質量m
雙質體振動系統(tǒng)振動時，在彈簧上有一點處于景致，這一點稱為震動系統(tǒng)的惰性中心，它隨兩個質量比的不同而處于不同位置。當時，惰性中心在1/2處。當時，惰性中心接近處。如果比值更大，則雙質量振動系統(tǒng)變?yōu)閱钨|量振動系統(tǒng)。式(2.8)可以簡化為單質量的強迫振動系統(tǒng)，其方程為：
(2.11)
(2.12)
(2.13)
可公式(2.13)得出
式中
m——計算質量（kg）；
c——摩擦阻尼力折算系數。
(5) 主振彈簧剛度k1
在不考慮阻尼時，可以認為和均以惰性中心為靜止點，以相同頻率作相對運動，則振動系統(tǒng)固有頻率為：
（rad/s） (2.14)
因此 (其中z取0.9)
ω——角頻率(rad/s)；
z——調諧指數；（z取0.9）。
(6) 激振力幅F及力與位移的夾角α的計算
方程
x+f+cmx+k1mx=Fmsinωt+φ
的特解為：
(2.15)
(2.16)
，z=0.9~0.95 (2.17)
，b=0.05~0.07 (2.18)
(2.19)
由公式（2.19）得：
α=arctan2bz1-z2=arctan2×0.07×0.91-0.92=33.5°
式中
x——相對位移（m）；
F——激振力幅（N）；
λ——共振放大系數：
——激振力之后位移的相位角；
z——調諧指數；
b——衰減系數。
激振力為主振彈簧最大變形與彈簧剛度之積：
(2.20)
將式(2.20)代入式(2.16)，激振力為：
（N） (2.21)
取b=0.07，則
F=1.5×10-3×2.124×108×1-0.922+4×0.072×0.92=7.26×104(N)
式中
A——相對振幅（m）；
z——調諧指數；（z取0.9 ）
b——衰減系數；(b取0.07)
k1——主振彈簧剛度（N·m）。
所謂共振放大系數即在激振力F的作用下，主振彈簧的動態(tài)變形量與靜態(tài)變形量之比，即相對振幅與靜變形量之比。從式(2.21)也可以看出，在系統(tǒng)振動狀態(tài)下，阻尼的變化或調諧指數的變化都將直接影響振幅的穩(wěn)定性。通常電磁振動機械選擇在低臨界近共振狀態(tài)下工作，即=0.9~0.95，以獲得較穩(wěn)定的振幅和用較小的激振力獲得較大的效能。
阻尼系數為參變量，在低臨界近共振狀態(tài)下，由于外部因素，如料槽中物料量增加或料倉壓力增大等因素影響，阻尼增大時，其振動振幅將降低。但與此同時，震動系統(tǒng)固有頻率也減小，而使調諧指數趨近于1，則振幅趨于增加，達到相互補償作用。當阻尼減小時，則上述因素將向相反方向變化，同樣能保持這種相互補償關系，從而可使電磁振動給料機穩(wěn)定運行。
當調諧指數接近1時，即電磁振動給料機在接近共振狀態(tài)下工作，雖然所需激振力較小，但是阻尼的變動對共振放大系數和振幅的影響更加敏感，機器的運行穩(wěn)定性就差。所以對大型電磁振動給料機一般取z=0.9，小型的取z=0.93~0.95。
2.5 振動輸送參數選擇
2.5.1 物料拋料指數D的選擇
對于各種振動機械，拋料指數的選擇范圍是不相同的。對于大多數長距離大產量的振動輸送機，拋料指數通常為D=1.4～2.5；對于電磁振動給料機，由于長度較短，為了獲得較大的輸送速度，拋料指數的選擇范圍為D=2.5～3.3。物料在拋擲狀態(tài)下運動，由于物料與料槽底部接觸時間較短，大部分時間處于空中運行狀態(tài)，所以對槽體磨損較小。振動給料機采用中速拋擲狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，振動輸送效率較高，能耗少，對機體強度和剛度要求不太高。在2.5～3.3范圍之內，所以拋料指數D取值合理
D1=4π2f2a1sinβg=4×3.142×502×0.789×sin20°×10-2 9.8=2.718 (2.22)
2.718在2.5～3.3范圍之內，所以拋料指數D取值合理
2.5.2 動力系數K的計算
設備的動力系數K主要受機械零件強度和結構剛度限制。輸送距離長，輸送量大的振動輸送機，為提高設備利用系數，使設備不過于龐大復雜并能長期工作。通常動力系數K=4～6。振動給料機K=7.5～10。振動輸送機和給料機的工作頻率f和振幅的選擇范圍比較大，可以根據結構形式、輸送長度、輸送能力和工藝要求選擇。電磁振動給料機采用高頻小振幅狀態(tài)下工作。振動頻率f=15～100Hz，相對應的振幅 =0.789mm。本設計振幅a取1.5mm，f為50Hz [5]。
K=Stmaxg=4π2f2a1g=4×3.142×502×0.789×10-2 9.8=7.946 (2.23 )
7.946在在7.5～10范圍之內，所以動力系數K取值合理。
2.5.3 給料量的計算
給料槽出料口的截面尺寸為1320×782(mm)
輸送量Q按給料槽截面尺寸和輸送速度確定：
(2.24 )
=3600×1.32×0.782×0.172×0.7×0.45
=201.34()
式中
Q——質量輸送量（t/h）；
——實際輸送速度（m/s）；
——物料堆積密度(t/m3)；
——承載構件中物料填充系數；（取=0.7）
對于矩形料槽，=0.6～0.8；圓管形料槽=0.5。
3 電磁學參數的設計與計算
根據動力學參數所確定的工作頻率、相對振幅、激振力幅及力與位移相位差角和環(huán)境要求進行電磁參數計算。
傾角為時，輸送能力為30~140t/h的電磁振動給料機，動力學參數：工作頻率為3000次/min，相對振幅A=1.5mm，激振力幅F=72637.72N，力于位移相位差角α=33.5°，供電電壓，。由此可得電磁參數如下：
選擇可控晶閘管半波整流激磁方式。鐵芯形式選擇“山”型鐵芯，材料選用DW240-95硅鋼片（具體選用理由詳見第四章4.1.1）
(1) 選定氣隙磁密，決定磁極面積
根據半波整流激磁方式和硅鋼片磁密許用值，對于DW240-95硅鋼片一般取氣隙基本磁密B0=1.0~1.2T，所以半波整流磁極面積為：
(3.1)
式中
S＇——磁極面積(m2)；
F——激振力(N)；
K1 ——磁力線邊緣效應系數，K1=1.1；
K2——電阻影響系數，K2=0.97；
μ0——真空導磁率，μ0=4π×10-7H/m；
B0——氣隙基本磁密，取B0=1.1T。
S'=7.264×104×4π×10-72×1.1×0.97×1.12=0.0354m2
(2) 決定鐵芯磁密并求出電磁線圈匝數
由于漏磁通的存在，所以氣隙磁密小于鐵芯中的磁密。鐵芯中磁密與氣隙磁密的比值稱為漏磁系數。在計算鐵芯磁密時，還要考慮硅鋼片在加工工藝中涂漆厚度和疊片壓緊程度。鐵芯磁密為：
(3.2)
式中
——鐵芯磁密(T)；
—— 漏磁系數，當鐵芯與銜鐵之間氣隙時，；
—— 填充系數，；
—— 疊片壓緊系數，。
BOT=1.51.05×0.95×1.1=1.654T
線圈匝數為：
(3.3)
式中
——綜合影響系數，。
N=380×0.94.44×50×1.654×0.0354=26.3≈26匝
（3）激磁電流
基本電流：電磁振動給料機在交流供電電壓下的瞬時值電流。它有三部分組成：直流分量、一次諧波分量、高次諧波分量[6]。
(3.4)
(3.5)
直流分量：
Iz=1-γ2cosαI0=1-0.772cos33.5°×129.38=87.84A (3.6)
一次諧波分量：
I1=I01+γ2-2γcosα
=82.15×1+0.772-2×0.77×cos33.5°
=71.88A (3.7)
二次諧波分量：
(3.8)
總電流有效值：
(3.9)
（4）電磁線的選擇
一般小型振動器的電磁線的電流密度選取j=2A/mm2,大型振動器j=1.5A/mm2，并根據環(huán)境要求選擇電磁線的絕緣強度及層間絕緣材料。
本設計取j=1.5A/mm2，采用“山”形鐵芯，則
電磁線截面積：
(3.10)
電磁線直徑：
(3.11)
（5）視在功率：
(3.12)
（6）有功功率：
(3.13)
（7）功率因數：
(3.14)
4 振動給料機的結構設計
4.1 機械結構設計準則
1. 對于那些損壞可能對產品的安全性和可靠性有比較大的不利影響的零件所用材料，其環(huán)境適應性和耐久性必須：
(1)建立在經驗或試驗的基礎上；
(2)考慮環(huán)境的影響，如溫度、濕度、振動和大氣污染等。
2. 結構的每個構件必須適當地加以防護，以防因氣候、腐蝕、磨損等原因引起的員傷或強度降低。
3. 相鄰結構若有較大溫差，必須注意熱變形引起過應力而造成零件的損壞。
4. 應盡量減少應力集中，減少或避免附加彎矩，避免不利的傳力形式出現，控制復雜載荷的應力出現。
5. 為了提高結構的搞疲勞能力，在設計中必須注意：
(1) 合理的選材；
(2) 減少應力集中（如斷面的急劇變化、尖角、銳邊、表面粗糙度等）；
(3) 控制尺寸公差，以免負公差的累積導致構件的斷面厚度偏?。?
(4) 盡量采用干涉配合的緊固件；
(5) 局部關鍵部位應進行強化；
(6) 在噪聲疲勞部位（發(fā)動機附近），應降低工作應力，或采用夾層結構。
6. 為防止某個構件的損壞而引起其它構件的損壞，在設計時應采用：
(1) 止裂措施；
(2) 多路傳力設計；
(3) 多重元件設計。
7. 密封材料應具有良好的耐磨、耐壓、耐油、耐高低溫和抗老化的性能[7]。
4.2 結構設計
4.2.1 鐵芯的設計
1. 鐵芯形式的選擇
合理的鐵芯結構可以使硅鋼片材料消耗和加工工時大為減少,減少漏磁,并利用安裝與調節(jié)。電磁鐵的鐵芯有三種形式: U型、山型、H型.U型的鐵芯結構簡單、漏磁少，但是結構不緊湊、不便于安裝。山型的電磁鐵的緊湊,復雜程度也不高,而且方便安裝，但是有漏磁，但現在可以使用優(yōu)質硅鋼片材料彌補大部分漏磁。H型電磁鐵結構比較復雜，調節(jié)比較困難，但彈簧不產生靜變形[8]?？紤]上述因素我選用“山”型的鐵芯作為本次設計的鐵芯。
2. 鐵芯材料的選用
電器元件應用廣泛，品種繁多，因其工作原理、使用場合不同，鐵芯的結構形式也各不相同。電流互感器、磁放大器、零序互感器等采用的是靜止式鐵芯，起控制和放大電信號的作用，而接觸器、繼電器、電磁鐵等采用的是運動式鐵芯，把電信號轉化為機械動作。運動式鐵芯由靜鐵芯（磁軛）和動鐵芯（銜鐵）組成，工作中處于頻繁吸合與釋放的狀態(tài)，其極面承受反復碰撞。因此，要求鐵芯除具有良好的磁性能外，還應具有一定的機械、沖擊韌性和耐磨性等，以保證電器的可靠運行。
運動式鐵芯按勵磁電流的種類不同，可分為直流勵磁鐵芯和交流勵磁鐵芯。直流勵磁鐵芯在穩(wěn)定狀態(tài)下通過恒定的磁通，沒有渦流和磁滯損耗，為加工方便，常用整塊低碳鋼或電工純鐵等材料制成。而交流勵磁鐵芯則通過交流磁通，產生渦流和磁通渦流，為減少渦流渦流常用涂有絕緣層，厚度為0.35～1mm,含碳量低于4.5%的硅鋼片疊壓而成，通常稱為疊壓式鐵芯。與直流勵磁鐵芯相比，交流疊壓式鐵芯機械強度不高，制造工藝復雜，因此提高疊壓式鐵芯的機械強度是鐵芯制造的重要課題[9]。
3. 硅鋼片類別的選擇
硅鋼片按軋制方式可分為熱軋和冷軋兩類，按硅鋼片晶粒取向分為無取向和晶粒取向兩大類。
從磁性能看，熱軋硅鋼片的工作磁感應強度僅為1.0～1.2T。而短時工作制的電磁裝置，如自藕減壓起動器中變壓器鐵芯的磁感應強度可選到1.6T。然而，冷軋硅鋼片一般都可工作在1.5～1.6T，同時其硬度也比熱軋硅鋼片高。由于冷軋硅鋼片在性能上明顯地優(yōu)于熱軋硅鋼片，其和值比熱軋硅鋼片高1.3～1.5倍，故在電器行業(yè)中熱軋硅鋼片正在被淘汰。美國自1954年、英國自1963年、日本自1967年已先后停止生產熱軋硅鋼片。與此同時，國外在無取向冷軋硅鋼片的絕緣涂層方面也取得了進展[10]。
綜合上述一些理由，本次設計選用冷軋無取向硅鋼片。
4. 硅鋼片厚度的選擇
渦流的磁場會減弱主磁場。由于鐵芯的中部所交鏈的渦流回路數量最多，所以中心部分的去磁作用也就最明顯。結果是沿邊緣的磁通多于中間的磁通，形成所謂的“集膚效應”。采用薄硅鋼片，不僅可有效地減少渦流，而且能降低集膚效應的不良影響。硅鋼片越薄，其效果越好。但是硅鋼片越薄，加工這種硅鋼片的工藝越復雜，成本越昂貴。在鐵芯制造中，硅鋼片越薄，加工越困難，而且硅鋼片間絕緣所占尺寸相對增加，使疊片系數下降，造成磁通密度增高。因此，硅鋼片也不宜過薄。目前變壓器采用的硅鋼片厚度一般為0.23~0.50mm。本設計出于經濟性和工藝性考慮，選用厚度為0.35mm
的硅鋼片。
綜上所述，再結合第三章電磁參數計算的=1.654 (T) 選擇厚度為0.35mm 理論密度為7.65的GB2521-88中的DW240-95牌號硅鋼片
5. 電磁鐵設計中著重注意的幾個問題
（1）當電磁鐵有漏感，及電路內有串聯電感或串聯電阻時，無論是哪一種電振機，其電磁力都是位移的函數。
（2）目前大多數電振機的工作點，在基波（一次諧波）共振區(qū)附近。
（3）一次諧波激振力的大小，主要取決于磁密波形或電流波形。
（4）增大電磁鐵的氣隙，會顯著增大線圈內的電流。
（5）選擇電磁鐵的磁密（依據最大磁密決定鐵芯面積），既要不浪費電磁鐵，又不允許跨入重飽和區(qū)[11]。
6. 鐵芯結構設計
鐵芯的結構式各異，但基本組成相同。常見的疊片式鐵芯由芯片、分磁環(huán)（短路環(huán)）、鉚釘、夾板等四部分組成。
由磁極面積為0.0354,可以設定“山”型硅鋼片中間磁極的寬度為180mm,則通過計算另一邊長度為197mm, 即“山”型硅鋼片中間磁極的橫截面尺寸為180×197（mm）。又由硅鋼片的厚度為0.35mm，可以計算出共需要563片硅鋼片。為保證單位時間內穿過的磁力線相等，取“山”型硅鋼片兩邊磁極的面積為中間磁極面積的一半，因為中間磁極與兩邊磁極的長度相等，所以兩邊磁極的寬度為中間磁極的一半，即90mm。 所以“山”型硅鋼片兩邊磁極的橫截面尺寸為90×197（mm）。由于線圈匝數為26匝，纏繞方式可定為2層×6匝+2層×7匝，又因為電磁線的直徑為9.55mm，再加上線圈兩側隔板的寬度，可取中間磁極和兩邊磁極之間的空隙寬度各為60mm,用于放置線圈。硅鋼片高度按DW240-95材料高度取240mm。硅鋼片具體尺寸見圖4.1所示。
圖4.1 鐵芯硅鋼片
由于硅鋼片要與殼體相連接，所以在兩邊設計兩個凸耳；硅鋼片需要壓緊，所以在硅鋼片兩個側面要加上若干個夾板；為減少電磁振動對鐵芯的影響，還需把底座和凸耳及中間硅鋼片部分用焊塊焊接起來。其具體尺寸根據實際需要而定，見圖4.2所示。
圖4.2 鐵芯結構圖
4.2.2 銜鐵的設計
銜鐵即運動式鐵芯，與鐵芯共同組成電磁鐵。銜鐵由0.35毫米一字形硅鋼片迭裝而成，用螺栓固定在聯接叉上，和鐵芯保持一定間隙。本次設計采用冷軋無取向硅鋼片DW240-95作為銜鐵材料，與鐵芯材料相同。由前一節(jié)的計算推導，可以計算出銜鐵共需要563片硅鋼片。硅鋼片的寬度是按照電磁鐵的導磁面積所設計，這樣保證電磁鐵和銜鐵的橫截面積基本相同，從而形成一個“回路” ；由于銜鐵要與聯接叉配合安裝，故其兩側需要兩個側耳，兩個側耳上各開有3個定位螺孔，和聯接叉兩側上的螺孔大小和位置均相同，用于完成定位連接；銜鐵兩側各需一個夾板來實現硅鋼片的壓緊。銜鐵的高度取為118mm,銜鐵的具體結構尺寸如圖4.3所示。
圖4.3 銜鐵結構圖
4.2.3 板彈簧的設計
振動器板彈簧一般由優(yōu)質彈簧鋼60SiMn或60SiA材料制成的板彈簧片疊裝而成。板彈簧經過淬火后，要求硬度HRC=39～45，熱處理后彈簧片不允許有扭曲、裂紋、夾渣、錘痕等缺陷；表面脫碳層厚度不得超過板彈簧厚度的1/100；表面要求噴丸處理，噴丸后沿長度方向上綜合平面度不大于20/2000 ，最后經探傷檢查，發(fā)藍處理。在板彈簧兩端及中間壓緊處均用5mm的鋁墊片隔開，以消除板彈簧之間的摩檫力和增加板彈簧的散熱面積。大型激振器，由于板彈簧體積較大，除了用薄墊片外，還應用厚墊片把板彈簧分成幾個小組。新的墊片是在使用過程中逐漸壓緊的，因此使用新的激振器時，必須反復擰緊頂緊螺釘，試運行一段時間后，再擰緊頂緊螺釘。
電磁振動器的板彈簧結構形式如圖4.4所示，板彈簧疊片兩端用螺栓壓緊，中間與聯接叉用螺栓夾緊。當振動時，板彈簧兩端有相對平移，所以在計算彈簧剛度時應考慮壓不緊系數。由材料力學彎曲變形知識可知，若忽略板彈簧本身質量，視兩端為固定梁，當梁的中心受力時，其撓度為：
圖4.4 電磁振動器板彈簧受力狀態(tài)和變形
(4.1)
(4.2)
式中
p——激振力(N)；
l——板彈簧有效長度(mm)；
E——彈性模量，E=206×109Pa；
J——慣性矩(m4);
b——彈簧板寬度(m);
d——彈簧板厚度(m)。
彈簧剛度：
(4.3)
由彈簧疊片，并考慮到壓緊系數，則彈簧板束總剛度為：
(4.4)
式中 k ——彈簧疊片總剛度(N/m)；
——壓緊系數，他與彈簧板厚度和片數有關，一般。
彈簧板有效長度1200mm,寬度為120mm，厚度為25mm，總剛度k=2.124×108N/m，壓緊系數為1.25，則彈簧板片數為：
由公式(4.4)得，
i=kαl316Ebd3=2.124×108×1.25×900×10-3316×206×109×120×10-3×25×10-33=31.3≈32片
本次設計的板彈簧的頂緊方式是后頂緊，板簧的外形尺寸按GB709-88[12]標準取1200×120×25（mm）,板簧采用兩排并排排列。板彈簧電磁振動給料機，通常利用增加或減少板彈簧片數的方法，調整機器的工作點（即頻率比）。
4.2.4 聯接叉的設計
聯接叉是把激振力傳給槽體的主要部件，它與槽體剛性連接在一起。聯接叉連接著振動體和槽體，既叉的底座連接著銜鐵，叉頭位置又連接著給料槽的推力板，因此聯接叉是設計中很重要的一環(huán)。小型聯接叉一般用HT20-40灰鑄鐵件，大型聯接叉一般用ZG45鑄鐵件，本設計選用ZG275-485H為殼體材料，此種材料性能要強于ZG45鑄鋼件。在滿足機械強度和剛度的前提下，應盡可能地減輕聯接叉的重量。
聯接叉內腔用于放置板彈簧，由于板彈簧的寬度為120mm,并且是兩排并排排列，所以聯接叉內腔寬要比2個板彈簧寬一些，取內腔寬為280mm,中間留出10mm，兩側各留出15 mm放墊板，剩下的240mm放板簧；聯接叉的叉口要與槽體推力板尺寸相同，其橫截面積尺寸為562×240（mm）。聯接叉兩側壁厚度選為50mm，兩側壁外側各留出30mm的筋板，用于增加強度。聯接叉叉體下部設計一個凹槽， 并且在凹槽中部開2個直徑為52mm螺孔，用于通過中部板簧的頂緊螺栓，這樣設計既節(jié)省材料，又為調整螺栓的頂緊留出了很大空間，結構設計合理，造型美觀；聯接叉的底座兩邊各開3個直徑為30mm的螺孔 ，位置與銜鐵上螺孔的位置相同，用于通過與銜鐵連接的螺栓，加工時要保證加工精度，以保證精確安裝。
本次設計板彈簧的頂緊方式采用的是后頂緊，因此，聯接叉的設計必須按照后頂緊的方式設計。根據設計要求，聯接叉的具體設計如圖4.5所示。
圖4.5 聯接叉
4.2.5 殼體的設計
殼體是各種機械的基本部件，它主要是起支承作用。機械的其他部件一般固定在殼體上，有些部件是在殼體的導軌面上運動。殼體起的基準的作用，以保證各部件間正確的相對位置，并且使整個機器組成一個整體。在其他部件及工件本身的重量和工作過程中的載荷（包括各種沖擊力）作用下，殼體要有足夠的強度而且變形不超過允許值。此外還應考慮機體的動剛度、阻尼、熱變形、尺寸穩(wěn)定性、疲勞強度等。
殼體一般是機器中尺寸最大的部件，它往往與機器的整體布局，機器的造型美觀，操作方便，加工工藝性等都有很大關系。殼體是個鑄件，小型激振器一般采用灰鑄鐵HT20-40，大型激振器一般采用鑄鋼ZG45或球墨鑄鐵QT40-17。以往設計的殼體曾使用過鑄鐵的材料，但鑄鐵容易疲勞，壽命很短，所以本次設計選用鑄鋼材料ZG275-485H為殼體材料。殼體的尺寸除了應滿足結構設計要求外，還必須按配重的要求來確定其重量，需要時外加配重進行調整。
由于板簧的長度為1200mm，要放在殼體上腔內，所以上腔的長度要比板簧略長一些，取為1240mm；由于鐵芯放在殼體下腔內且連接在腔內兩側凸臺上，所以下腔的長度取為886；殼體下上頂緊螺栓處的壁厚取為100mm,其他一些部分壁厚取為75mm，這樣即滿足強度要求，又節(jié)省材料，設計經濟合理。殼體的一些具體設計如圖4.6所示。
圖4.6 殼體
4.2.6 減振彈簧的確定
動給料機安裝在基礎或結構上時，為了使振動慣性力不傳遞或少傳遞給基礎應當采用彈性支撐隔振方法。本設計采用座式螺旋彈簧。這種彈簧的優(yōu)點是：制造較為方便；內磨檫小，能耗較經濟；在正確設計的情況下，具有較長的壽命。
由于粘性阻尼的存在對緩和共振是有效的，而對隔振是不利的。因此，在使用金屬彈簧支撐振動機械時，為了防止在啟動或停車過程進入共振狀態(tài)，則需并用阻尼器。小振幅時，使衰減不起作用，而且不干擾隔振。
應特別指出，當采用吊式掛式隔振彈簧時，再將彈簧頂緊后，一定要將螺母用銷鎖住，防止在振動過程中螺母松動脫落造成事故。座式螺旋彈簧由于其結構簡，不受環(huán)境影響，因而在振動給料機中被廣泛使用。
5 給料機的使用與維護
5.1 電磁振動給料機的使用
5.1.1 給料機的使用
振動給料機雖然運轉安全、使用可靠、操作容易、維護簡單，但實踐表明，一旦出了故障，若不及時停機并予以排除，也會在短期內損壞。因此，操作人員和維護檢修人員需要掌握振動給料機的性能，嚴格執(zhí)行操作規(guī)程，作到及時維護，才能保證振動給料機長期正常運轉。
1. 開機前注意事項
（1）檢查振動給料機周圍是否有影響振動的因素，一旦發(fā)現，應立即排除。
（2）檢查振動給料機本身狀況是否正常：所有螺母是否緊固（對重要部件，如偏心塊組可調偏心塊緊固螺母、激振器底座緊固螺母、彈簧緊固螺母等，尤為重要）；軸承潤滑是否良好；隔振吊掛裝置或支承裝置是否正常；密封裝置（應無物料充塞）是否密封且活動自如；焊縫等有無破裂等等。
（3）檢查各種控制裝置的完整性、靈敏性和可靠性。
（4）檢查出料口和料倉內情況是否符合要求。
2. 開機時注意事項
（1）啟動是否正常。有時用電流表檢查啟動電流是否在允許范圍內。
（2）開機后有無不正常噪音和振動異常現象，觀察振動指示牌，看振幅是否正常和穩(wěn)定。
（3）給料狀態(tài)是否均勻、連續(xù)、松散、準確。
3． 運轉時注意事項
（1）觀察振動是否正常。
（2）觀察給料是否穩(wěn)定。
（3）檢查螺母有無松動，有無異常噪音。
（4）檢查電機及軸承是否超過允許溫升。
（5）檢查密封裝置的密封效果，是否有溢料及塞料現象，是否影響振動。
4． 電磁振動給料機的使用
（1）接通電磁振動給料機的轉換開關，信號燈亮，電磁激振器繞組接入電網，電磁振動給料機啟動后調節(jié)電位器，便可以調節(jié)給料量到需要值，并開始穩(wěn)定工作。通常電位器在啟動前都是在振幅最小甚至在零工位，然后逐漸增加到需要值，也可以直接在需要值工位啟動，或在需要值工位停機。
新投產的電磁振動給料機，工作一段時間后，應再次檢查各個需要緊固的螺栓是否緊固。
（2）向電子秤等定量給料時，可在電氣控制線路上設計成以時間繼電器控制先進行約80%～95%的大流量粗給料，然后切換為小流量的精給料，直至達到需要值，發(fā)出信號指令，自動停機。這樣可以做到既縮短給料時間，又保證給料精度。在定量精度要求不高的場合，振動給料機可以用作定量設備。
（3）采用在料倉內設置料位控制器控制電磁振動給料機，在料空或假料空時停機，及時發(fā)出料空信號。
（4）在電磁振動給料機下部受料裝置上設置電氣控制裝置，控制其瞬時給料量或按指令調節(jié)給料量。如在膠帶輸送機下部安裝差動變壓器反饋信號裝置控制電磁振動給料機給料量，使每一瞬時保持不變；又如在自動控制燃煤系統(tǒng)中，根據燃燒強度發(fā)出指令，控制電磁振動給料機，調節(jié)給料量，從而調節(jié)燃燒強度[13]。
5.1.2 給料機給料量的調節(jié)
電磁振動給料機突出的優(yōu)點是給料量可以在運行中無級調節(jié)，并且可以單機調節(jié)，也可以根據點控信號自動調節(jié)。調節(jié)方式主要有以下幾種，本次設計主要采用第2種調節(jié)方式。
1． 改變激振頻率
在振動強度不變的情況下，降低激振頻率使得單粒物料單位時間內跳躍次數減少，在振幅不變時，使給料量隨之減小。在激振力幅值不變時，由于調皆指數的變化有會使振幅有所降低，而使給料量減小。應當注意的是，變頻電源為保證激振力不變需保持電壓與頻率的比值不變，但是采用變頻方法比較復雜，應用較少。
如果降低頻率而相應增大振幅，則可以增大給料量。如分頻式電磁振動給料機即為此例。
2． 改變系統(tǒng)激振力
改變系統(tǒng)激振力的大小，就可以改變其振幅的大小，從而實現調節(jié)給料量的目的。
因為半波整流的激振力為：
F1=2gB00.52S'sinωt-π2N (5.1)