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差動(dòng)分級(jí)式齒輥式破碎機(jī)
使用遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)
摘要：我們的差分級(jí)齒輥式破碎機(jī)結(jié)合了齒輥式破碎機(jī)，顎式破碎機(jī)的破碎比高，破碎效率高，多篩分的優(yōu)點(diǎn)，克服齒輥式破碎機(jī)的缺憾。動(dòng)顎破碎機(jī)采用曲柄搖桿機(jī)制，從而優(yōu)化動(dòng)態(tài)性能和改善破碎機(jī)的抗裂能力，我們建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)優(yōu)化傳輸角ｒ，以盡量減少行程特性值m。使用遺傳算法優(yōu)化的破碎機(jī)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)多對(duì)象的設(shè)計(jì)獲得最佳的結(jié)果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，顯示出動(dòng)顎式破碎機(jī)和裂解能力的性能得到改善。
關(guān)鍵詞：差分和分級(jí)齒輥式破碎機(jī)，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化。
1.引言
在許多行業(yè)中，物料粉碎過(guò)程是不可缺少的（如采礦，金屬
冶煉的，化工等行業(yè)）。傳統(tǒng)式破碎機(jī)（例如，顎式破碎機(jī)，沖擊式破碎機(jī)，回轉(zhuǎn)式破碎機(jī)，錘式粉碎機(jī)），實(shí)現(xiàn)物資的粉碎破碎能力，主要取決于工作沖擊壓力的部分。這些破碎機(jī)效率低，能耗高。我們已經(jīng)不能滿(mǎn)足傳統(tǒng)的破碎機(jī)。在最近幾年，一個(gè)英國(guó)MMD齒輥式破碎機(jī)大量被使用。但是，從平時(shí)的調(diào)查來(lái)看，我們發(fā)現(xiàn)在這些齒輥式破碎機(jī)的一些不足之處：1）通過(guò)齒嚙合來(lái)破碎物料。所有需要被粉碎的原料礦物被輸送到一個(gè)粉碎腔，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)嚙合齒粉碎成微粒排出。破碎機(jī)未能完成實(shí)際的分級(jí)破碎，不僅使用了大量的能量，而且效率低下，破碎齒還會(huì)迅速出現(xiàn)損壞和金屬疲勞。 2）兩種情況下發(fā)生堵塞現(xiàn)象。一個(gè)是一種高流動(dòng)大塊的煤混有較小條的情況，另一種是濕潤(rùn)的煤會(huì)導(dǎo)致堵塞。齒輥式破碎機(jī)由于沒(méi)有有效的分級(jí)機(jī)制，結(jié)果是不令人滿(mǎn)意的，我們不能單靠齒嚙合。根據(jù)使用MMD齒輥式破碎機(jī)的一些煤礦區(qū)的調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)，他們大多數(shù)煤礦沒(méi)有要求的干燥度。 3）MMD破碎機(jī)的破碎能力通過(guò)提高傳動(dòng)部分的力來(lái)增加破碎的能力，從而導(dǎo)致高功耗和高成本?；谶@些考慮，并結(jié)合中國(guó)神華能源有限責(zé)任公司和神東煤炭分公司的需求，我們的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)新的，高效的差分和分級(jí)齒輥式破碎機(jī)，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)破碎機(jī)的缺陷。
如圖1所示，破碎機(jī)破碎部分組成的牙齒和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。動(dòng)顎曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的草圖如圖2。在搜索的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，
似乎有很多的文獻(xiàn)研究的目的只是在優(yōu)化的傳輸角度ｒ。例如，李等人只是選擇減少圖[2-3]中的行程特性值m。但是，在一個(gè)實(shí)際的和典型的破碎機(jī)設(shè)計(jì)中，動(dòng)顎的破碎能力和傳動(dòng)角，行程特性值m都有密切的聯(lián)系。我們已經(jīng)使用了GA（遺傳算法），以便優(yōu)化曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的差動(dòng)齒輥式破碎機(jī)的傳動(dòng)角ｒ，和最小行程值m。
1．電機(jī)組裝篩分機(jī)制；2.齒輥屏軸; 3.傳動(dòng)齒輪：4.粉碎齒; 5.動(dòng)顎 6. 調(diào)整機(jī)制
7.機(jī)殼 8. 裝配曲軸 9. 齒輥軸電機(jī)
圖1齒輥式破碎機(jī)結(jié)構(gòu)圖
圖2 齒輥式破碎機(jī)斷裂機(jī)制示意圖
2．曲柄搖桿的動(dòng)力學(xué)分析
一個(gè)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的性能依賴(lài)其連桿相對(duì)長(zhǎng)度。如果我們把搖臂?的長(zhǎng)度等于1，那么相對(duì)長(zhǎng)度的曲柄，連桿和身體幀分別為a，b和d。數(shù)學(xué)模型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是獨(dú)立的的實(shí)際長(zhǎng)度，這使得它更普遍。
2.1 最佳傳動(dòng)角ｒ
曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的傳輸力主要取決于傳動(dòng)角ｒ。輸送傾角更大，就能更好的傳輸力。在傳輸過(guò)程中，傳輸角度時(shí)刻變化。每個(gè)組件的選擇具有合適的尺寸，可以?xún)?yōu)化得到最小傳動(dòng)角。因此，有必要增加傳輸角度，以提高傳輸力和破碎力。
兩個(gè)最小傳動(dòng)角的可能位置如圖所示。
圖3.最小傳動(dòng)角位置示意圖
2.3 行程特征值m
動(dòng)顎的行程，被分成水平和垂直的兩個(gè)部分。水平部分的功能是粉碎材料，垂直行程不能幫助粉碎，但也可以加速粉碎。遞減m的值既可以降低能耗和耐磨耗，同時(shí)，可以提高生產(chǎn)效率和提高破碎比。應(yīng)采取一些措施，以減少m的值。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，C點(diǎn)被取出進(jìn)行分析。幾何關(guān)系如圖所示。
圖4.曲軸和連桿路線圖
因此，行程特征值到C 點(diǎn)的距離是：m=h/s. 肘板的角度是:β=γ+α-90°，肘板的擺動(dòng)角度：
傾角大小取決于連桿機(jī)制和動(dòng)顎的力。它的取值范圍通常15°到20°之間。 s是水平行程，h是垂直行程。
3差分和分級(jí)齒輥式破碎機(jī)的動(dòng)顎的數(shù)學(xué)模型
根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析，無(wú)論是傳動(dòng)角γ和行程特性C點(diǎn)的值都可以表示為相對(duì)長(zhǎng)度的曲柄，連桿和身體幀的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)變量是：
動(dòng)顎的目標(biāo)函數(shù)最大化的最小傳動(dòng)角γ：
動(dòng)顎的目標(biāo)函數(shù)最小化的行程特征m值??是：
適用以下約束：
1） 設(shè)計(jì)變量的邊界約束條件：
其中aimax和bimax是設(shè)計(jì)變量的上限和下限設(shè)計(jì)變量。
2） 擁有一個(gè)曲柄的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的條件：
3） 約束的傳輸角度：增加傳輸角度可以提高傳輸效率和增強(qiáng)水平行程。但是，過(guò)多大傳動(dòng)角具有相反的效果。
一種常見(jiàn)的情況是：
4）約束的行程特征值：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常m的范圍是1.5和2.5之間。
5）動(dòng)顎的水平行程S對(duì)生產(chǎn)力有明顯的影響。如果s是太小會(huì)降低生產(chǎn)率，但與此相反，它會(huì)加大破碎力，并導(dǎo)致過(guò)載損壞設(shè)備。水平行程的范圍：
其中dmin是排放口的最小尺寸。
6）肘板的角度約束。通常情況下，γ的范圍是18°至23°。綜上所述，優(yōu)化問(wèn)題的可以歸結(jié)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的問(wèn)題：
其中
多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的傳統(tǒng)解決方案，導(dǎo)致了低效率，并很容易導(dǎo)致一個(gè)明顯得局部問(wèn)題。但遺傳算法的方法是迭代運(yùn)行得到一個(gè)局部最優(yōu)解。通過(guò)可能的傳輸規(guī)則來(lái)指導(dǎo)搜索方向，GA搜索空間（如連通性，凸性等），并沒(méi)有特殊要求，不需要任何額外的信息。我們已應(yīng)用遺傳算法優(yōu)化了差分和分級(jí)齒輥式破碎機(jī)的
多對(duì)象設(shè)計(jì)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。
4遺傳算法
遺傳算法是一種隨機(jī)搜索方法，它模仿自然演化規(guī)律。GA第一次是在1975年由荷蘭提出，它有以下主要特點(diǎn)：它直接運(yùn)行在結(jié)構(gòu)化對(duì)象，沒(méi)有任何限制函數(shù)求導(dǎo)和連續(xù)性;它擁有隱式并行和改進(jìn)的能力全局優(yōu)化;通過(guò)使用隨機(jī)優(yōu)化方法，它可以自動(dòng)獲取和引導(dǎo)優(yōu)化的搜索空間，并且還可以調(diào)整沒(méi)有具體的自適應(yīng)搜索方向和規(guī)則。 GA具有的后期，一個(gè)重要技術(shù)OGY智能計(jì)算。主要方法是：1）編碼前的數(shù)據(jù)中搜索解空間，GA的數(shù)據(jù)表示，作為一個(gè)基因型表型的字符串結(jié)構(gòu)和各種組合獲得不同的點(diǎn)。 2）創(chuàng)建一個(gè)初始化的GE-菜單組：GA隨機(jī)生成N初始化字符串?dāng)?shù)據(jù)，其中每個(gè)數(shù)據(jù)被稱(chēng)為一個(gè)單獨(dú)UAL和這些人形成一個(gè)屬組。 GA開(kāi)始使用的字符串?dāng)?shù)據(jù)作為初始迭代點(diǎn)。 3）個(gè)體適應(yīng)值估計(jì)的適應(yīng)性函數(shù)表示的質(zhì)量個(gè)人或溶液。針對(duì)不同的問(wèn)題，本一個(gè)適應(yīng)性函數(shù)的定義是不同的。 4）選擇：選擇的目的是選擇前CELLENT目前屬群和個(gè)人之間允許他們有機(jī)會(huì)繁殖后代的父母。選擇是這一思想的體現(xiàn)為GA。選擇的原則是，指示高適應(yīng)性viduals將有較大貢獻(xiàn)一個(gè)或多個(gè)后代的概率。 5）分頻點(diǎn)：這是最重要的操作GA。交叉操作可以生成新的屬具備的特點(diǎn)與前面的蒸發(fā)散一代。它體現(xiàn)了思想的信息交換。 6）基因突變：第一，GA隨機(jī)選擇個(gè)人從組屬。然后改變一個(gè)數(shù)據(jù)的值從字符串?dāng)?shù)據(jù)與給定的概率為選定的個(gè)人。類(lèi)似生物宇宙，突變的概率GA是也很低，通常取值范圍為0.001至0.01，也就是說(shuō)，突變提供了一個(gè)機(jī)會(huì)產(chǎn)生新的個(gè)體。
5基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化
我們采取了不同的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)與差分和分級(jí)齒輥式破碎機(jī)我們的優(yōu)化對(duì)象壓榨能力為4000噸/小時(shí)。為了決定在曲軸的長(zhǎng)度，濃度曲柄搖桿桿與主體框架的連接獲得機(jī)制，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)（9）的最大值，該值的條件下行程速比系數(shù)為1.25時(shí)，連桿行程300毫米，傾角18°。我們使用遺傳算法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)設(shè)置屬群規(guī)模等于50，交叉概率性為0.8，變異概率為0.005和數(shù)代的演變?cè)?000。傳統(tǒng)的二進(jìn)制編碼方法比較相對(duì)方便的使用時(shí)，在理論分析。但對(duì)于多維和高精度數(shù)值校準(zhǔn)的問(wèn)題，它往往效率低，不準(zhǔn)確。我們用一個(gè)自然數(shù)編碼方法設(shè)置三個(gè)變量a，b和d的基因，有序的結(jié)合入染色體。例如
就包含在其中。
在初始化期間，GA將產(chǎn)生一個(gè)屬基團(tuán)，其中50個(gè)個(gè)體上產(chǎn)生的根據(jù)一個(gè)變量的范圍。我們選擇了式（9）為總目標(biāo)函數(shù)的值表示個(gè)人適應(yīng)性。作為例子，我們把個(gè)人的p和q被取代的式（9），即，（P）=0.8145，F(xiàn)（Q）=0.7887，F(xiàn)（P）> F（Q）。這表明，指示的p適應(yīng)性比q的更好。
輪盤(pán)賭的方法用于在選擇操作中，在輪盤(pán)賭的游戲，我們模仿和計(jì)算的總的適應(yīng)性和在同一時(shí)間的相對(duì)并累計(jì)每一個(gè)人的適應(yīng)性。然后，輪盤(pán)變成為50倍，和一個(gè)隨機(jī)號(hào)0和1之間的每個(gè)時(shí)間。一個(gè)數(shù)比較，可以選擇由個(gè)人的累積，為每個(gè)單獨(dú)的適應(yīng)性。例如，如果我們讓r是一個(gè)隨機(jī)數(shù)，然后FC（I）累計(jì)適應(yīng)性個(gè)體iFC（i +1）的累計(jì)個(gè)體適應(yīng)性I +1。如果FC（I）<=γ<=（i +1）的話(huà)，那么個(gè)體i+1將選擇。依此類(lèi)推，所有選定的個(gè)人我們可以組成一個(gè)新屬組，并開(kāi)展交叉和變異操作。
單點(diǎn)雜交方法采用的是交叉操作，生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)介于01時(shí)屬組。如果數(shù)少于交叉概率和個(gè)人選擇一個(gè)偶數(shù)，那么配對(duì)后，可以實(shí)現(xiàn)交叉操作隨機(jī)的。以個(gè)人的p和q為配對(duì)例如，我們的交叉點(diǎn)設(shè)置為2，這意味著我們選擇了第二個(gè)基因跨越。后交叉操作，個(gè)人成為
方法是通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的突變操作，生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)介于0和1之間時(shí)屬組。如果的數(shù)量小于變異概率，當(dāng)前個(gè)人會(huì)發(fā)生變異。突變運(yùn)算的方思是類(lèi)似初始化我們重建設(shè)計(jì)的邊界中的一個(gè)單獨(dú)的基因變量。
經(jīng)過(guò)選擇，交叉和變異操作，評(píng)價(jià)函數(shù)被調(diào)用，以確保最好的個(gè)人可以被保存。優(yōu)化結(jié)果（轉(zhuǎn)換）示于表1。
最優(yōu)化的結(jié)果，這已被應(yīng)用于在生產(chǎn)實(shí)踐中，能滿(mǎn)足約束情況。鄭州長(zhǎng)城冶金設(shè)備廠，與我們的合作廠家，產(chǎn)生了相應(yīng)的破碎機(jī)已經(jīng)在中國(guó)大量出售。根據(jù)實(shí)際工作情況，不同的差分和分級(jí)齒輥式破碎機(jī)具有破碎強(qiáng)度大的特點(diǎn)，高突破效率，穩(wěn)定的工作狀態(tài)，高能力清除堵塞和抗粘連和穩(wěn)定粒度破碎產(chǎn)品，所有這些都達(dá)到了他們預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
6結(jié)論
我們已經(jīng)用遺傳算法進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。我們可以聲明如下：
1）我們的差分和分級(jí)齒輥式破碎機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有很大的破碎比，破碎效率高。
2）由于它不同于傳統(tǒng)的優(yōu)化方法，GA可以開(kāi)展啟發(fā)式全局優(yōu)化。這是一個(gè)并行，并發(fā)和逐漸進(jìn)化搜索過(guò)程，在這過(guò)程中，避免局部最優(yōu)。
3）優(yōu)化的結(jié)果已在實(shí)踐中應(yīng)用的實(shí)際破碎機(jī)的工作狀態(tài)是穩(wěn)定的。工業(yè)上的應(yīng)用已被證明效果良好。也已表明，以?xún)?yōu)化破碎機(jī)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)
多目標(biāo)設(shè)計(jì)與優(yōu)化傳動(dòng)角γ和動(dòng)顎m作為目標(biāo)函數(shù)最小化的行程特性，能獲得最佳效果。
致謝
作者向黃教授表達(dá)自己最真摯的感謝以及感謝嘉興集團(tuán)提供的寶貴意見(jiàn)。編者還要感謝鄭州長(zhǎng)城冶金設(shè)備廠免費(fèi)提供的有用的材料。
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湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院
全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
板栗分級(jí)機(jī)的設(shè)計(jì)
THE DESIGN OF CHINESE CHESTNUT CLASSIFICATION MACHINE
學(xué)生姓名：
學(xué) 號(hào)：
年級(jí)專(zhuān)業(yè)及班級(jí)：2008級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（1）班
指導(dǎo)老師及職稱(chēng)：
學(xué) 部：理工學(xué)部
湖南·長(zhǎng)沙
提交日期：2012年5月
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院全日制普通本科生
畢業(yè)設(shè)計(jì)誠(chéng)信聲明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體在文中均作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。同時(shí)，本論文的著作權(quán)由本人與湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院、指導(dǎo)教師共同擁有。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
畢業(yè)設(shè)計(jì)作者簽名：
年 月 日
目 錄
摘要 1
關(guān)鍵字 1
1 前言 2
1.1 背景 2
1.1.1 振動(dòng)篩的發(fā)展概況 2
1.2 振動(dòng)篩的分類(lèi) 3
1.3 板栗分級(jí)機(jī)械發(fā)展方向 3
2 振動(dòng)篩篩面物料運(yùn)動(dòng)理論 4
2.1 篩上物料的運(yùn)動(dòng)分析 4
2.2 正向滑動(dòng) 5
2.3 反向滑動(dòng) 6
2.4 跳動(dòng)條件的確定 6
2.5 物料顆粒跳動(dòng)平均運(yùn)動(dòng)速度 7
3 振動(dòng)篩的工作原理及結(jié)構(gòu)組成 8
3.1 圓振動(dòng)篩的工作原理 8
3.2 振動(dòng)篩基本結(jié)構(gòu) 8
3.2.1 篩箱 8
3.2.2 激振器 8
3.2.3 支承裝置和隔振裝置 9
3.2.4 傳動(dòng)裝置 9
4 振動(dòng)篩動(dòng)力學(xué)基本理論 9
5 振動(dòng)篩參數(shù)計(jì)算 12
5.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的確定 12
5.2 振動(dòng)篩工藝參數(shù)的確定 13
5.3 動(dòng)力學(xué)參數(shù) 14
5.4 電動(dòng)機(jī)的選擇 15
5.4.1 電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算 15
5.4.2 選擇電機(jī) 15
5.4.3 電機(jī)的啟動(dòng)條件的校核 15
6 主要零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算 17
6.1 軸承的選擇與計(jì)算 17
6.1.1 軸承的選擇 17
6.1.2 軸承的壽命計(jì)算 17
6.2 皮帶的設(shè)計(jì) 18
6.2.1 選取皮帶的型號(hào) 18
6.2.2 傳動(dòng)比 18
6.2.3 帶輪的基準(zhǔn)直徑 18
6.2.4 帶速 18
6.2.5 確定軸間距和帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度 19
6.3 軸的設(shè)計(jì) 20
6.3.1 軸的設(shè)計(jì)特點(diǎn) 20
6.3.2 軸的常用材料 20
6.3.3 軸的強(qiáng)度驗(yàn)算 21
6.4 支承彈簧設(shè)計(jì)驗(yàn)算 23
結(jié)論 25
參考文獻(xiàn) 26
致謝 23
板栗分級(jí)機(jī)的設(shè)計(jì)
學(xué) 生：高俊平
指導(dǎo)老師：張 嵐
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院 長(zhǎng)沙 410128)
摘 要：傳統(tǒng)的水果分級(jí)形式包括有體積分級(jí)和質(zhì)量分級(jí)兩大類(lèi)，由于分級(jí)的目的主要為統(tǒng)一產(chǎn)品外觀規(guī)格，以便包裝和提升銷(xiāo)售檔次，因此以體積分級(jí)應(yīng)用最廣泛。體積分級(jí)設(shè)備有滾筒式分級(jí)機(jī)、三轱筒式分級(jí)機(jī)、園振動(dòng)篩和帶式分級(jí)機(jī)等，其原理大同小異，均利用若干級(jí)別尺寸的孔框或縫隙進(jìn)行篩選。
關(guān)鍵詞：板栗分級(jí)機(jī)；振動(dòng)篩；激振器；圓振動(dòng)篩
The Design Of Chinese chestnut classification machine
Author:Gao Junping
Tutor:Zhang Lan
(Oriental Science ＆Technology College of Hunan Agricultural University Changsha 410128)
Abstract：The traditional grading form including fruit volume classification and grading quality two categories, due to the main aim of the classification for united product appearance specifications, packing and improve sales to class, so the most widely used by volume classification. Volume classification equipment have roller-type sorting machine, three Gu tube type classification, the vibrating machine and belt grade machine etc, its principle very much the same, all use the size of some level hole box or screening aperture.
Key words：Chinese chestnut grade machine; Vibrating screen; Excitation device; Circle vibrating screen
1前言
板栗分級(jí)機(jī)的研制和推廣，對(duì)于提高農(nóng)產(chǎn)品加工的發(fā)展水平，增加廣大農(nóng)戶(hù)的收入，促進(jìn)干果業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，都將具有重大的意義。因此積極開(kāi)展干果分級(jí)機(jī)的研制，是非常必要的，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
為了使作為食品加工主要來(lái)源的產(chǎn)品的規(guī)格和品質(zhì)指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)物料進(jìn)行分選或分級(jí)，分級(jí)是指清除物料中的異物及雜質(zhì);分級(jí)是指分選后的物料按其尺寸、形狀、密度、顏色或品質(zhì)等特性分成等級(jí)。分選及分級(jí)作業(yè)的工作原理和方法雖有不同之處，但往往是再同一設(shè)備上完成的。作為物料分級(jí)篩選的主要設(shè)備——振動(dòng)篩也不斷向大型化發(fā)展。
1.1背景
1.1.1振動(dòng)篩的發(fā)展概況[1]
據(jù)《世界有色金屬》報(bào)道篩分設(shè)備在國(guó)外的發(fā)展已有300多年的歷史，在此之前，物料的篩分主要采用人力篩分，動(dòng)力篩分最早也是搖動(dòng)篩。大約100多年前就出現(xiàn)了慣性篩，最早的慣性篩是采用柴油機(jī)帶動(dòng)的，主要用于物料的分級(jí)作業(yè)。
比較完善的振動(dòng)慣性篩出現(xiàn)在19世紀(jì)初，主要是用于分級(jí)的圓振動(dòng)篩（單軸振動(dòng)篩），隨著選煤、選礦業(yè)的發(fā)展用于脫水的直線振動(dòng)篩（雙軸振動(dòng)篩）逐漸發(fā)展起來(lái)。
單軸振動(dòng)篩的發(fā)展經(jīng)歷了簡(jiǎn)單慣性式向自定中心式的發(fā)展過(guò)程。直線振動(dòng)篩經(jīng)歷了箱式振動(dòng)器到雙電機(jī)拖動(dòng)的筒式振動(dòng)器（自同步技術(shù)），目前為箱式振動(dòng)器與側(cè)邦式塊偏心單元體振動(dòng)器（自同步技術(shù)）的并存時(shí)代。
現(xiàn)在振動(dòng)篩軸承普遍采用了振動(dòng)設(shè)備專(zhuān)用軸承，篩框的主要聯(lián)接件采用了虎克鉚釘或高強(qiáng)螺栓，篩面采用了不銹鋼篩面、聚鞍脂篩面等。篩框結(jié)構(gòu)逐漸趨于合理，篩框受力設(shè)計(jì)上逐步由靜態(tài)動(dòng)力設(shè)計(jì)向以模態(tài)分析為基礎(chǔ)的現(xiàn)代動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)階段發(fā)展。
在振動(dòng)篩的制造方面，主要焊接結(jié)構(gòu)件均采用了去應(yīng)力和噴丸處理，對(duì)篩框的形狀誤差、主要構(gòu)件的形位公差、粗糙度控制等方面的要求越來(lái)越嚴(yán)。
雖然板栗分級(jí)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式在發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)了許多種新型結(jié)構(gòu)及篩分方法，但通過(guò)實(shí)踐證明，許多看似理想的結(jié)構(gòu)型式被無(wú)情淘汰。因此，國(guó)際上一些板栗分級(jí)機(jī)制造廠家生產(chǎn)的振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)型式逐漸趨于近似，機(jī)型趨于穩(wěn)定，人們已不在追求新、奇結(jié)構(gòu)型式，而把追求板栗分級(jí)機(jī)的可靠性指標(biāo)放在首位，因此板栗分級(jí)機(jī)壽命普遍提高，正常使用壽命普遍達(dá)到5年以上。
振動(dòng)篩噪聲指標(biāo)是影響工人身體健康的一個(gè)主要指標(biāo)。過(guò)去箱式振動(dòng)器由于采用齒輪傳動(dòng)，噪聲通常達(dá)到90分貝以上，后來(lái)逐漸采用了自同步技術(shù)，噪聲由原來(lái)的90多分貝下降到85分貝左右。但自同步技術(shù)存在拋射角不穩(wěn)定，工作頻率不能有效調(diào)整等因素，使得箱式振動(dòng)器的振動(dòng)篩不但沒(méi)有被淘汰，甚至通過(guò)不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式，提高齒輪加工精度，改善齒面嚙合狀態(tài)等方法，而重新發(fā)展起來(lái)，噪聲也從過(guò)去的90多分貝下降至85分貝左右。
1.2振動(dòng)篩的分類(lèi)
1.按振動(dòng)篩振動(dòng)頻率是否接近或遠(yuǎn)離共振頻率分為共振篩和慣性振動(dòng)篩。共振篩曾一度崛起，受到各國(guó)普遍重視，發(fā)展很快；但在生產(chǎn)實(shí)踐中，暴露出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)整困難、故障較多等缺點(diǎn)。而慣性振動(dòng)篩由于激振器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，便于維修，從而得到了廣泛的使用。慣性振動(dòng)篩是靠固定在其中部的帶偏心塊的慣性振動(dòng)器驅(qū)動(dòng)而使篩箱產(chǎn)生振動(dòng)。慣性振動(dòng)篩按振動(dòng)器的形式可分為單軸振動(dòng)篩和雙軸振動(dòng)篩。
2.按振動(dòng)篩按篩面工作時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡的特點(diǎn)，分為圓運(yùn)動(dòng)振動(dòng)篩（簡(jiǎn)稱(chēng)圓振動(dòng)篩）和直線運(yùn)動(dòng)振動(dòng)篩（簡(jiǎn)稱(chēng)直線振動(dòng)篩）兩大類(lèi)。圓振動(dòng)篩由于振動(dòng)器安裝的位置偏差，實(shí)際篩箱運(yùn)動(dòng)軌跡一般為橢圓。即使直線振動(dòng)篩，由于制造與設(shè)計(jì)偏差，通常篩箱的運(yùn)動(dòng)軌跡也不完全是直線，只是接近直線振動(dòng)。圓振動(dòng)篩由于激振器是一根軸，所以又叫單軸振動(dòng)篩，直線振動(dòng)篩激振器由兩根軸組成，所以也稱(chēng)雙軸振動(dòng)篩。
3.當(dāng)然振動(dòng)篩還有其它許多分類(lèi)方法，例如，按照支撐彈簧的結(jié)構(gòu)不同，又有線形彈簧振動(dòng)篩和非線形彈簧振動(dòng)篩。按支承裝置安裝位置不同，可分為座式振動(dòng)篩和吊式振動(dòng)篩，按篩箱與水平面是否成一定角度安裝，可分為水平篩和傾斜篩。按工作頻率的高低，可分為高頻振動(dòng)篩和低頻振動(dòng)篩等等。
1.3板栗分級(jí)機(jī)械發(fā)展方向
綜合國(guó)內(nèi)外板栗分級(jí)機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀 ,板栗分級(jí)機(jī)械將向以下幾個(gè)方向發(fā)展。
1.向大型化發(fā)展。工業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程促使企業(yè)規(guī)模增大 ,生產(chǎn)能力大大提高
2.向重型超重型篩發(fā)展。大的礦業(yè)工程需要處理大塊物料 ,法國(guó)素梅斯塔公司生產(chǎn)的振動(dòng)棒可處理直徑達(dá)1m以上的大塊物料。
3.向理想運(yùn)動(dòng)軌跡振動(dòng)篩發(fā)展。以提高各區(qū)段的篩分效率和整個(gè)篩機(jī)生產(chǎn)率為目標(biāo) ,尋找一種以理想運(yùn)動(dòng)方式為基礎(chǔ)的新型板栗分級(jí)機(jī)成為篩分設(shè)備發(fā)展的一個(gè)新方向。
4.向反共振振動(dòng)篩發(fā)展。以減輕整機(jī)重量、降低成本、提高使用壽命和可靠性為目標(biāo) ,提出新型的反共振振動(dòng)篩機(jī)。
5.振動(dòng)強(qiáng)度增大。篩機(jī)的振動(dòng)過(guò)程逐漸強(qiáng)化 ,以取得較大的速度和加速度 ,從而提高生產(chǎn)能力和篩分效率。
6.向空間發(fā)展。針對(duì)細(xì)物料 ,先后出現(xiàn)了旋流振動(dòng)篩、錐型振動(dòng)篩、蝶型振動(dòng)篩、旋轉(zhuǎn)概率篩等 ,既減少占地面積 ,又提高生產(chǎn)能力和篩分效率。
7.向難篩分物料篩機(jī)發(fā)展。
8.共振篩系列發(fā)展停滯 ,慣性振動(dòng)篩系列日益壯大。
2振動(dòng)篩篩面物料運(yùn)動(dòng)理論
2.1篩上物料的運(yùn)動(dòng)分析[2]
由文獻(xiàn)《礦山機(jī)械》可知，關(guān)于篩上物料的分析，如圖1所示：
圖1 圓振動(dòng)篩上物料運(yùn)動(dòng)
Figure 1 circle vibrating screen material movement
振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)（振幅、振次、篩面傾角和振動(dòng)方向角）通常根據(jù)所選擇的物料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)選取。篩上物料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直接影響振動(dòng)篩的篩分效率和生產(chǎn)率，所以為合理地選擇篩子的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，必須分析篩上的物料的運(yùn)動(dòng)特性。
圓振動(dòng)篩的篩面做圓運(yùn)動(dòng)或近似于圓運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)篩，篩面的位移方程式可用下式來(lái)表示：t （1）
t （2）
式中: A——振幅;
——軸之回轉(zhuǎn)相角，=t;
——軸之回轉(zhuǎn)角速度；
——時(shí)間。
求上式中的x和y 對(duì)時(shí)間t的一次導(dǎo)數(shù)與二次導(dǎo)數(shù)，即得篩面沿x和y
方向上的速度和加速度： t （3）
t （4）t （5）
t （6）
由運(yùn)動(dòng)特征，來(lái)研究篩子上物料的運(yùn)動(dòng)學(xué)。物料在篩面上可能出現(xiàn)三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：正向滑動(dòng)、反向滑動(dòng)和跳動(dòng)。
2.2正向滑動(dòng)
當(dāng)物料顆粒與篩面一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，其位移、速度和加速度與篩面的相等。篩面上質(zhì)量為的物料顆粒動(dòng)力平衡條件：
對(duì)質(zhì)量為的顆粒受力分析（如圖1）：
1、物料顆粒重力： （7）
2、篩面對(duì)顆粒的反作用力，由
可以得到： （8）
式中為篩面傾角
3、篩面對(duì)物料顆粒的極限摩擦力為： （9）
式中為顆粒對(duì)篩面的靜摩擦系數(shù)。
顆粒沿著篩面開(kāi)始正向滑動(dòng)時(shí)臨界條件： （10）
將，用已知式子（9）與（5）替代，且（為滑動(dòng)摩擦角），
簡(jiǎn)化整理得： （11）
式中，為正向滑始角。
令，則： （12）
式中稱(chēng)為正向滑動(dòng)系數(shù)。由上式得知，正向滑動(dòng)系數(shù)。
當(dāng)?shù)臅r(shí)候，可以求得使物料顆粒沿著篩面產(chǎn)生正向滑動(dòng)時(shí)最小轉(zhuǎn)數(shù)應(yīng)該為：
（13）
為了使物料顆粒沿著篩面產(chǎn)生正向滑動(dòng)，必須取篩子轉(zhuǎn)數(shù)。
2.3反向滑動(dòng)
臨界條件為： （14）
將，用（9）與（5）替代，并簡(jiǎn)化后：
（15）
式中：——反向滑始角
——反向滑動(dòng)系數(shù)
則可以得到： （16）
由上式可以知道，反向滑動(dòng)條件。
當(dāng)時(shí)，可以求得使物料沿著篩面反向滑動(dòng)的最小轉(zhuǎn)數(shù)應(yīng)該是：
（17）
為了使物料顆粒沿著篩面產(chǎn)生正向滑動(dòng)，必須使篩子轉(zhuǎn)數(shù)。
2.4跳動(dòng)條件的確定
顆粒產(chǎn)生跳動(dòng)的條件是顆粒對(duì)篩面法向壓力。
即，或者是。
由此可以得到： （18）
式中：——物料跳動(dòng)系數(shù)
——跳動(dòng)起始角
——振動(dòng)強(qiáng)度，
—— 拋射強(qiáng)度，它表明物料在篩面上跳動(dòng)的劇烈程度。
上式可以寫(xiě)成： （19）
當(dāng)時(shí)或者，則顆粒出現(xiàn)跳動(dòng)。
當(dāng)或時(shí)，則可求得物料開(kāi)始跳動(dòng)時(shí)的最小轉(zhuǎn)數(shù)為：
（20）
為了使物料產(chǎn)生跳動(dòng)，必須取篩子的轉(zhuǎn)數(shù)。
由于目前使用的振動(dòng)篩采用跳動(dòng)狀態(tài)，因此要討論跳動(dòng)終止角，跳動(dòng)角及運(yùn)動(dòng)速度。
2.5物料顆粒跳動(dòng)平均運(yùn)動(dòng)速度
物料顆粒從振動(dòng)相角起跳，到振動(dòng)相角跳動(dòng)終止時(shí)，沿方向的位移為：
= （21）
式中為物料顆粒起跳時(shí)沿方向的運(yùn)動(dòng)速度：
（22）
由此，則： （23）
同一時(shí)間內(nèi),篩面位移為：
（24）
物料顆粒在每個(gè)循環(huán)中,對(duì)篩面的位移為：
= （25）
當(dāng)篩子在近似于第一臨界轉(zhuǎn)數(shù)下工作時(shí),即，則上式中方括號(hào)內(nèi)的數(shù)值接近于零。
故得到：
（26）
物料跳動(dòng)平均速度：
（27）
當(dāng)時(shí),則,,,
因此, 式（40）可以化簡(jiǎn)為： （28）
或者化簡(jiǎn)為： （29）
由式（42）和式（18）,可以將式（40）化簡(jiǎn)為:
（30）
按照上式計(jì)算得的結(jié)果與實(shí)際相比,計(jì)算值較大,因?yàn)槲纯紤]物料特點(diǎn),摩擦和沖擊等因素.為此,上式應(yīng)該乘以修正系數(shù),,
所以： （31）
3.振動(dòng)篩的工作原理及結(jié)構(gòu)組成
3.1圓振動(dòng)篩的工作原理
具有圓形軌跡的慣性振動(dòng)篩為圓振動(dòng)篩，簡(jiǎn)稱(chēng)圓振篩。這種慣性振動(dòng)篩又稱(chēng)單軸振動(dòng)篩，其支承方式有懸掛支承與座式支承兩種，懸掛支承，篩面固定于篩箱上 ，篩箱 由彈簧懸掛或支承，主軸的軸承安裝在篩箱上， 主軸由帶輪帶動(dòng)而高速旋轉(zhuǎn)。由于主軸是偏心軸，產(chǎn)生離心慣性力，使可以自由振動(dòng)的篩箱產(chǎn)生近似圓形軌跡的振動(dòng)
板栗振動(dòng)分級(jí)篩和一般圓振動(dòng)篩很類(lèi)似，篩箱的結(jié)構(gòu)一般采用環(huán)槽鉚釘連接。振動(dòng)器為軸偏心式振動(dòng)器，用稀油潤(rùn)滑，采用大游隙軸承。振動(dòng)器的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由電動(dòng)機(jī)通過(guò)一堆帶輪，由V帶把運(yùn)動(dòng)傳遞給振動(dòng)器。
3.2振動(dòng)篩基本結(jié)構(gòu)
本次設(shè)計(jì)板栗分級(jí)機(jī)是由激振器、篩箱、隔振裝置、傳動(dòng)裝置等部分組成。
3.2.1篩箱
篩箱由篩框、篩面及其壓緊裝置組成。
1．篩面：為適應(yīng)大塊大密度的物料的篩分與煤矸石脫介的需要，振動(dòng)篩的篩面需要有較大的承載能力，耐磨和耐沖擊性能。為減少噪聲，提高耐磨性設(shè)計(jì)中采用成型橡膠條，用螺栓固定在篩面拖架上。上層篩面采用帶筐架的不銹鋼篩面，下層篩面采用編織篩網(wǎng)。其緊固方式是沿篩箱兩側(cè)板處采用壓木、木契壓緊。中間各塊篩板之間則用螺栓經(jīng)壓板壓緊。
2．篩框：篩框由側(cè)板、橫梁等部分組成。側(cè)板采用厚度為6—16mm的A5或20號(hào)鋼板制成。衡量常用圓形鋼管、槽鋼、方形鋼管或工字鋼制造。篩框必須要由足夠的剛性。篩框各部件的聯(lián)接方式有鉚接、焊接和高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接三種、
3.2.2激振器
圓振動(dòng)篩采用單軸振動(dòng)器，由純振動(dòng)式振動(dòng)器、軸偏心式振動(dòng)器和皮帶輪偏心式自定中心振動(dòng)器。
3.2.3支承裝置和隔振裝置
支承裝置主要是支承篩箱的彈性元件，有吊式和座式兩種。振動(dòng)篩的隔振裝置常用的有螺旋彈簧、板彈簧和橡膠彈簧。
3.2.4 傳動(dòng)裝置
振動(dòng)篩通常采用三角皮帶傳動(dòng)裝置，它機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以任意選擇振動(dòng)器的轉(zhuǎn)數(shù)。
4.振動(dòng)篩動(dòng)力學(xué)基本理論
慣性振動(dòng)篩的振動(dòng)系統(tǒng)是由振動(dòng)質(zhì)量（篩箱和振動(dòng)器的質(zhì)量）、彈簧和激振力（由回轉(zhuǎn)的偏心塊產(chǎn)生的）構(gòu)成。為了保證篩子的穩(wěn)定工作，必須對(duì)慣性振動(dòng)篩的的振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，以便找出振動(dòng)質(zhì)量、彈簧剛性、偏心塊的質(zhì)量矩與振幅的關(guān)系，合理地選擇彈簧的剛性和確定偏心塊的質(zhì)量矩。
圖2 振動(dòng)系統(tǒng)力學(xué)模型圖
Figure 2 vibration system mechanical model figure
圖2表示圓振動(dòng)篩的振動(dòng)系統(tǒng)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假定振動(dòng)器轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)中心和機(jī)體(篩箱)的重心重合．激振力和彈性力通過(guò)機(jī)體重心。此時(shí)，篩子只作平面平移運(yùn)動(dòng)。今取機(jī)體靜止平衡時(shí)(即機(jī)體的重量為彈簧的彈性反作用力所平衡時(shí)的位置)的重心所在點(diǎn)o作為固定坐標(biāo)系統(tǒng)(xoy)的原點(diǎn)，而以振動(dòng)器轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)中心作為動(dòng)坐標(biāo)系統(tǒng)()的原點(diǎn)。
偏心重塊質(zhì)量m的重心不僅隨機(jī)體一起作平移運(yùn)動(dòng)(牽連運(yùn)動(dòng))， 而且還繞振動(dòng)器的回轉(zhuǎn)中心線作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(相對(duì)運(yùn)動(dòng))，則其重心的絕對(duì)位移為：
＝+＝+＝+rcos
＝+＝+=y+rsin
式中： ——偏心質(zhì)量的重心至回轉(zhuǎn)軸線的距離。
——軸之回轉(zhuǎn)角度，＝,為軸回轉(zhuǎn)之角速度,t為時(shí)間。
偏心質(zhì)量m運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力為：
（32）
（33）
式中和為偏心質(zhì)量m在x與y方向之相對(duì)運(yùn)動(dòng)離心力或稱(chēng)激振力。
在圓振動(dòng)篩的振動(dòng)系統(tǒng)中，作用在機(jī)體質(zhì)量M上的力除了和外，還有機(jī)體慣性力(其方向與機(jī)體加速度方向相反)、彈簧的作用力 (和表示彈簧在x和y方向的剛度，彈簧作用力的方向永遠(yuǎn)是和機(jī)體重心的位移方向相反)及阻尼力(c稱(chēng)為粘滯阻力系數(shù)，阻尼力的方向與機(jī)體運(yùn)動(dòng)速度方向相反)。
在單軸振動(dòng)系統(tǒng)中，作用在機(jī)體質(zhì)量上的力除了和之外，還有機(jī)體的慣性力和（其方向與機(jī)體的速度方向相反）、彈簧的作用力，（表示彈簧在方向的剛度），及阻尼力（稱(chēng)為粘滯阻力系數(shù)，阻尼力的方向與機(jī)體的運(yùn)動(dòng)方向相反）。
當(dāng)振動(dòng)器在作等速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，將作用在機(jī)體上的各力，按照理論力學(xué)中的動(dòng)靜法建立的運(yùn)動(dòng)微分方程式為：
（34）
式中：——機(jī)體的計(jì)算質(zhì)量
（35）
式中：——。
——。
——，。
根據(jù)單軸振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)微分方程式的全解可知，機(jī)體在x和y軸方向的運(yùn)動(dòng)是自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)相加而成的，事實(shí)上，由于有阻尼力存在的緣故，自由振動(dòng)在機(jī)器工作開(kāi)始后就會(huì)逐漸消失，因此，機(jī)體的運(yùn)動(dòng)就只剩下強(qiáng)迫振動(dòng)了。所以，只需要討論公式的特解：
； （36）
其特解為： （37） （38）
式中：。
系統(tǒng)的自振頻率為： （39）
下面根據(jù)圖3來(lái)分析圓振動(dòng)篩的幾種工作狀態(tài)：
1.低共振狀態(tài)
：即若取 ，則機(jī)體的振幅。在這種情況下，可以避免篩子的起動(dòng)和停車(chē)時(shí)通過(guò)共振區(qū)，從而能提高彈簧的工作耐久性，同時(shí)能件小軸承的壓力，延長(zhǎng)軸承的壽命，并能減少篩子的能量消耗，但是在這種工作狀態(tài)下工作的篩子，彈簧的剛度要很大，因此，必然會(huì)在地基及機(jī)架上出現(xiàn)很大的動(dòng)力，以致引起建筑物的震振動(dòng)。所以，必須設(shè)法消振，但目前尚無(wú)妥善和簡(jiǎn)單的消振方法。
圖3 振幅和轉(zhuǎn)子角速度的關(guān)系曲線
Figure 3 The amplitude and the relation curves of rotor angular velocity
2.共振狀態(tài)
即。振幅A將變?yōu)闊o(wú)限大。但由于阻力的存在，振幅是一個(gè)有限的數(shù)值。當(dāng)阻力及給料量改變時(shí)，將會(huì)引起振幅的較大變化。由于振幅不穩(wěn)定，這種狀態(tài)沒(méi)有得到應(yīng)用。
3.超共振狀態(tài)
，這種狀態(tài)又分為兩種情況：
（1）n稍大于，即稍小于。若取，則得。因?yàn)椋院Y子起動(dòng)與停車(chē)時(shí)要通過(guò)共振區(qū)。這種狀態(tài)的其它優(yōu)缺點(diǎn)與低振狀態(tài)相同。
（2），即為遠(yuǎn)離共振區(qū)的超共振狀態(tài)。此時(shí)，。從圖可以明顯地看出：轉(zhuǎn)速愈高，機(jī)體的振幅A就愈平穩(wěn)，即振動(dòng)篩的工作就愈穩(wěn)定。這種工作狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)是：彈簧的剛度越小，傳給地基及機(jī)架的動(dòng)力就愈小，因而不會(huì)引起建筑物的振動(dòng)。同時(shí)，因?yàn)椴恍枰芏嗟膹椈桑Y子的構(gòu)造也簡(jiǎn)單。目前設(shè)計(jì)和應(yīng)用的振動(dòng)篩，通常采用這種工作狀態(tài)。為了減少篩子對(duì)地基的動(dòng)負(fù)荷，根據(jù)振動(dòng)隔離理論，只要使強(qiáng)迫振動(dòng)頻率大于自振動(dòng)頻率的五倍即可得到良好的效果，采用這種工作狀態(tài)的篩子，必須設(shè)法消除篩子在起動(dòng)時(shí)，由于通過(guò)共振區(qū)而產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。目前采用的消振方法如前所述。
5.振動(dòng)篩參數(shù)計(jì)算
5.1運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的確定
選取和計(jì)算振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)學(xué)：
參數(shù)振動(dòng)機(jī)械的工作平面通常完成以下各種振動(dòng)：簡(jiǎn)諧直線振動(dòng)、非簡(jiǎn)諧直線振動(dòng)、圓周振動(dòng)和橢圓振動(dòng)等。依賴(lài)上述各種振動(dòng)，使物料沿工作面移動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)機(jī)械采用不同的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)（振幅、頻率、振動(dòng)角和傾角）時(shí)，便可使物料在工作面上出現(xiàn)下列不同形式的運(yùn)動(dòng)：相對(duì)運(yùn)動(dòng)、正向滑動(dòng)、反向滑動(dòng)和拋擲運(yùn)動(dòng)。
1.拋擲指數(shù)
在一般的情況下 ，根據(jù)篩子的用途選取，圓振動(dòng)篩一般取=3～5，直線振動(dòng)篩宜取=2.5～4；。難篩物料取大值，易篩物料取小值。篩孔小時(shí)取大值，篩孔大是取小值。本次設(shè)計(jì)圓振動(dòng)篩，選取。
2.振動(dòng)強(qiáng)度K
振動(dòng)強(qiáng)度K的選擇。主要受材料強(qiáng)度及其構(gòu)件剛度等的限制，目前的機(jī)械水平K值一般在3～8的范圍內(nèi)，振動(dòng)篩則多取3～6。本次設(shè)計(jì)選擇K=4。
3.篩面傾角
對(duì)于單軸振動(dòng)篩的傾角為： 作預(yù)先分級(jí)用
作最終分級(jí)用
對(duì)于圓振動(dòng)篩一般取～，振幅大時(shí)取小值，振幅小時(shí)取大值。
本次設(shè)計(jì)采用的圓振動(dòng)篩取。
4.篩箱的振幅
篩箱振幅；是設(shè)計(jì)篩子的重要參數(shù)，其值必須適宜，以保證物料充分分層，減少堵塞，以利透篩。通常取=3～6mm，其中篩孔大者取大值，篩孔小者取小值。本次設(shè)計(jì)選取=5mm。
5.篩子的振動(dòng)頻率：按照和所確定的A值可以求解出頻率值。
（40）
6.振動(dòng)強(qiáng)度校核：實(shí)際振動(dòng)強(qiáng)度K按照下式計(jì)算：
（41）
在本設(shè)計(jì)中，所以符合振動(dòng)強(qiáng)度要求。
篩子的實(shí)際強(qiáng)度：=3.77 ；
即篩子的頻率和振幅分別為：A=5；n=845 ；=4。
7.物料的運(yùn)動(dòng)速度
圓振動(dòng)篩的物料運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算：
（42）
式中：取修正系數(shù)≈0.1。
V =0.033m/s
5.2振動(dòng)篩工藝參數(shù)的確定[2]
由文獻(xiàn)《中國(guó)選礦設(shè)備手冊(cè)》選取設(shè)計(jì)振動(dòng)篩工藝參數(shù)：
1..振動(dòng)篩的工藝參數(shù)包括篩面的長(zhǎng)度和寬度、篩分效率。
篩面的長(zhǎng)度和寬度
由公式：Fq
式中：Q——處理量，Q=375t/h
F——篩面的工作面積
q——單位時(shí)間處理量,q=50
可得出F=7.5,選取篩面長(zhǎng)度L=4.8m，所以B=F/L=7.5/4.8=1.56m
2.篩分效率
在篩分作業(yè)中，篩分效率是衡量篩分過(guò)程的質(zhì)量指標(biāo)。篩什效率是指篩下產(chǎn)物重量與原料中篩下級(jí)別(篩下級(jí)別是指原料中所含粒度小于篩孔尺寸的物料)重量的比值。篩分效率一般以百分?jǐn)?shù)表示。篩分效率可按下式計(jì)算：
(43)
式中 ——原料中篩下產(chǎn)物含量的百分?jǐn)?shù)；
——篩上產(chǎn)物中篩下級(jí)別含量的百分?jǐn)?shù)；
將原科和篩上產(chǎn)物進(jìn)行精確的篩分，根據(jù)篩分結(jié)果即可算出篩下級(jí)別含量及。篩分所用篩面的篩孔尺寸和形狀，應(yīng)與測(cè)定篩分效率所用的篩子相同。
板栗分級(jí)機(jī)械的篩分效率與物料的粒度特性、物科的濕度、篩孔形狀、篩面傾角、篩面長(zhǎng)度、篩面的運(yùn)動(dòng)特性及生產(chǎn)率等因素有關(guān)。不同用途的板栗分級(jí)機(jī)械對(duì)篩分效率有不同的要求。
表1 圓振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和工藝參數(shù)
Table 1 circle vibrating screen and process parameters of the kinematics parameters
名稱(chēng)
數(shù)值
名稱(chēng)
數(shù)值
篩面長(zhǎng)度
4.8m
篩面寬度
1.56m
振動(dòng)強(qiáng)度
4
拋射強(qiáng)度
4
篩面傾角
20
振動(dòng)方向角
——
篩箱振幅
5mm
篩子頻率
845rmp
處理量
50t/h
物料運(yùn)動(dòng)速度
0.033m/s
5.3動(dòng)力學(xué)參數(shù)[3]
振動(dòng)器偏心質(zhì)量及偏心距的確定：由文獻(xiàn)《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》
工作時(shí)，彈簧剛度小，故振幅計(jì)算式中值可以略。
對(duì)于單軸振動(dòng)篩： （44）
式中M—振動(dòng)機(jī)體質(zhì)量，M=883.48kg
m —偏心塊質(zhì)量，
A—篩箱振幅，A=5mm
r —偏心距，r=24mm
負(fù)號(hào)表示重心在振動(dòng)中心的兩個(gè)不同方向上。
得，m===91kg
5.4電動(dòng)機(jī)的選擇
5.4.1電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算
慣性振動(dòng)篩的功率消耗主要是由振動(dòng)器為克服篩子的運(yùn)動(dòng)阻力而消耗的功率和克服軸在軸承中的摩擦力而消耗的功率 來(lái)確定。
電機(jī)的功率為：
千瓦 （45）
式中：—.
。
，。 這里對(duì)于滾子軸承選取 。
=14.7KW
由上式可求N=14.7KW
5.4.2 選擇電機(jī)[17]
由文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選擇傳動(dòng)電機(jī)型號(hào)為，其額定功率為，n
5.4.3電機(jī)的啟動(dòng)條件的校核
慣性振動(dòng)篩起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)需克服偏心質(zhì)量的靜力矩和摩擦力矩，起動(dòng)后由于慣性作用，功率消耗較少，因而需選用高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)。因此，按公式計(jì)算的功率，必須按起動(dòng)條件校核：
(46)
式中: ——電機(jī)的其動(dòng)轉(zhuǎn)矩；
——電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩；
——振動(dòng)篩偏心重量的靜力矩與軸承的摩擦靜力矩之和 =9550=9550=98.1 N·m (47)
= (48)
式中： ——速比
——起動(dòng)力矩系數(shù) 取=2.1
===1.73 (49)
因此有 ==1.732.1=3.63 (50)
= (51)
式中為偏心質(zhì)量的靜力矩與軸承的摩擦力矩之和
= + (52)
式中為振動(dòng)器上軸承的摩擦力矩
=2M (53)
==0.002910.058=2.27N·m (54)
式中 (55)
將值帶入公式(3.20)得 =22.27=4.54 N·m
為靜力矩
=910.0249.8=51.72 N·m (56)
將與值帶入公式(3.19)得=4.54+51.72=56.26 N·m
將值帶入公式(3.18)得==34.23N·m
==0.349
由于=3.63,所以滿(mǎn)足 ,電機(jī)起動(dòng)校核合格。
表2 電動(dòng)機(jī)性能
Tabal2 Motor performance
型 號(hào)
轉(zhuǎn)速
功率
6主要零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算
6.1軸承的選擇與計(jì)算
6.1.1軸承的選擇
根據(jù)振動(dòng)篩的工作特點(diǎn)，應(yīng)選用大游隙單列向心圓柱滾子軸承。
按照基本額定動(dòng)載荷來(lái)選取軸承
(57)
式中：——基本額定動(dòng)載荷來(lái)
——當(dāng)量動(dòng)載荷
=910.024()=17.1KN (58)
——壽命系數(shù)，=2.3～2.8 本次設(shè)計(jì)選取=2.5
——轉(zhuǎn)速系數(shù)，=（）=0.38 (59)
將數(shù)據(jù)帶入公式(4.1) 得 ==125.74KN
查文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選GB297—84，軸承型號(hào)3G3622，內(nèi)徑110mm，外徑245mm。
6.1.2軸承的壽命計(jì)算
軸承的壽命公式為：=() (60)
式中: 的單位為10r
——為指數(shù)。對(duì)于球軸承，=3；對(duì)于滾子軸承，=10/3。
計(jì)算時(shí)，用小時(shí)數(shù)表示壽命比較方便。這時(shí)可將公式(42)改寫(xiě)。則以小時(shí)數(shù)表示的軸承壽命為： =() (61)
式中：
——基本額定動(dòng)載荷=125.74KN
——軸承轉(zhuǎn)數(shù)
——當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷
選取額定壽命為6000h。
將已知數(shù)據(jù)代入公式(4.2)得：
==15249h>6000h 滿(mǎn)足使用要求。
因此設(shè)計(jì)中選用軸承的使用壽命為15249小時(shí)。
6.2皮帶的設(shè)計(jì)【16】
6.2.1選取皮帶的型號(hào)
帶的設(shè)計(jì)功率= 1.315 =19.5KW (62)
式中:——工況系數(shù)，查[11,22-18]表22.1—9得=1.3
——傳遞的額定功率，=15KW
根據(jù)=19.5KW，小輪轉(zhuǎn)數(shù)=1460rmp，查文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》,[22-17]圖22.1—1，選B型皮帶。
6.2.2傳動(dòng)比
===1.73 (63)
6.2.3帶輪的基準(zhǔn)直徑
1．選擇小帶輪的基準(zhǔn)直徑：查文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》,[22-31]表22.1—14和[22-17]圖22.1—1選取=224mm
2. 選擇大輪的基準(zhǔn)直徑： ==1.73224=388mm
查[11,22-31]表22.1—14取=400mm
6.2.4帶速
帶速常在=5～25m/s之間選取
===17.12m/s (64)
6.2.5確定中心距和帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度
1.初定中心距 按0.7(+)2(+)
選取,因此有436.81280,選=600mm。
2.帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度
所需基準(zhǔn)長(zhǎng)度=2+(+)+
帶入數(shù)據(jù)得=1985.1 查文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》,[22-13]表22.1—6選取基準(zhǔn)長(zhǎng)度=2000mm
3.實(shí)際中心距
=+=600+=607.45mm (65)
安裝時(shí)所需最小中心距:
==607.45-0.0152000=577.45mm (67)
張緊或補(bǔ)償伸長(zhǎng)所需最大中心距:
=607.45+0.032000=667.45mm (68)
4.小帶輪包角
=180=180=163.40
5.單根帶的基本額定功率
根據(jù)=224mm,n=1460rmp，查文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》,[22-25]表22.1—13f得=7.47KW
考慮傳動(dòng)比的影響，額定功率的增量由[機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第三卷,22-25]表22.1—13f查得=1.14KW
6.帶的根數(shù)
===2.4根
取3根
式中：——小帶輪包角修正系數(shù)，查文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[16],[22-18]表22.1—10=0.96
——帶長(zhǎng)修正系數(shù)，查[機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第三卷,22-19]表22.1—11=0.98
7.單根帶的預(yù)緊力
=500()+ (69)
式中為帶每米長(zhǎng)的質(zhì)量, 查文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[16],[22-19]表22.1—12查得=0.17kg/m
=500()+0.17=354.36N
帶的設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。
表3 帶的設(shè)計(jì)參數(shù)
Tabal3 Take design parameters
皮帶型號(hào)
B型
帶輪軸間距
607.45mm
最大軸間距
577.45mm
最小軸間距
667.45mm
帶的根數(shù)
3根
預(yù)緊力
354.36N
小帶輪直徑
224mm
大帶輪直徑
400mm
6.3軸的設(shè)計(jì)
6.3.1軸的設(shè)計(jì)特點(diǎn)
軸是組成機(jī)械的一個(gè)重要零件。它支承著其他轉(zhuǎn)動(dòng)件回轉(zhuǎn)并傳遞轉(zhuǎn)矩，同時(shí)它又通過(guò)軸承和機(jī)架聯(lián)接。所有軸上零件都圍繞軸心線作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。所以，在軸的設(shè)計(jì)中，不能只考慮軸本身，還必須和軸系零、部件的整個(gè)結(jié)構(gòu)密切聯(lián)系起來(lái)。
軸設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是：在軸系零、部件的具體結(jié)構(gòu)未確定之前，軸上力的作用和支點(diǎn)間的跨距無(wú)法精確確定，故彎矩大小和分布情況不能求出，因此在軸的設(shè)計(jì)中，必須把軸的強(qiáng)度計(jì)算和軸系零、部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)交錯(cuò)進(jìn)行，邊畫(huà)圖、邊計(jì)算、邊修改。
設(shè)計(jì)軸時(shí)應(yīng)考慮多方面因素和要求，其中主要問(wèn)題是軸的選材、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和剛度。對(duì)于高速軸還應(yīng)考慮振動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題。
6.3.2軸的常用材料[14][17]
軸的材料種類(lèi)很多，設(shè)計(jì)時(shí)主要根據(jù)對(duì)軸的強(qiáng)度、剛度、耐磨性等要求，以及為實(shí)現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式，同時(shí)考慮制造工藝問(wèn)題加以選用，力求經(jīng)濟(jì)合理。
軸的常用材料是35、45、50、優(yōu)質(zhì)碳素鋼，最常用的是45鋼。對(duì)于受載較小或不太重要的軸，也可用A、A等普通碳素鋼。對(duì)于受力較大，軸的尺寸和重量受的限制，以及有某些特殊要求的軸，可采用合金鋼。
本次設(shè)計(jì)選用45優(yōu)質(zhì)碳素鋼。
6.3.3由文獻(xiàn)《材料力學(xué)》《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》軸的強(qiáng)度驗(yàn)算
圖4偏心軸受力分析圖
Figure 4 Eccentric shaft force were
對(duì)軸進(jìn)行校核：
由圖4并結(jié)合振動(dòng)篩的工作特點(diǎn)對(duì)軸進(jìn)行受力分析，其受力分析如圖所示:
Pr=150kw，n=1460r/min。
求偏心軸的轉(zhuǎn)速n ，帶傳動(dòng)的傳動(dòng)效率 。
P=Pr kw
n=
式中i—帶的傳動(dòng)比，i=400/224=1.786
所以n==1460/1.786=817.47r/min
T=9550
Ft=2
由水平方向得：FtY=F +F FtX=0112F=0
解得：F=3965.4N F=-277.6N
由垂直方向得：Fv=mg=291.825N
Fv=F F
解得：
從偏心軸結(jié)構(gòu)圖以及彎矩圖中可以看出偏心軸的中間表面C是該軸的危險(xiǎn)截面。
現(xiàn)將截面C處的MM及M列于下表4
表4偏心軸受力情況
Tabel4 Eccentric shaft model
載荷
水平面H
垂直面V
支反力
F=3965.4N F=-277.6N
彎矩M
M=209.32NM
M=1108.18NM
總彎矩
M=（ M+ M）=119.86 NM
T
168.2 NM
按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度：
校核最危險(xiǎn)截面C：/W
取
/W =
所以故軸的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。
6.4支承彈簧設(shè)計(jì)驗(yàn)算
1、彈簧剛度計(jì)算[6]
由文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)》我們知道，選取彈簧剛度時(shí)，不僅要考慮使彈簧傳給基礎(chǔ)的動(dòng)負(fù)荷不使建筑物產(chǎn)生有害振動(dòng)，而且還要必須考慮彈簧應(yīng)該有足夠的支承能力。彈簧剛度一般是通過(guò)強(qiáng)迫振動(dòng)頻率與自振頻率的比值來(lái)控制。通常吊式振動(dòng)篩取頻率比，對(duì)于座式由此，對(duì)于單軸振動(dòng)篩彈簧剛度計(jì)算公式：
（69）
取，再有n=845次/分， 次/分
所以：N/m
2、計(jì)算彈簧鋼絲直徑
根據(jù)彈簧所受載荷特性要求，選取鋼絲。許用應(yīng)力根據(jù)文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)》其中的表16-2按類(lèi)載荷選取查得切變模量Mpa，由文獻(xiàn)[19]，查得。
初步選取旋繞比。
N
曲度系數(shù)
mm
根據(jù)文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)》中表16-5，選取d=16mm。
3、計(jì)算彈簧中徑 D=cd=168=128mm
根據(jù)文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)》中表16-5，取系列值D=130mm。
4、計(jì)算彈簧圈數(shù)和節(jié)距 ，
mm
取n=5圈，由表25-11得彈簧的總?cè)?shù)為：
圈
彈簧的節(jié)距： mm
5、求解彈簧的間距和螺旋角
由文獻(xiàn)彈簧的間距：mm
由文獻(xiàn)彈簧螺旋角：
6、彈簧驗(yàn)算
1）彈簧疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算：選取
所以有：
由彈簧材料內(nèi)部產(chǎn)生的最大最小循環(huán)切應(yīng)力：
可得： =
疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)計(jì)算值及強(qiáng)度條件可按下式計(jì)算：
式中：——彈簧材料的脈動(dòng)循環(huán)剪切疲勞極限
——彈簧疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)安全系數(shù),取=1.3-1.7
按上式可得： ==1.3
所以此彈簧滿(mǎn)足疲勞強(qiáng)度的要求。
2）彈簧靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算
靜應(yīng)力強(qiáng)度安全系數(shù)計(jì)算值及強(qiáng)度條件為：
式中——彈簧材料的剪切屈服極限，
——靜應(yīng)力強(qiáng)度的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，=1.3-1.7
所以得： =1.3
所以彈簧滿(mǎn)足靜應(yīng)力強(qiáng)度。所以此彈簧滿(mǎn)足要求。
結(jié)論
本次設(shè)計(jì)的板栗分級(jí)機(jī)是在消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上,自行設(shè)計(jì)的大型振動(dòng)式板栗分級(jí)機(jī).本次設(shè)計(jì)主要對(duì)板栗分級(jí)機(jī)的篩箱、激振器、支承隔振裝置以及傳動(dòng)裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì);對(duì)振動(dòng)篩的動(dòng)力學(xué)分析及動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算;對(duì)電機(jī)的選擇及校核；對(duì)主要零件進(jìn)行設(shè)計(jì),通過(guò)校核均滿(mǎn)足使用要求；對(duì)設(shè)備的環(huán)保及經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)進(jìn)行分析計(jì)算。
通過(guò)本次設(shè)計(jì),對(duì)振動(dòng)篩的知識(shí)有了深刻的認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)了如何大學(xué)期間所學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中,對(duì)今后的工作和學(xué)習(xí)有非常大的幫助。同時(shí)通過(guò)本次設(shè)計(jì)了解到，我國(guó)的篩分技術(shù)在近幾年有了長(zhǎng)足的發(fā)展,很多單位已經(jīng)掌握了板栗分級(jí)機(jī)械的設(shè)計(jì)理論和方法 ,進(jìn)行了很有成效的研制工作解決了很多實(shí)際問(wèn)題?？梢哉f(shuō)我國(guó)的篩分技術(shù)目前已接近世界先進(jìn)水平但仍有差距還要努力。在今后要做好以下幾點(diǎn)工作:
1.研究先進(jìn)篩分理論,發(fā)展新型板栗分級(jí)機(jī)械。
2.發(fā)展大、重、超重型篩分設(shè)備。
3.研究難篩分物料的板栗分級(jí)機(jī)械。
4.提高“三化”程度。
5.加強(qiáng)篩分設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)的研究。
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致 謝
在張嵐老師的精心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下，本次設(shè)計(jì)才得以完成，在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，從選題、設(shè)計(jì)到最后的圖紙和說(shuō)明書(shū)的完成都傾注了指導(dǎo)老師的大量心血，老師以他淵博的知識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)，指導(dǎo)我如何更好地做好設(shè)計(jì)工作。在許多設(shè)計(jì)工作中給了我細(xì)致無(wú)微的指導(dǎo)。此外老師細(xì)心的指導(dǎo)和平易近人的作風(fēng)讓我最感動(dòng)，讓我收獲最大的是他對(duì)學(xué)問(wèn)的一絲不茍的態(tài)度和對(duì)知識(shí)精益求精的追求。每一個(gè)細(xì)微的知識(shí)都嚴(yán)格要求，使我能順利完成設(shè)計(jì)任務(wù)的保證。
同時(shí)在設(shè)計(jì)中得到了多位老師和同學(xué)的幫助，還有圖書(shū)館資料室、學(xué)院機(jī)房的老師也給了我很大幫助。
最后，衷心地感謝張老師以及評(píng)閱設(shè)計(jì)和參加答辯的各位專(zhuān)家、教授。
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