基于ADAMS的TQLZ100×200振動清理篩運動特性的仿真與研究

趙 丹 李永祥 王明旭

（河南工業大學機電工程學院，河南 鄭州 450007）

基于ADAMS的TQLZ100×200振動清理篩運動特性的仿真與研究

趙 丹 李永祥 王明旭

（河南工業大學機電工程學院，河南 鄭州 450007）

本文利用Pro/E建立實體模型，然后導入多剛體動力學軟件ADAMS，建立虛擬樣機模型進行仿真研究。探究了彈簧支撐在軸向和橫向剛度的取值分配關系，確定了最優分配關系下改變彈簧支撐在豎直方向上的位置，利用ADAMS仿真出彈簧支撐在豎直方向上不同位置時篩體質心的位移曲線，并與原模型進行對比。為解決振動篩整體強度的最薄弱部位--連接彈簧與篩體的支座加強筋處提供優化方向，從而為振動清理篩結構優化設計提供依據。

彈簧支撐；ADAMS；仿真分析

振動篩是一種廣泛應用于糧食、煤炭、礦山、冶煉、建材等行業的篩分與清理機械［1］。根據工作時的運動軌跡，可分為直線、圓和橢圓振動篩［2］。具有結構簡單、性能優越、產量大、篩面不易堵孔等優點，是應用最為廣泛的篩分產品之一。

目前國產直線振動篩與國外同類產品相比存在較大的差距，普遍存在強度低、噪聲大、共振振幅大等問題［3］，其可靠性也有待提高。振動篩在工作過程中，其主要零部件長期經受周期變化的激振力作用，致使篩體的側板、橫梁等部件頻繁發生斷裂事故，嚴重影響了振動篩的篩分效果和生產效率。因此，在確定支撐剛度水平和豎直剛度的取值分配下，并在確定了最優的分配關系下改變彈簧支撐在豎直方向的位移曲線，為改善連接彈簧與篩體的支座加強筋處極易受損的現象提供方向。

1 振動篩運動微分方程的建立

1.1 振動篩運動微分方程的建立

本文應用拉格朗日方程建立TQLZ100×200振動清理篩的運動微分方程［4-5］。非保守系統的拉格朗日方程為：

在圖1所示的幾何模型中O為篩分質心，以O為原點，水平方向為x軸，豎直方向為y軸，建立直角坐標系。當振動篩運動時，篩箱的總動能由平動能和轉動動能組成。

m——篩箱質量

I0——篩箱對其質心的轉動慣量

x——篩箱沿水平軸的平行速度

y——篩箱轉動沿垂直軸的平行速度

θ——篩箱繞其質心的角速度

系統的總勢能由彈簧所產生的變形勢能組成。

式中：k1、k2——彈簧沿數值方向的剛度

k3、k4——彈簧沿水平方向的剛度

l1、l2——振動篩篩框質心距兩個支撐點的水平距離l3、l4——振動篩篩框質心距兩個支撐點的豎直距離

θ——振動篩振動時繞質心擺動的角度

系統的能量散失函數為

f1、f2——篩箱簡化到彈簧支點的水平方向的阻尼系數

f3、f4——篩箱簡化到彈簧支點的豎直方向的阻尼系數

1.2 激振力的確定

激振力由對稱安裝于篩體兩側的同步反向轉動的兩振動電機的雙出軸上的偏重提供［6］。合成激振力的方向δ是由兩側振動電機的安裝位置決定的，其作用線位于偏重合旋轉平面。設電機偏重總質量為∑m0，偏重旋轉半徑為R。當兩電機同步反向轉動ωt相位時，偏重旋轉產生的離心慣性力的水平分量相互抵消，而在垂直分量則相互疊加即為

篩箱質量m=400kg，安裝傾角α=6°m0=36kg，偏心塊的回轉半徑R=0.012m，偏心塊的角速度ω=100rad/s，代入（5）式得P=8 640sinωt。

系統的固有頻率寫成矩陣形式：

將（2）~（6）代入（1）式，得出的運動微分方程為：

2 仿真模型的建立與Kx和Ky與之間的分配關系的確定

把利用Pro/E建立的振動清理篩的三維模型保存x_t格式，打開運動學仿真軟件ADAMS設置好存放路徑，導入轉換格式后的文件。并將支架跟篩體分別整合成一個整體，二者通過等效質量轉換后的彈簧相連接。振動篩體通過四組橡膠彈簧支撐，將每組橡膠彈簧簡化成為橫豎相互垂直的兩個彈簧，進行等效模擬轉換。并給模型添加模擬激振力。添加彈簧以及激振力后的仿真模型，如圖2。

本文對兩種不同取值關系的軸向剛度Kx和橫向剛度Ky分別進行運動學分析。

一、使彈性支承的軸向剛度Kx和橫向剛度Ky相等Kx= Ky=330kN。篩體質心振動的位移曲線如圖3所示。

二、取彈簧軸向剛度Kx和橫向剛度Ky不相等，Kx/Ky= 6.5，且振動方向K與軸向剛度Kx和橫向剛度Kx應有如下關系：K=Kxsin2δ+Kycos2δ，K=470kN/m，可算出Kx=330kN/m，Ky=50kN/m。篩體質心振動的位移曲線如圖4所示。

經過以上兩種情況軸向和橫向剛度分配不同情況時的篩體質心的位移曲線的對比，當取Kx=Ky時，篩體在起振階段的幅值存在很大的波動，所以當取Kx/Ky==6.5時較合理。

下面對Kx/Ky==6.5時，對振動清理篩進行運動學仿真。

由圖5得出振動篩起振階段時，質心在X方向上的位移變化較大，而且規律性不強。但在運行至1s時，趨于平穩，位移幅值為2mm。

由圖6得出振動篩起振階段時，質心在X方向上的位移變化較大，而且規律性不強。但在運行至1s時，趨于平穩，位移幅值為2mm。

如圖7所示的運動位移曲線中，在起振階段，振動篩在Z方向的位移波動稍大，當仿真運行至3s時，振動篩在Z方向上的波動控制在0.01mm內，隨著運行時間的增加，振動篩在Z方向上的位移越來越小，幾乎為零，說明在該方向上振動清理篩幾乎沒有擺動，滿足設計要求。

3 改變彈簧支撐在豎直方向上的位置振動清理篩的運動仿真

在確定Kx和Ky的情況下，通過保持一側的彈簧支撐在豎直方向上的位置，改變另一側彈簧支撐在豎直方向的位置，對篩體進行運動仿真。

3.1 在Y方向上保持彈簧支撐1的支撐位置不變，改變彈簧支撐2的位置

在Y方向上保持彈簧支撐1的位置不變，改變彈簧支撐2位置。即彈簧支撐1在Y方向上位于810mm時，分別對彈簧支撐2在Y方向上位于540mm、570mm、600mm時，進行篩體質心位移曲線，并進行對比分析，得出篩體質心振動的位移曲線如圖8所示。

當振幅變化達到平穩后，如圖所示的曲線從上至下依次為彈簧2在坐標中在振動篩Y方向分別位于600mm、570mm、540mm時的篩體質心的運動位移曲線。從圖上可以看出，改變彈簧位置所得到的穩定后的振幅約為2.3mm，與原模型的位移振幅一致，即小幅度改變彈簧支撐2的位置，不會改變振動清理篩運行平穩時的位移振幅。

3.2 在Y方向上保持彈簧支撐2的支撐位置不變，改變彈簧支撐1的位置

彈簧支撐2的位置不變，改變彈簧支撐1在Y方向的位置。即彈簧支撐2在Y方向上位于570mm時，彈簧支撐1在Y方向上位于780mm、810mm、840mm時，分別對篩體質心進行位移曲線，并進行對比分析，得出篩體質心振動的位移曲線如圖9所示。

當振幅變化達到平穩后，如圖所示的曲線從上至下依次為彈簧1在坐標中在Y方向分別位于840mm、810mm、780mm時篩體質心的運動位移曲線。從圖上可以看出，改變彈簧位置所得到的穩定后的振幅約為2.3mm，與原模型的位移振幅一致，小幅度改變彈簧支撐1的位置，不會改變振動清理篩運行平穩時的位移振幅。

3.3 在Y方向上保持彈簧支撐2的支撐位置位于600mm不變，改變彈簧支撐1的位置

在Y方向上保持彈簧支撐2的支撐位置位于600mm不變，改變彈簧支撐1的位置，即彈簧支撐2在Y方向上位于600mm時，分別對彈簧支撐1在Y方向上位于780mm、810mm、840mm時，進行篩體質心位移曲線，并進行對比分析，得出篩體質心振動的位移曲線如圖10所示。

如圖10所示的曲線從上至下依次為彈簧1在坐標中在Y方向位于840mm、彈簧1和彈簧2位于模型的原始位置、彈簧1在坐標中在Y方向位于780mm篩體質心的位移曲線。從圖10上可以看出，同時改變彈簧1和2的位置所得到的穩定后的振幅約為2.3mm，與原模型的位移振幅一致，即小幅度的同時改變彈簧支撐1和2的位置，不會改變振動清理篩運行平穩時的位移振幅。

3.4 在Y方向上保持彈簧支撐2的支撐位置位于540mm不變，改變彈簧支撐1的位置

在Y方向上保持彈簧支撐2的支撐位置位于540mm不變，改變彈簧支撐1的位置，即彈簧支撐2在Y方向上位于540mm時，分別對彈簧支撐1在Y方向上位于780mm、810mm、840mm時，進行篩體質心位移曲線，并進行對比分析。

如圖11所示的曲線從上至下依次為彈簧1在坐標中在Y方向位于840mm、彈簧1和彈簧2位于模型的原始位置、彈簧1在坐標中在Y方向位于780mm時篩體質心的位移曲線。從圖11上可以看出，同時改變彈簧1和2的位置所得到的穩定后的振幅約為2.3mm，與原模型的位移振幅一致，即小幅度同時改變彈簧支撐1和2的位置，不會改變振動清理篩運行平穩時的位移振幅。

4 結論

當將彈簧支撐軸向支撐和橫向剛度之比為6.5時，其ADAMS仿真結果與實際振動清理篩的運動相符合。

保持一側彈簧支撐在豎直方向的位置不變，改變另一側在豎直方向的位置時，不會改變振動篩的運動幅值。為優化篩體結構提供依據，為解決連接彈簧與篩體的支座加強筋處是振動篩整體強度的最薄弱部位的問題提供優化方向，為振動篩設計提供依據。

［1］汪建雄.大型直線振動篩可靠性研究［J］.煤礦現代化，2011（1）：86-88.

［2］李永祥，高燕，任曼曼.振動清理篩的研究現狀與發展探討［J］.河南科技，2013（9）：101-102.

［3］張浩.2ZKB振動篩的動態仿真及有限元分析［D］.河北：河北工程大學，2011.

［4］屈維德，唐恒齡.機械振動手冊［M］.北京：機械工業出版社，1992.

［5］張義民.機械振動［M］.北京：清華大學出版社，2007.

［6］張永林，王章海.振動電機激振的振動篩運動分析及主參數設計［J］.糧食與飼料工業，1998（09）：20-21.

Simulation and Research of TQLZ100 200Vibration Cleaning Sieve M ovement CharacteristicsBased on ADAMS

Zhao Dan Li Yongxiang Wang Mingxu
（SchoolofMechanical&Electrical Engineering Henan University of Technology，Zhengzhou Henan 450007）

This paperused the Pro/E to establish the entitymodel,then imported themulti-rigid-body dynamicssoft?ware ADAMSand established the virtual prototypemodel for the simulation research.Itexplored the value distribu?tion of the spring support in axial and transverse stiffness,under the relationship of optimalassignment,determined the changethe position of the spring supporton the vertical direction.By using the ADAMS to simulate the displace?ment curve of sieve centroid when spring support in different locations on the vertical direction,and then compared with the originalmodel.Provide optimization direction by solving the weakest parts of the sieve which connected to the spring and the screen body bearing stiffeners,thus providing the basis for optimum structural design of vibration cleaning sieve.

spring support；ADAMS；simulation analysis

TD452

A

1003-5168（2015）06-0034-4

2015-5-24

河南省重點科技攻關項目“玉米粒收后的干燥及清理技術與關鍵裝備的研創”（152102110071）；河南省重大專項“糧食產后清理技術與關鍵裝備的集成研究及示范”項目（121199110120）；河南省科技攻關項目（14A460006）。

趙丹（1989-），女，漢，在讀碩士，研究方向：機械工程。