振動料斗料槽幾何參數的研究與設計

孫為韜，呂彥明

江南大學 機械工程學院，江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室,江蘇 無錫　214122)

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振動料斗料槽幾何參數的研究與設計

孫為韜，呂彥明

江南大學 機械工程學院，江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室,江蘇 無錫214122)

摘要：針對振動料斗料槽在設計過程中完全依靠制作經驗的情況,考慮其幾何設計參數料槽升角α和振動方向角β，利用達朗貝爾原理，建立了用于判斷物料運動狀態的振動料斗料槽的數學模型。提出了在實現最佳送料率時物料所需的運動狀態，并利用所述最佳運動狀態計算出振動料斗料槽的幾何參數α和β的設計范圍。最后，通過對某料槽設計參數可變的直線振動料斗進行實驗研究，考查了料槽幾何參數α和β的變化對平均送料速度的影響。結果表明，平均送料速度隨著直線振動料斗料槽升角α的增大和振動方向角β的減小而變大，這為設計高效的振動料斗提供了依據。

關鍵詞：振動料斗；運動狀態；送料率；幾何設計參數

0引言

目前，在工業生產中，工廠需要提高生產效率來保證競爭力，而在大量小零件的生產組裝過程中會出現供料效率低的問題，振動料斗作為能夠有效解決中小零件自動供料問題的最經濟的供料裝置[1]，得到越來越多的學者們的關注。Ding和Dai將振動料斗作為三組平行的彈簧機構模型進行了模態分析[2]。他們還對振動料斗的料槽和物料的運動狀態用狀態空間方程分別建立了數學模型[3]。Silverside等對振動料斗進行了力學分析[4]。 Ramalingam等對直線料槽的輸送速度進行了研究實驗[5]。國內的杜玉明教授等提出廣義物理效應引入法用于實現振動料斗定向機構的設計[6]。傅蔡安教授等人對原有編碼系統進行了改進[7]，提出了一種適用于振動料斗料道設計的新的編碼方法。還有一些研究集中在振動料斗的激勵信號方面，通常將正弦信號作為振動料斗的驅動信號，但在研究過程中也有考慮不均勻的脈沖信號和PWM信號。

為了提高生產效率，需要對振動料斗進行合理設計來提高其送料速度。振動料斗送料速度的影響因素有很多[9]，包括激勵電流的大小和頻率、振動料斗料槽與物料之間的摩擦系數、料槽的幾何設計參數等。本文在考慮振動料斗料槽的幾何設計參數的情況下，通過建立料槽的數學模型，對物料在輸送過程中的運動狀態進行了分析，得出了實現最佳送料率所需的振動料斗料槽設計參數α和β，為振動料斗的設計提供理論依據。

1振動料斗結構及工作原理

振動料斗從送料軌道類型上可以分為螺旋式和直進式，從振動源上可以分為電磁式、電動機式、壓電式和超聲波式[10]。本文以結構較為簡單的直進式電磁振動料斗為研究對象，其主要構成如圖1所示，由料槽、托盤、板彈簧、銜鐵、電磁線圈和底座組成[11]。

圖1　直進式電磁振動料斗結構圖

振動料斗接通交流電后，電流逐漸增大，電磁鐵產生的吸力也同時增大，迫使板彈簧發生彈性變形，銜鐵帶著托盤逐漸偏離靜平衡位置向左下方移動。電流變小時，板彈簧中儲存的彈性勢能使得銜鐵帶著托盤回歸靜平衡位置。交流電的周期性變化，使得托盤產生了往復振動，料槽中的物料在重力、摩擦力和慣性力等力的綜合作用下，沿著料槽直線軌道向上移動[12]，最后送往裝配或加工位置。

2物料的受力分析和運動狀態

物料在輸送過程中一般有[13]：相對靜止、向上滑移、跳躍、向下滑移。以下根據物料受力情況分別介紹這4種運動狀態。

為了方便分析,將圖1所示直進式振動料斗簡化成上圖2所示斜面振動料斗[14]。其中α料槽升角是料槽與水平面的夾角， β振動方向角是物料運動的方向和料槽之間的夾角。

圖2　料槽靜止物料受力圖

當振動料斗沒有工作時如圖2，物料靜止在斜面上，此時靜摩擦力f方向沿x軸正向，有最大靜摩擦力

f0≥mgsinα

(1)

當料槽在電磁力和板彈簧作用力下向左下方運動時，如圖3所示，隨著電磁力增大，慣性力F逐漸增大，而靜摩擦力逐漸減小并降低為0后反向增大。當靜摩擦力f達到反向最大值時，物料處于靜止的臨界狀態，此時在料槽平面內沿x軸的慣性力分量max與重力在料槽平面內沿x軸反方向分量mgsinα的矢量和小于最大靜摩擦力f0，有：

化簡得a

其中

(2)

此時物料和料槽相對靜止，隨后慣性力F繼續變大，料槽以加速度a向左下方運動時，如圖3所示，物料所受的慣性力沿料槽斜面向上。若在料槽平面內沿x軸的慣性力分量max大于摩擦力f與物料重力沿料槽平面向下的分量mgsinα之和時，物料向上滑移，此時有

化簡得a≥a1

若慣性力F足夠大，當慣性力在垂直于料槽平面且沿y軸正向的分量may與支持力N之和大于物料重力沿垂直于料槽平面上的分量mgcosα，并且料槽斜面上的支持力N等于0時，物料離開料槽斜面，出現跳躍的運動狀態，有：

化簡得a>a2

其中

(3)

隨著電磁力周期性變小，板彈簧的作用力大于電磁力，料槽開始向右上方運動料槽向右上方運動,此時物料所受的慣性力F如圖4所示。

圖3　料槽向下運動物料受力圖

圖4　料槽向上運動物料受力圖

此時，慣性力F最大，慣性力在料槽平面內沿x軸負方向的分量與重力在垂直于料槽沿y軸負方向的分量之和大于最大靜摩擦力f0，物料開始向下滑移，此時有：

化簡得a≥a3

其中

(4)

隨著電磁力的再次增大，方向向下的慣性力F逐漸減小，當慣性力在料槽平面內沿x軸負方向的分量與重力在料槽平面沿x軸負方向的分量之和小于最大靜摩擦力時，物料開始相對料槽靜止，

化簡有 a

3物料最佳輸送狀態

為了保證電磁振動料斗的送料速度，應該避免物料出現沿料槽斜面向下滑移的情況出現[5]，此時物料將處于最佳輸送狀態。所以料槽的加速度a最大不要超過a3，即得到a10，

有

(5)

將式(2)、式(4)帶入不等式(5)：

(6)

4α、β對物料輸送速度的影響

根據上述所得到的α、β角的取值范圍，調整直進式振動料斗的幾何參數,考察其值的變化對物料輸送速度的影響。采用如圖5所示的實驗裝置，選擇固定大小和頻率的激勵電流驅動振動料斗，通過計算每分鐘輸送的物料個數，來估計平均送料速度。

圖5　簡易試驗裝置

圖6可以看出隨著α的減小，β的增加，相應的送料率就會提高。

圖6　α、β和送料速度關系

5結束語

[參考文獻]

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(編輯李秀敏)第

Investigation and Design of the Geometric Parameters of Vibratory Feeder Trough

SUN Wei-tao,LV Yan-ming

(School of Mechanical Engineering，Jiang Nan University，Jiangsu Province Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology and Equipment of Food, Wuxi Jiangsu 214122, China)

Abstract：As the vibratory feeder trough entirely on experience in the design process, considering the geometric design parameters rise angle α and vibration direction angle β of trough, Darren bell principle was used to build a mathematical model of the vibratory feeder trough through to determine the state of the movement of parts. A view was put forward that optimal feed rate needed corresponding moving state of components, and then the best moving state was applied to calculate the design geometric parameters rise angle α and vibration direction angle β of vibratory feeder trough. Finally, the experiment of feeding speed of a vibratory feeder with variable design parameters was made to investigate the effects of vibratory feeder’s geometric design parameters trough rise angle α and vibration direction angle β on the feeding rate, respectively. The results show that the greater of angle α the smaller the feed rate, the greater of angle β the greater the feeding speed which provides a basis for designing efficient vibratory feeder.

Key words：vibratory feeder; movement states; feeding speed; geometric design parameters

中圖分類號：TH122；TG65

文獻標識碼：A

作者簡介：孫為韜(1990—)，男，江蘇鹽城人，江南大學碩士研究生，研究方向為自動機械與機電一體化，(E-mail)811175044@qq.com；通訊作者:呂彥明(1966—)，男，山西合勝人，江南大學教授，博士，研究領域為CAD/CAM和工裝夾具計算機輔助設計，(E-mail)995846621@qq.com。

收稿日期：2015-05-12

文章編號：1001-2265(2016)03-0138-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.038