振動篩砂機執行機構仿真與分析

張向紅，席曉燕

(唐山學院 機電工程系，河北 唐山 063020)

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振動篩砂機執行機構仿真與分析

張向紅，席曉燕

(唐山學院 機電工程系，河北 唐山 063020)

摘要：基于ADAMS仿真軟件平臺，對礦用振動篩砂機執行機構進行了建模及仿真，得到連桿剛性、柔性下的運動規律。在考慮連桿柔性時，搖桿的角速度曲線變化不大，而角加速度波動非常大，出現沖擊，砂箱在此過程中速度不穩定，受力變化明顯，這與實際過程非常符合。即連桿在實際工作中受力情況較差，在一定情況下會引起機械的振動。

關鍵詞：ADAMS；振動篩砂機；剛性；柔性；仿真

0引言

篩砂機作為物料的分級設備，被廣泛用于建筑、選煤、選礦等工業領域[1-2]。虛擬樣機技術是在產品設計開發過程中，將產品進行建模仿真，來預測產品的整體性能和進行產品改進、升級的一種新技術[3-4]。

本文基于復數矢量法對篩砂機的運動規律進行求解計算，通過ADAMS[5-10]虛擬樣機軟件平臺，建立篩砂機執行機構的虛擬樣機模型，并進行仿真及分析，得到連桿剛性、柔性下的運動規律。

1執行機構中各桿件初始尺寸的確定

篩砂機的設計應滿足如下要求：砂箱的水平運動距離為220 mm，砂箱在水平面內的擺角應小于等于8°，砂箱距離地面高度為900 mm，壓力角β大于40°，運動簡圖如圖1所示。各桿初始長度見表1，機構壓力角如圖2。

mm

圖2　篩砂機執行機構壓力角

由四連桿機構運動關系，按表1設計的機構滿足C點水平運動距離220mm的要求，下面計算壓力角是否滿足要求。

arccos(0.173595)=80°，設計符合壓力角要求。

2基于復數矢量法各桿件的運動模型

在四邊形ABCD中由矢量多邊形定理得：

(1)

各桿長度、角度、角速度、角加速度見表2。

表2　各桿長度、角度、角速度、角加速度

式(1)可改寫成復數矢量形式：

l1+l2+l3+l4=0，

即

l1eiθ1+l2eiθ2+l3eiθ3+l4=0。

(2)

將式(2)按歐拉公式展開，并且讓等式虛部與實部相等，得

(3)

將θ1看作自變量解方程組，得

(4)

將θ3帶入式(3)，得

(5)

將式(2)繼續對時間求導，可得速度：

(6)

同理對式(6)進行展開，得

(7)

解上述方程組，得

(8)

對式(2)求導，得加速度：

(9)

展開后令實部和虛部相等，得

(10)

求得加速度為：

(11)

3篩砂機虛擬樣機建模與仿真

應用ADAMS在動力學分析中的優點，建立篩砂機執行機構，即四連桿機構的運動模型，其虛擬樣機模型如圖3所示。取曲柄AB長為110 mm，連桿BC長為715 mm，為使搖桿長度在預定位置、預定長度，故以連桿起始點，即圖中A點為原點，建立標記點point_D，以point_D點為搖桿的起始點，連接piont_D點與C點建立搖桿。其中各桿長度均已知，各桿厚度均取15 mm，各桿高度均取30 mm，建立四連桿機構。

圖3　篩砂機執行機構虛擬樣機模型

當各個桿均為剛性桿時，分析各桿均為理想連接時的運動情況。給A點一個角速度值為360°/s，設置仿真時間與仿真步長，endtime為1s，step為360°，即搖桿每轉1°在ADAMS中即計算一次。

剛性連桿下搖桿的角速度與角加速度曲線見圖4。

——角速度；--角加速度圖4　剛性搖桿角速度、角加速度曲線

從圖4可以看出，在一個周期中剛性搖桿的角速度最大為44°/s，由于搖桿在一個周期內的運動是對稱的，所以最小角速度為-44°/s。而搖桿的最大角加速度為318°/s2，搖桿的最小角加速度為-235°/s2。

剛性連桿下連桿的角速度與角加速度見圖5。

——角速度；--角加速度圖5　剛性連桿的角速度、角加速度曲線

由圖5可得到剛性連桿在一個周期的最大角速度為55°/s，最小角速度為-55°/s。連桿的最大角加速度為310°/s2，最小角加速度為-395°/s2。

上面建立的模型忽略了桿件的柔性，在考慮連桿的柔性時，替換原來模型的剛性連桿，創建柔性連桿窗口設置見圖6，創建好的柔性連桿模型如圖7所示。

對模型進行仿真分析。為分析柔性連桿和剛性連桿對機構的不同影響，將仿真時間與仿真步長設置成相同值。將仿真時間設置成1s，仿真步長設置成1 440，得到柔性搖桿運動曲線如圖8，圖9所示。

圖6　連桿柔性化窗口

圖7　柔性連桿模型

圖8　柔性搖桿角速度曲線

圖9　剛性、柔性搖桿角加速度對比曲線

由圖8可得柔性搖桿的最大角速度為44°/s，最小為-44°/s。這與剛性連桿時所測得角速度一致，即剛性連桿對角速度的影響不大。但從圖8中可看出柔性搖桿角速度曲線并不光滑，這表明柔性連桿對于搖桿的總體速度影響小，而對瞬時速度的影響不可忽略。由圖9可得篩砂機執行機構在考慮連桿柔性化時，其搖桿的加速度波動非常大，砂箱在此過程中速度不穩定，受力變化明顯，這與實際過程非常符合。即實際連桿在工作中受力情況較差，在一定情況下會引起機械的振動。

4結論

本文應用ADAMS軟件對篩砂機進行了建模、仿真和動力學分析，在考慮連桿柔性時，搖桿的角速度曲線變化不大，角加速度波動非常明顯，說明出現沖擊，砂箱在此過程中速度不穩定，受力變化明顯，這與實際情況非常符合。即連桿在實際工作中受力情況較差，在一定情況下會引起機械的振動。

參考文獻：

[1]盛玉祝，葉大銀.基于虛擬樣機弛張篩面的動態分析[J].煤礦機械，2007，235(9)：81-82.

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[3]裴亮，李曄，龔艷，等.基于虛擬樣機的三缸柱塞泵動力學仿真分析[J].機床與液壓，2014，42(1)：146-148.

[4]劉初升，趙躍民，黃曉徐.振動篩篩分過程的計算機仿真研究[J].工程學報，2004(8)：261-264.

[5]郭衛東.虛擬樣機技術與ADAMS應用實例教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008：230.

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[7]朱昌健.基于ADAMS的杠桿夾緊器的仿真與分析[J].唐山學院學報，2013，26(3)：100-102.

[8]席曉燕.基于ADAMS的含間隙酒瓶裝箱機構優化設計[J].包裝工程，2013，34(1)：69-74.

[9]席曉燕.基于ADAMS的含間隙柔性酒瓶裝箱機構的優化設計與動力學仿真[J].機械科學與技術，2013，32(8)：1195-1199.

[10]席曉燕.金屬成形加工機械執行機構的仿真與動力學分析[J].包裝工程，2015，36(7)：48-52.

(責任編校：夏玉玲)

The Simulation and Design of the Execution Mechanism of Sand Machines with Vibrating Screens

ZHANG Xiang-hong， XI Xiao-yan

(Department of Mechanical and Electrical Engineering， Tangshan University， Tangshan 063020， China)

Abstract：With the simulation software platform of ADAMS，the authors of this paper have established a model of mining-oriented sand machines with vibrating screens， conducted corresponding simulations and obtained the motion laws with rigid and flexible connecting rods. With a flexible connecting rod， the curve of the rocker angular velocity changes little， but the angular acceleration fluctuations greatly， causing an impact， in the process of which the speed of the sand box is unstable， the stress changes noticeably. It agrees with the actual process. The stress exerted on connecting rod in the actual situation is poor， and in some cases causes the vibration of the sand machine.Key Words： ADAMS；sand machine with vibrating screens ； rigidity； flexibility； simulation

基金項目：2012年度唐山市科技計劃項目(12110231b)

作者簡介：張向紅(1969-)，女，河北武邑人，副教授，主要從事機械設計及理論研究。

中圖分類號：TD452；TP391.9

文獻標志碼：A

文章編號：1672-349X(2016)03-0015-03

DOI：10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.03.005