直線振動篩選機設計

宗榮珍，宋偉軒，孟慧芳，歐拴柱，和政翔，孫佳童

（南陽理工學院，河南 南陽 473004）

0 引言

直線振動篩選機可對粉狀、顆粒狀物料篩選和分級[1]，廣泛應用于礦山、建材、磨料、化工、糧食、碳素、化肥等行業。目前市面上現有的直線振動篩選機種類繁多，動力方式和運動方式各有區別，但總體效率不高，操作費時費力。本文設計一款效率高、可更換、篩分種類多、操作簡單的直線振動篩選機，其利用振動電動機激振作為振動源，使物料在篩網上被掀起，同時向前做直線運動，物料從給料機均勻地進入篩分機的進料口，通過多層篩網產生數種規格的篩上物、篩下物，然后分別從各自的出口排出。該直線振動篩選機具有耗能低、產量高、結構簡單、易維修、無粉塵逸散、自動排料等特點。振動篩的篩網孔大小有多種規格，當用于不同物料的篩選時，通過篩網的替換便可以實現符合用戶要求的物料篩選效果。

1 直線振動篩選機結構設計

1.1 直線振動篩選機具體設計內容及要求

直線振動篩選機分為上體和下體兩個部分，上體和下體采用減振耐用彈簧連接，上體主要包括進料口、篩網、出料口、振動電動機及電動機固定板。下體主要包括支撐架、萬向輪及電源插口等。

1）直線振動篩選機總長擬定為1800 mm，總寬擬定為600 mm；內置篩網尺寸擬定為1500 mm（長）×420 mm（寬）。

2）直線振動篩選機上體篩分部分及下體支撐梁的結構設計。上體篩分部分的設計要質量適中，根據振動電動機的選擇，要考慮到篩網部件及各個鈑金部件的耐磨性能；其次為了滿足篩分物料的多樣性，上體結構設計要保證篩網的可更換、易維修保養等。下體的結構設計主要是要保證彈簧具有預期壽命下的使用條件；其次是支架的結構設計及萬向輪的選型。

3）根據整體結構的初步分析，選擇較為合適的振動方式并進行設計計算，確定振動電動機型號和直線振動篩選機耐用振動彈簧的計算與選型。

1.2 進料口設計

進料口主要包括進料口外框架1、調節擋板2、吊環螺釘3、螺母4及擋塊5等。其中，調節擋板2主要作用在于通過調節它的位置高度，從而控制物料送入速度。決定位置高度的原因主要有3點：一是所要篩分物料的大小；二是根據工作時間的要求及電動機的振動快慢來調節擋板2的位置高度；三是可手動調節物料的送入量，以篩分效果更好為目的，而不是速度。吊環螺母4焊接在進料口外框架上，這樣就可以通過調節吊環螺釘3來實現對調節擋板2位置高度的調節。擋塊5主要是為了固定調節擋板2的水平自由度。進料口結構如圖1所示。

圖1 直線振動篩選機、進料口結構

1.3 篩網設計

篩網主要包括長型鋼1、短型鋼2、篩網3等。該直線振動篩選機的篩網可以根據所要篩分的物料的差異來選擇不同材質、結構的篩網，進行更換。篩網結構如圖2所示。

圖2 篩網結構

1.4 出料口設計

出料口主要包括外框架1、底層出料口2、側板3、上層出料口4、中層出料口5。外框架1為鈑金框架，一方面用于擋料，另一方面的作用是充當第三層物料的收集箱。底層出料口2在外框架的側面，通過振動電動機，再加上篩面有一定的傾斜角度[2]，篩分到底層的物料在激振力的作用下會從底層出料口2流出。上層出料口4和中層出料口5的工作原理與此相同。出料口結構如圖3所示。

圖3 出料口結構

1.5 振動結構設計

振動結構主要包括振動電動機1、螺栓2、螺母3、電動機固定板加固件4、電動機固定板5等零件，如圖4所示。總體來講，該課題所研究的直線振動篩選機唯一的動力源就是振動電動機1，所以振動電動機的性能直接決定了該直線振動篩選機篩分物料的速率與效果。合理選擇振動電動機1是保證該直線振動篩選機質量和能效的關鍵，本文采用雙電動機驅動，動力更強，還可以針對所要篩分物料的不同進行調節[3]。電動機固定板加固件4用來增加電動機固定板5的強度，在機器持續、強烈地激振中，振動電動機上的安裝螺栓2及螺母3很容易發生松動，而且在持續振動下，會導致電動機固定板5疲勞損傷，因此，電動機固定板加固件4也起到了格外重要的作用。由于電動機固定板5及電動機固定板加固件4都是以焊接的方式連接而成的，所以焊縫質量也要滿足設計要求。該振動結構設計以整機振動方式設計，這樣的好處在于振動傳遞明顯，利用彈簧支撐整個振動體振動，消耗功率降低，振動傳遞效果明顯，此外還可以減小對鈑金件、緊固件、標準間、支撐件等零件的磨損程度[4]。

圖4 振動結構

1.6 功能實現說明

直線振動篩選機的立體模型如圖5所示，其動力源來自振動電動機[5]。該直線振動篩選機大體上分為兩個部分，彈簧以上為振動部分，彈簧以下為支撐部分。在上體部分，通過與振動電動機連接的電動機固定板、與電動機固定板連接的外框架將振動傳遞至篩網支撐架，以此達到篩分物料的作用。由于上體篩分部分的整體是由4個彈簧支撐起來的，所以振動效果較好，功率消耗降低。進料口的調節擋板可以通過調節其位置高度來控制物料的送入量，此外，為了滿足篩分的物料具有多樣性，上體的篩分結構采用的是可更換篩網的結構，可以針對不同的物料更換不同的篩網。本文設計的直線振動篩選機，有3層出料口，這樣篩分的層次更多，可以滿足人們的多樣化需求，同時也大大地提高了工作效率。直線振動篩選機在工作時肯定處于晃動狀態，所以該機器的后輪采用可以鎖死的萬向輪進行安裝設計，這樣可以穩固工作時的機器。

圖5 直線振動篩選機

2 振動電動機的選型計算

振動電動機主要參數如表1所示。

表1 YZS振動電動機（YZS-3-4）主要參數表

篩面傾角：α設計為2°，振幅λ=3 mm。

ω可以根據式（1）計算：

式中：ω為振動電動機轉速；T1為振動電動機振動周期；g為重力加速度，取9.8 N/kg；α為直線振動篩選機篩網篩面傾斜角度；λ為直線振動篩選機篩面物料振動幅度；n為振動電動機的轉速。

代入以上所設的數據得出：ωT1=5.68 mm/s。

通過ωT1可以確定振動電動機的級數，篩分機器一般選用6級振動電動機。

2.1 最大激振力的計算

式中，Σm+Σm0為參與振動的物體質量總和，其構成如下：

式中：ms為篩體的質量；mω為篩面上物料的質量；kω為物料結合系數。

按照本文所設計的直線振動篩選機所要篩選物料的種類及篩分結構的工藝性選擇，通過式（1）電動機級數的確定，并結合式（2）可以算出該直線振動篩選機所需要的振動電動機的最大激振力為：Σm0ω2R=3 N。

2.2 振動電動機功率的計算

計算振動電動機的功率，需要先確定偏重慣性力P0，求出偏重轉一圈所要消耗的功率A，得到這兩個主要參數才能夠求出該直線振動篩選機振動電動機的功率。

偏重慣性力計算公式為

功率A計算公式為

振動電動機所需功率計算公式為

式中：n為電動機轉速，r/min；k為考慮其他功耗的儲備系數，常取1.2～1.5，這里我們取1.3。

代入數據得出N=0.15 kW。根據初步的總體尺寸估算，所以該振動電動機選擇三相異步電動機，型號為YZS-3-4，功率為0.18 kW。

3 主要零部件設計說明

3.1 支架材料的確定

支架的底部型鋼的尺寸根據先前篩網擬定的總體尺寸來確定。所選用的方形空心型鋼擬定尺寸為50 mm×30 mm，厚為2 mm,則型鋼截面面積為1.56×10-4m2，該型鋼一角所受單個支撐柱載荷力取擬定最大值450 N（方鋼低的一側受最大力）,由于前后兩對支撐柱施加的壓力不同，所以只需要取壓力最大的一端進行分析計算。

可按照公式計算如下：

根據強度條件，該方鋼的允許最大軸力為

FNmax取0.46 kN，則計算可得出空心型鋼梁所允許的最小截面面積為

可知所選的50 mm×30 mm、厚2 mm、型鋼截面面積為1.56×10-4m2的AISI 1020冷軋方形空心型鋼符合應用要求。

3.2 支架有限元分析

根據支架在直線振動篩選機中的受力方式分析，主要是支撐柱大圓柱端面處受到較大的正應力，經過數據計算和軟件本身的測量，彈簧及其以上部分的總質量為182.283 kg，假設在靜載荷下支架所受到的正應力等于上部分的重力，所以支架所受總載荷為1786.373 N，假設支撐柱高度一致，每個支撐柱所受正應力為446.593 N，因為篩網有一定的傾斜角度，所以前后支撐柱受力并不相同，所以經過計算設定，支架后端受力為430 N，前端受力為460 N。對支架進行有限元分析。

3.3 支架有限元分析結果

1）支架應力分析。

從圖6中可以看出，支架主要應力位于支撐柱的底部處，最小值為1.556×101N/m2，最大值為1.661×107N/m2，在材料可承受范圍之內。

圖6 支架應力云圖

2）支架位移分析。

對大梁施加載荷后通過有限元分析軟件得到其位移分布情況，位移最小值為1.000×10-30mm，最大值為8.797×10-3mm。支架靜態位移具體分布情況如圖7所示。

圖7 支架位移云圖

4 產品推廣應用效果

該直線振動篩選機試制完成后對其工作性能進行了測試，測試數據如下：振動頻率為960 次/min，振幅為3～7 mm，篩面層數為2層，篩面傾角為2°，噪聲為55～60 dB，可篩選出尺寸為8～20 mm的物料，生產能力為50 t/h。出廠后得到用戶好評，具有以下優點：1）振動幅度小、工作穩定性高、噪聲低于其他同類設備；2）因其彈簧和篩網都是可更換的零件，便捷地實現了物料篩分的多樣化；3）篩網傾斜角度合理，質心坐標位置恰當，物料流出順暢。

5 結論

本文所述直線振動篩選機主要零部件均為SolidWorks建模設計，其具體尺寸均按照篩網的尺寸設計調整。零件建模完成后對主要零部件進行有限元分析，根據分析結果對零件進行調整。經過對支架支撐柱及圓柱螺旋壓縮彈簧進行有限元分析，得出以上主要零部件的應力、位移及應變分布情況和具體參數，其應力最大值低于零件材料屈服強度，其余參數也均在材料可承受范圍之內。各個零部件安全可靠，可以滿足使用要求。由于篩網有一定的傾斜角度，這是該直線振動篩選機唯一不穩定的因素，但是這個傾斜角度很小，完全可以忽略不計，此外，通過對該裝配體的質心坐標的測量，發現該機器沒有傾角和有傾角的質心坐標位置差距很小，在可接受的范圍內，設計方案可行。

本文的難點主要在于兩個零部件的選擇：一是振動電動機的選型；二是彈簧的設計計算。振動電動機要通過功率來選擇，而彈簧則需要設定初始值，來計算出主要參數，從而確定彈簧的大小及型號、材料。因為本文設計的振動篩中間只靠彈簧連接，所以這就意味著篩分部分的質量要適中。如果輕了就會導致該振動篩重心不穩，在整機振動的過程中，物料容易出現大幅度地跳動等情況。如果太重則會導致機器不方便拆卸和運輸，在持續的運行中，隨著時間的推移，在激振力的作用下內部零件會逐漸軟化磨損，失去一定的強度，這時就需要更換零件。此外，當篩分的物料有變化或者篩分的形狀有要求時，需要換上對應的篩網結構，這時如果篩網的結構不夠輕便則會導致工作效率降低。希望在今后的研究工作中能夠對以上問題做進一步的探索、實踐和提高。