动态设计在惯性振动给料机中的分析应用

张军光 张强

摘 要：文章针对性的对给料机中的惯性给料机进行了介绍，以动态设计作为中心内容，阐释了其一般步骤以及相关内容，并通过对ZG单电机振动给料机以分析，文章中的动力学分析主要使用了Matlab。

关键词：动态设计；惯性振动给料机；Matlab

惯性振动式给料机是目前应用较为广泛的给料机，其工作原理是利用振动电机负载振子，产生的振动作用，完成给料动作。该设备目前在工业生产、农业生产和国防建设等领域应用广泛，通过振动机械的振动作用，被运输物料便会沿着槽体向指定的方向滑行或者作抛掷运动，以此完成物料的运输。

这种振动式的给料机同其他给料机具有共同的发展方向，即设备的体型越来越大，集成性越来越强，自动化越来越高，智能化程度越来越高。但是越先进的设备在运行过程中设计动力学问题便会越来越多，在动力学特性上提出更高的要求。

所以，在设备的设计中，以动态设计理论为基础，动态设计方法为手段的系统，全面的设计对设备系统以及零部件是不可或缺的工作，动态设计作为一种保障措施和手段，是机械运行以及系统运转的保障基础。该种惯性振动式的给料机动态设计的根本目的就在于，机械设备在投入实际的生产后，其工作状态能够达到较为理想的状态，这不仅仅要求设备在使用时能够从工艺指标上达到标准，同时还要求该设备在投入使用后生产性能可靠安全，并且使用年限能够更长久。

1 动态设计主要内容

振动给料机主要利用机械振动，而机械振动赋予设备动态设计两种内容：

首先，在惯性振动式的给料机设计初期，需要将初步设计的整体过程予以考虑，依据总结出来的理论成果以及工作经验，对动力学参数以及运动学参数进行选择、计算，对设备中应用的零部件的形式以及尺寸和形状予以确定，在工艺上获得更好的指标，例如电机选择，料斗宽度，料斗长度，送料速度，输送量确定，结构模式等。

其次，在进行初步设计之后，需要进一步对设备进行结构建模，对设备的动态特性予以研究分析，并对设备进行分析、试验，最大程度的对动态特性予以分析，了解设备的动态特性，从而对设备的图样予以审核，对结构的力学性能薄弱或者振动传递不好的部位进行更改，如果整体振动效果不好，对图样全面修改和重新设计。

2 惯性振动给料机的主要特点分析

相对于我国目前所用的几种给料机，惯性振动式的给料机具有以下的特点：结构简单，安装方便，运行稳定可靠。输送量大，输送效率高，对物料适应性强。能耗低，维修量小，运行费用低。采用变频调速，给料量调节方便，更容易实现系统自动控制。选用防爆激振器可用于有防爆要求的场合。惯性振动给料机配套反接制动控制箱，可使给料机在短时间内迅速停机，同时还具有过流、过压、断相保护作用，并可应客户要求，增加能耗制动、快慢加料、远程控制及无级调速等功能。

3 惯性振动式给料机

在动态设计上的方法以及步骤包括以下几个方面内容：计算运动学参数、动力学相关内容的建模以及计算动力参数、分析系统规定动态性，并通过实验对设备的参数、模态以及需要进行修改的地方进行识别，同时需要对设备结构进行予以动力修改。对上述动态设计，使用最多的方式是实验法、数值法以及解析法。几种方式的结合方法能够将实际同理论联系起来的方式。

（1）计算运动学参数：振幅、振动方向角以及频率、工作面倾角以及运动轨迹是运动学参数计算的主要对象，上述参数需要在物料处于最佳状态或者次佳状态下获得的，最佳运动学参数或者次佳运动学参数。

（2）建模：惯性振动式给料机具有其特有的性能，根据这一特点，对其进行动力学建模。首先将系统进行有限元的划分，选取相应的坐标系。计算在总坐标系中单元的惯性矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和结点力矩阵。

（3）计算动力学参数以及分析动态特性：对于固有振型以及频率的计算，可以将阻尼以及外作用力进行事先的去除，可以列式：M■+KU=F式中M表示质量矩阵；K表示刚度矩阵，而U则表示位移向量；上述方程有下列形式的解：U=Ψsinφ，其中Ψ表示位移向量（同时间无关）。将U带入上面的公式可以得到：（K-ω2M）Ψ=0

通过上述方程可以将系统中固有的振型以及频率进行计算。有几个自由度系统便会产生几个固有频率，而固有的频率都会对应有一定的振型。另外，动力学方程还能够进行坐标变换，通过变换在正规坐标或者主坐标上放置方程，继而将系统动力响应予以求出。

（4）系统物理参数的识别以及实验模态：

通过实验可以测得急切的动态特性。振动测量时，应同时测量输入和输出。测得输入和输出，便可算出频率响应函数，由此可按照所测得的激励和响应将系统的动态性能推算出来。识别模态参数可在频域中予以识别也能够在时域中予以识别。

4 实例分析

在惯性振动式给料机的应用中，可以设备采用Malfab进行动力学分析，并进行仿真研究，通过以下步骤进行讨论。首先是力学模型的简化，其次是分析设备的受力状况，继而建立微分方程，并求解微分方程，最后则是对结果的分析和仿真处理。

根据设备的实际结构，将阻尼的影响予以忽略，建立起相应的力学模型，模型的坐标原点取给料机的质心，水平方向做X轴垂直方向是Y轴。

偏心块在旋转时会出现周期激振力，正是由于这种现象，惯性振动式给料机在安装过程中会产生沿着力心以及质心连线的方向分解为F1，F1=F0cosωt，进一步对力分解，便可以得到Fx以及Fy另一个分解力会沿着Z轴垂直于力心和质心的连线Fz.Fz=F0sinωt，所以在x/y/z轴会分别在三个方向上产生振动。力心和质心又不重合，那么Fz所产生的力矩会令设备发生转动，这里仅仅考虑设备围绕Y轴进行转动，用角位移θ表示。依照牛顿运动定律以及转动方程，能够建立起振动微分方程。由于给料机的工作环境是共振区，因此将阻尼忽略，那么可以求得机体三个方向上的振幅以及绕Y轴转动时的幅值。

作为目前在技术指标上最先进的设备之一，惯性振动给料机在给料作业中已经普遍的应用在多行业领域，并且在现代的惯性振动式给料机的应用中往往还会加入变频调速的相关技术，当前的矿山、冶金以及电力、煤炭和轻工、化工、建材等行业中，惯性振动式给料机已经逐步的开始应用，主要被用在对散状物料的运输工作中，将散装物料从储料仓、漏斗中传送到受料装置中，连续、均匀的进行运送。例如将惯性振动式给料机应用到电厂中，在上煤系统中通过该设备为皮带机输送散装煤炭；而在洗煤厂的应用中，则通过该设备进行装车，此外码头的卸船也应用到了振动给料机。在动态作用下，通过结构构件动力状态反应为依据对设备进行设计，有时可采用动力系数方法简化为静态设计。

5 结束语

通过对惯性给料机的动态设计和动力学分析，绘出振动工作面上运动曲线的轨迹，从中得出料槽中的物料在XZ平面内的椭圆振动作用下，使物料产生一个松散物料的作用，从而提高了物料的运动速度及振动给料机的给料效率。同时采用较大的倾斜角和振动方向角可获得较大的振动给料效率，且很稳定，节约能源。依据结论优化给料机的设计，进而对物料运输的效率予以提升，增加行业的效益，并为振动给料机的生产设计提供可靠依据，具有很大的价值。

参考文献

[1]辛志杰，徐燕申.超声珩磨振动系统动态设计[J].组合机床与自动化加工技术，2006年06期.

[2]阎胜文，瞿金平，韦建召.单螺杆振动塑化挤出机螺杆转动对其轴向振动的影响[J].中国机械工程，2006年09期.

[3]李鹤，姚红良，闻邦椿，应怀樵.振动锤的周期运动稳定性与分叉[J].东北大学学报（自然科学版），2004年01期.