基于ADAMS的TQLZ100×200振动清理筛运动特性的仿真与研究

赵 丹 李永祥 王明旭

（河南工业大学机电工程学院，河南 郑州 450007）

基于ADAMS的TQLZ100×200振动清理筛运动特性的仿真与研究

赵 丹 李永祥 王明旭

（河南工业大学机电工程学院，河南 郑州 450007）

本文利用Pro/E建立实体模型，然后导入多刚体动力学软件ADAMS，建立虚拟样机模型进行仿真研究。探究了弹簧支撑在轴向和横向刚度的取值分配关系，确定了最优分配关系下改变弹簧支撑在竖直方向上的位置，利用ADAMS仿真出弹簧支撑在竖直方向上不同位置时筛体质心的位移曲线，并与原模型进行对比。为解决振动筛整体强度的最薄弱部位--连接弹簧与筛体的支座加强筋处提供优化方向，从而为振动清理筛结构优化设计提供依据。

弹簧支撑；ADAMS；仿真分析

振动筛是一种广泛应用于粮食、煤炭、矿山、冶炼、建材等行业的筛分与清理机械［1］。根据工作时的运动轨迹，可分为直线、圆和椭圆振动筛［2］。具有结构简单、性能优越、产量大、筛面不易堵孔等优点，是应用最为广泛的筛分产品之一。

目前国产直线振动筛与国外同类产品相比存在较大的差距，普遍存在强度低、噪声大、共振振幅大等问题［3］，其可靠性也有待提高。振动筛在工作过程中，其主要零部件长期经受周期变化的激振力作用，致使筛体的侧板、横梁等部件频繁发生断裂事故，严重影响了振动筛的筛分效果和生产效率。因此，在确定支撑刚度水平和竖直刚度的取值分配下，并在确定了最优的分配关系下改变弹簧支撑在竖直方向的位移曲线，为改善连接弹簧与筛体的支座加强筋处极易受损的现象提供方向。

1 振动筛运动微分方程的建立

1.1 振动筛运动微分方程的建立

本文应用拉格朗日方程建立TQLZ100×200振动清理筛的运动微分方程［4-5］。非保守系统的拉格朗日方程为：

在图1所示的几何模型中O为筛分质心，以O为原点，水平方向为x轴，竖直方向为y轴，建立直角坐标系。当振动筛运动时，筛箱的总动能由平动能和转动动能组成。

m——筛箱质量

I0——筛箱对其质心的转动惯量

x——筛箱沿水平轴的平行速度

y——筛箱转动沿垂直轴的平行速度

θ——筛箱绕其质心的角速度

系统的总势能由弹簧所产生的变形势能组成。

式中：k1、k2——弹簧沿数值方向的刚度

k3、k4——弹簧沿水平方向的刚度

l1、l2——振动筛筛框质心距两个支撑点的水平距离l3、l4——振动筛筛框质心距两个支撑点的竖直距离

θ——振动筛振动时绕质心摆动的角度

系统的能量散失函数为

f1、f2——筛箱简化到弹簧支点的水平方向的阻尼系数

f3、f4——筛箱简化到弹簧支点的竖直方向的阻尼系数

1.2 激振力的确定

激振力由对称安装于筛体两侧的同步反向转动的两振动电机的双出轴上的偏重提供［6］。合成激振力的方向δ是由两侧振动电机的安装位置决定的，其作用线位于偏重合旋转平面。设电机偏重总质量为∑m0，偏重旋转半径为R。当两电机同步反向转动ωt相位时，偏重旋转产生的离心惯性力的水平分量相互抵消，而在垂直分量则相互叠加即为

筛箱质量m=400kg，安装倾角α=6°m0=36kg，偏心块的回转半径R=0.012m，偏心块的角速度ω=100rad/s，代入（5）式得P=8 640sinωt。

系统的固有频率写成矩阵形式：

将（2）~（6）代入（1）式，得出的运动微分方程为：

2 仿真模型的建立与Kx和Ky与之间的分配关系的确定

把利用Pro/E建立的振动清理筛的三维模型保存x_t格式，打开运动学仿真软件ADAMS设置好存放路径，导入转换格式后的文件。并将支架跟筛体分别整合成一个整体，二者通过等效质量转换后的弹簧相连接。振动筛体通过四组橡胶弹簧支撑，将每组橡胶弹簧简化成为横竖相互垂直的两个弹簧，进行等效模拟转换。并给模型添加模拟激振力。添加弹簧以及激振力后的仿真模型，如图2。

本文对两种不同取值关系的轴向刚度Kx和横向刚度Ky分别进行运动学分析。

一、使弹性支承的轴向刚度Kx和横向刚度Ky相等Kx= Ky=330kN。筛体质心振动的位移曲线如图3所示。

二、取弹簧轴向刚度Kx和横向刚度Ky不相等，Kx/Ky= 6.5，且振动方向K与轴向刚度Kx和横向刚度Kx应有如下关系：K=Kxsin2δ+Kycos2δ，K=470kN/m，可算出Kx=330kN/m，Ky=50kN/m。筛体质心振动的位移曲线如图4所示。

经过以上两种情况轴向和横向刚度分配不同情况时的筛体质心的位移曲线的对比，当取Kx=Ky时，筛体在起振阶段的幅值存在很大的波动，所以当取Kx/Ky==6.5时较合理。

下面对Kx/Ky==6.5时，对振动清理筛进行运动学仿真。

由图5得出振动筛起振阶段时，质心在X方向上的位移变化较大，而且规律性不强。但在运行至1s时，趋于平稳，位移幅值为2mm。

由图6得出振动筛起振阶段时，质心在X方向上的位移变化较大，而且规律性不强。但在运行至1s时，趋于平稳，位移幅值为2mm。

如图7所示的运动位移曲线中，在起振阶段，振动筛在Z方向的位移波动稍大，当仿真运行至3s时，振动筛在Z方向上的波动控制在0.01mm内，随着运行时间的增加，振动筛在Z方向上的位移越来越小，几乎为零，说明在该方向上振动清理筛几乎没有摆动，满足设计要求。

3 改变弹簧支撑在竖直方向上的位置振动清理筛的运动仿真

在确定Kx和Ky的情况下，通过保持一侧的弹簧支撑在竖直方向上的位置，改变另一侧弹簧支撑在竖直方向的位置，对筛体进行运动仿真。

3.1 在Y方向上保持弹簧支撑1的支撑位置不变，改变弹簧支撑2的位置

在Y方向上保持弹簧支撑1的位置不变，改变弹簧支撑2位置。即弹簧支撑1在Y方向上位于810mm时，分别对弹簧支撑2在Y方向上位于540mm、570mm、600mm时，进行筛体质心位移曲线，并进行对比分析，得出筛体质心振动的位移曲线如图8所示。

当振幅变化达到平稳后，如图所示的曲线从上至下依次为弹簧2在坐标中在振动筛Y方向分别位于600mm、570mm、540mm时的筛体质心的运动位移曲线。从图上可以看出，改变弹簧位置所得到的稳定后的振幅约为2.3mm，与原模型的位移振幅一致，即小幅度改变弹簧支撑2的位置，不会改变振动清理筛运行平稳时的位移振幅。

3.2 在Y方向上保持弹簧支撑2的支撑位置不变，改变弹簧支撑1的位置

弹簧支撑2的位置不变，改变弹簧支撑1在Y方向的位置。即弹簧支撑2在Y方向上位于570mm时，弹簧支撑1在Y方向上位于780mm、810mm、840mm时，分别对筛体质心进行位移曲线，并进行对比分析，得出筛体质心振动的位移曲线如图9所示。

当振幅变化达到平稳后，如图所示的曲线从上至下依次为弹簧1在坐标中在Y方向分别位于840mm、810mm、780mm时筛体质心的运动位移曲线。从图上可以看出，改变弹簧位置所得到的稳定后的振幅约为2.3mm，与原模型的位移振幅一致，小幅度改变弹簧支撑1的位置，不会改变振动清理筛运行平稳时的位移振幅。

3.3 在Y方向上保持弹簧支撑2的支撑位置位于600mm不变，改变弹簧支撑1的位置

在Y方向上保持弹簧支撑2的支撑位置位于600mm不变，改变弹簧支撑1的位置，即弹簧支撑2在Y方向上位于600mm时，分别对弹簧支撑1在Y方向上位于780mm、810mm、840mm时，进行筛体质心位移曲线，并进行对比分析，得出筛体质心振动的位移曲线如图10所示。

如图10所示的曲线从上至下依次为弹簧1在坐标中在Y方向位于840mm、弹簧1和弹簧2位于模型的原始位置、弹簧1在坐标中在Y方向位于780mm筛体质心的位移曲线。从图10上可以看出，同时改变弹簧1和2的位置所得到的稳定后的振幅约为2.3mm，与原模型的位移振幅一致，即小幅度的同时改变弹簧支撑1和2的位置，不会改变振动清理筛运行平稳时的位移振幅。

3.4 在Y方向上保持弹簧支撑2的支撑位置位于540mm不变，改变弹簧支撑1的位置

在Y方向上保持弹簧支撑2的支撑位置位于540mm不变，改变弹簧支撑1的位置，即弹簧支撑2在Y方向上位于540mm时，分别对弹簧支撑1在Y方向上位于780mm、810mm、840mm时，进行筛体质心位移曲线，并进行对比分析。

如图11所示的曲线从上至下依次为弹簧1在坐标中在Y方向位于840mm、弹簧1和弹簧2位于模型的原始位置、弹簧1在坐标中在Y方向位于780mm时筛体质心的位移曲线。从图11上可以看出，同时改变弹簧1和2的位置所得到的稳定后的振幅约为2.3mm，与原模型的位移振幅一致，即小幅度同时改变弹簧支撑1和2的位置，不会改变振动清理筛运行平稳时的位移振幅。

4 结论

当将弹簧支撑轴向支撑和横向刚度之比为6.5时，其ADAMS仿真结果与实际振动清理筛的运动相符合。

保持一侧弹簧支撑在竖直方向的位置不变，改变另一侧在竖直方向的位置时，不会改变振动筛的运动幅值。为优化筛体结构提供依据，为解决连接弹簧与筛体的支座加强筋处是振动筛整体强度的最薄弱部位的问题提供优化方向，为振动筛设计提供依据。

［1］汪建雄.大型直线振动筛可靠性研究［J］.煤矿现代化，2011（1）：86-88.

［2］李永祥，高燕，任曼曼.振动清理筛的研究现状与发展探讨［J］.河南科技，2013（9）：101-102.

［3］张浩.2ZKB振动筛的动态仿真及有限元分析［D］.河北：河北工程大学，2011.

［4］屈维德，唐恒龄.机械振动手册［M］.北京：机械工业出版社，1992.

［5］张义民.机械振动［M］.北京：清华大学出版社，2007.

［6］张永林，王章海.振动电机激振的振动筛运动分析及主参数设计［J］.粮食与饲料工业，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

河南省重点科技攻关项目“玉米粒收后的干燥及清理技术与关键装备的研创”（152102110071）；河南省重大专项“粮食产后清理技术与关键装备的集成研究及示范”项目（121199110120）；河南省科技攻关项目（14A460006）。

赵丹（1989-），女，汉，在读硕士，研究方向：机械工程。