弹性连杆式振动输送机结构形式的研究设计

吴 剑

（江阴智铭铸造装备应用技术设计室，江苏江阴 214432）

弹性连杆式振动输送机，是一种近共振类的振动机，是利用偏心轴（亦称曲柄）的回转，通过弹性驱动连杆和主振弹簧来带动振动槽体实现水平线性振动的，从而实现物料输送的一种线性振动输送机（以下简称连杆振动输送机）。该连杆振动输送机适用于铸造车间落砂工部的热旧砂输送，清理工部的小件批量工件的输送，亦可用于库存颗粒散状物料输送。其亦可输送各种物理性质的物料，对物料的粒度、温度、形状没有太大的要求，可满足对物料的干燥、冷却或加温等工艺要求，但不宜输送有粘性的、湿度较大的物料。因此，该连杆式振动输送机具有适应范围大、容易配套、长距离输送等特点。

1 连杆振动输送机的主要结构形式与参数

1.1 主要结构形式

双质体振动结构的连杆振动输送机，亦称不平衡式振动输送机。一般由振动槽体（上质体）、平衡机架（下质体）、隔振弹簧、主振弹簧、支撑弹簧、支撑摆杆、驱动连杆、偏心轴、电动机和传动皮带轮组成。

不采用隔振弹簧时，平衡机架直接安装在地面上，连杆振动输送机为单质体振动形式。这种形式的振动输送机一般应用于规格较小、载重较轻和频率较低的情况下。对于长距离输送的连杆振动输送机，在无特殊要求时，常采用水平或小升角安装形式。

图1 连杆振动输送机图

1.2 主要技术参数（见表1）

表1 连杆振动输送机的主要技术参数

连杆式振动输送机一般采用低频率、大振幅，或中等大小的频率与振幅。

1.3 其它技术参数（见表2）

表2 连杆振动输送机的其它技术参数

2 连杆振动输送机的工作原理及技术特征

2.1 工作原理

连杆振动输送机的驱动系统由电动机通过皮带轮、三角带传动，带动偏心轴转动，利用驱动弹性连杆和主振弹簧来激振槽体沿一定激振方向作线性往复运动，从而带动物料或工件作定向抛掷、滑移运动，实现输送的目的。因为振动幅度（偏心轴的偏心距）是定值，支撑弹簧、支撑摆杆分别将振动槽体与平衡机架铰支连接，使振动状态的稳定性较好，所需驱动激振力、功率相对较低。在振动过程中激振力传递稳定，能实现长距离的输送。

在无隔振弹簧条件下，振动机为单质体振动结构，由于工作时振动槽体产生的惯性力较大，不能获得振动平衡，给土建基础的动载荷影响很大，同时产生各种不稳定因素，也容易使机构元件损伤，也是产生振动噪音的主要原因之一。为了获得良好的振动输送效果，常采用隔振弹簧来隔振（隔振元件有橡胶弹簧、空气弹簧和钢质弹簧），而形成双质体振动形式，形成双质体后的平衡机架其质量是平衡振动惯性力的关键。

2.2 双质体振动机理

双质体振动机的力学模型是建立在动力隔振基础上的振动原理，是在近共振状态下工作的振动输送机。振动状态与单质体有明显的区别。

连杆式振动输送机的振动槽体和平衡机架通过支撑弹簧、支撑摆杆铰支连接。电动机、驱动连杆机构安装在平衡机架上，平衡机架通过隔振弹簧与地面隔离，形成双质体结构。其系统利用隔振弹簧的作用，有效地隔离了激振力和振动惯性力对基础的影响，因此振动载荷对基础的影响很小。支撑弹簧的作用，是使振动系统处在近共振状态下工作；支撑摆杆的作用，是限制振动槽体的运动方向。

这种类型的振动输送机具有载荷能力大、空载噪音小、振幅稳定（振幅受载荷变化较小）、工作平稳的特点，而且动载荷对基础的影响很小。主振弹簧采用拉压橄榄式螺旋弹簧（或橡胶弹簧）形式，具有良好的激振、吸振和抗扭曲功能，使双质体振动输送机能很好地在近共振区工作。

连杆式振动输送机工作时两质体运动方向相反，惯性力方向也相反。当两质体质量相当的理论状态下，二惯性力可以达到平衡，而在实际应用中，两质体的质量始终是变化不断的，很难实现完全相等。在物料输送中，上质体质量的不断交变，不能实现上下质体质量的绝对平衡，仍然有部分不平衡惯性力传递到基础，影响基础的承载能力，所以隔振元件的选择很重要。实际试验表明，平衡机架（下质体）的整体质量应大于振动槽体（上质体）和输送物料质量的总和。

2.3 性能技术特征

（1）激振角的选择

该连杆振动输送机的激振方向角是反映输送机生产能力的主要参数之一，也是反映输送机输送能力的重要指标。随着激振角的变化，相应振幅、输送能力随着变化，如果激振角选择不合理将直接影响输送效果。

激振角（方向角）α，选用取值：9°、12°、15°、20°，设计采用 α=15°。

（2）支撑摆杆与支撑弹簧夹角选择

图2 驱动连杆激振角

图3 支撑摆杆与支撑弹簧夹角

在实际性能试验中，支撑摆杆和支撑弹簧的支承点是采用轴套式铰支点连接，振动状态时由于受到径向和轴向力的影响，容易形成死点造成支承点损坏。其支撑弹簧与平衡机架的夹角（β）选择，对振动状态有一定影响，夹角选择不适宜，直接影响振动效果。而支撑摆杆与支撑弹簧的夹角保持90°为宜，应用中的常用取值β=30°、35°、45°。对细小颗粒松散物料（干），常取β=30°；对小块状物料，常取β=35°（设计取值）；对小件批量工件，振动强度较大时，可取β=45°。

（3）上、下质体的质量关系

连杆式振动输送机在隔振弹簧作用下，上、下质体形成双质体振动形式。其平衡机架（下质体）的质量是平衡振动惯性力的关键，设计时常采用增加下质体质量来平衡，一般取上质体质量的3～5倍，小规格的振动输送机可取值2倍。所以，具体设计时应考虑“不平衡”式的振动状态，对上、下质体进行验算，使工作状态时的振动平衡效果更好一点。

3 与惯性振动输送机技术比较

惯性振动输送机和连杆式振动输送机，在铸造生产线各工部环节上都有广泛应用。其结构形式、规格多样，安装布置亦灵活便捷，特别适用于热旧砂、小件批量工件和颗粒松散物料的输送，以及长短距离过渡和振动给料输送等。

惯性式振动输送机为单质体振动结构，是一种惯性式振动机，可以兼筛分、给料为一体，主要由振动槽体、振动电机、隔振弹簧三大构件组成。其结构简单、安装方便、布置灵活、承载能力大。但其具有输送距离有限、动载荷较大、振动噪音大等缺点，空载荷时的测量结果值85 dB（A）。

连杆式振动输送机为双质体振动结构，是一种往复式振动机，相对结构复杂。但具有安装方便，具有输送距离长、振动状态相对稳定、振动幅度均衡、动载荷较小、振动噪音低等优点，空载荷时的测量结果值75 dB（A）。从制造成本上考虑，长距离的连杆式振动输送机其性价比更好一点。连杆式振动输送机为单质体振动结构时，同样动载荷较大，应考虑土建基础的设计。

根据有关美国、日本的技术资料反映的情况显示：目前，国外也在不断推出不同形式的双质体振动输送机，应用于落砂工部的热旧砂输送、滚筒落砂清理机的振动给料、多品种库料输送等等，以满足不断发展的大型铸造工艺要求。

4 应用弹性元件及减少不利振动的措施

4.1 应用的弹性元件

在振动机械中，应用的弹性元件按用途可分为三类：

（1）隔振弹簧

其作用是对振动载体实现弹性支承，使载体产生弹性振动，并使振动传给地基钢结构件上的动载荷减到最小。

（2）主振弹簧

其作用是使振动机在设定的工作状态下运动，并按一定的频率，激振方向角主振。

（3）其他用途弹簧

连杆弹簧、阻尼弹簧、减振弹簧等。在振动状态下，起到支承和传递激振力的作用。

弹性元件的结构形式主要有：圆柱螺旋压缩弹簧、拉压橄榄式螺旋弹簧、橡胶弹簧和空气弹簧等。

4.2 减少不利振动的措施

在振动机理上,当外部激振力的振动频率和系统的固有频率接近时,系统将产生强烈的不利振动，这种现象（共振现象）易引起设备或机构零部件的损坏，也是产生振动噪音的主要原因之一，所以系统产生的不利振动是必须关注的重要因素。这种现象是不可避免的，但可以利用它的共性和特征尽快缩短不利振动时间，实现稳态振动，达到正常的振动工作状态。可以采取的技术措施：

（1）隔振

采用隔振技术的目的即切断振动波的传递路径，控制不利振动的传播方向，是消除振动危害的重要手段之一。

（2）减振

采用减振装置的目的就是使振动载体有效地工作在正常的振动状态下，以完成需要的振动目的，而对周围的环境不受影响和干扰。

（3）阻尼

阻尼是控制振动状态的重要措施之一。阻尼在振动系统中具有特性关系，阻尼能使瞬态振动迅速衰减，特别是对不利振动和降低受迫振动中的共振区振动。因此，利用阻尼可以减少振动系统在启动或停止过程中过共振区的时间，限制系统的最大振幅值等。

5 结语

根据设计与应用情况的研究分析，振动槽体的结构设计很重要。振动输送槽体一般采用敞开式，截面形式有矩形、梯形或其它形式。为减少振动系统惯性力，应尽可能减轻槽体的质量，并考虑结构强度采用加强筋板加强，材料选用焊接性能好的钢材（如16Mn），避免振动状态下的振动疲劳和焊接断裂。

设计槽体时，仅考虑许用强度是不够的，更重要的应考虑槽体在受到周期性作用的振动力时，槽体应有足够的刚度。当激振频率接近或等于某一自振频率时，会出现槽体本身的共振、近共振现象，使槽体自身产生较大振幅，而加速槽体的损坏（宽槽体会更明显一点）。因此，在考虑槽体本身强度与刚度时，必须考虑槽体本身质量轻、惯性矩大、支承距离短的因素。支承距离的大小（节点分布），必须考虑输送槽体具有足够的动力刚度，尤其是长距离输送的连杆式振动输送机。

[1]机械设计手册编委会.机械设计手册（第2、3卷）[M].北京:机械工业出版社,2004.8.

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