双质体振动给料机动态设计研究-第一节
双质体振动给料机是一种广泛应用在冶金、煤炭、电力、化工、建材、轻工和粮食等行业中的给料设备。目前双质体振动给料机大多是采用经验数据和安全系数的设计方法，未充分考虑结构的工作动态特性，因此不能保证产品结构的设计合理性，导致电耗高、振幅不稳定、产量较低、噪音大、使用寿命短等缺点。所以，采用现代设计方法研究和制造双质体振动给料机，提升设计水平、缩短产品开发周期及提高产品可靠性等已成为一项重要的研究课题。为此，本论文采用虚拟设计、动态设计、有限元分析、动力学仿真等现代设计方法对双质体振动给料机的设计技术展开了研究。通过对双质体振动给料机的工作原理和给料槽体内物料的运动形式的研究，推导出给料槽体工作面的位移、速度、加速度、物料运动的理论平均速度和产量的计算公式，总结出双质体振动给料机工艺参数的选择原则和方法；分析了物料运动速度的影响参数，并利用 MATLAB 优化工具箱对其进行了优化计算，得到了小倾角椭圆振动给料机物料在抛掷运动状态下输送速度最大时的最佳运动学参数。
建立了双质体振动给料机的动力学模型和四自由度振动方程，给出了振动方程的求解方法。对振动方程的分析表明，双质体振动给料机出现前、后摇摆振动的原因是激振力不通过机体质心，在此基础上提出了使双质体振动给料机减少前、后摇摆振动的措施。同时计算了双质体振动给料机的动力学参数，为有限元模型的创建与动力学仿真研究提供了基础数据。
应用三维 CAD 绘图软件 SolidWorks 建立了双质体振动给料机三维模型，完成给料机的虚拟装配，干涉检验和整机参数的校验。利用 Visual Basic 对 SolidWorks 进行了二次开发，建立了人机交互界面，通过 Visual Basic 编程实现不同参数的模型更新，实现一参数一模型的自动生成和模型的重新装配，并实现了三维实体模型向二维工程图的自动转换，以便直接用于生产。整合以上功能建立了双质体振动给料机虚拟设计系统，有效缩短了产品开发周期、节省了制造成本、提高了设计质量。采用三维 CAD 绘图软件 SolidWorks、有限元分析软件 ANSYS、多体动力学仿真软件 MSC.ADAMS 联合仿真技术，建立了双质体振动给料机的刚柔耦合虚拟样机模型，并进行了动力学仿真分析，得到了整机的运动学和动力学参数、主振弹簧和隔振弹簧受力曲线及振动方向角变化曲线等。结果表明，在开机和停止阶段，给料机会出现前后和左右的摇摆，但幅度不大，隔振弹簧承受较大的冲击载荷，易发生剪断破坏，主振弹簧在起动和停止阶段受力很小，工作时振幅平稳，其破坏形式主要为稳定阶段的疲劳失效；双质体振动给料机的平均振动方向角仿真值为 34.8°，与理论设计值 35°基本一致。仿真结果与理论计算结果的对比分析表明，两者具有较好的一致性，由此证明了双质体振动给料机动力学仿真模型的正确性及仿真结果的可靠性。应用有限元分析软件 ANSYS 对给料槽体进行了自由模态分析，结果表明给料槽体在额定工作频率下工作不会出现共振现象；对双质体振动给料机整机进行了约束模态分析和谐响应分析，结果表明双质体振动给料机能够成功地克服共振，实现平稳地起动和正常工作。应用 ANSYS Workbench 软件对主振弹簧、给料槽体等关键易损零部件进行了疲劳分析，得出了寿命图、损伤图、安全系数等疲劳分析参数，确定了弹簧的薄弱环节、不安全和易损伤区域，进而分析了结构设计的合理性，并估算出了使用寿命，为优化设计提供了依据。对双质体振动给料机进行了空载实验，测得了各测点的运动轨迹和振动方向角，实验结果与理论分析结果和仿真结果基本一致，证明了双质体振动给料机动力学分析的正确性。同时，实验表明双质体振动给料机的工作性能和振动特性能够满足设计要求。对给料槽体进行了自由模态试验，测得了给料槽体的固有频率和振型，结果表明试验模态分析结果和理论模态分析结果基本一致，验证了所建立的有限元模型的合理性。
1 绪论
1.1 引言
振动给料机是自动加工与自动装配系统中的一种供料装置，它广泛应用在冶金、煤炭、电力、化工、建材、轻工和粮食等工矿企业中，与其他设备配套实现喂料、给料、配料、定量包装和流程自动化工作。在冶金矿山，主要用在转载装车、溜井放矿、选矿破碎给料作业；在煤矿，主要用在箕斗下转载、井下转载、原煤仓下配煤、精煤仓下装车和洗选机均匀给料等作业；在电力行业，主要配置在煤仓下转载配煤系统。目前，国内外生产和使用振动给料机的企业很多，从起振方式分类，现在主要有三种，即偏心电机、电磁铁和压电陶瓷，其中偏心电机应用比较广泛，压电式的在我国还处在研究阶段并且因其振动幅度不大，在生产中的应用受到了一定的限制。电磁振动给料机则存在电磁铁振动时噪声大、振幅调节麻烦、对水分大、湿滞性物料易出现板结和不下料等问题，从而限制了其发展和使用。本论文以应用较为广泛的双质体振动给料机为对象开展研究工作。
1.2 课 题 背 景 及 研 究 意 义
双质体振动给料机是振动给料设备中常用的一种。因其具有结构紧凑、单台振动电机激振、恒压平稳启动、不受槽体物料载重的影响、可以配置无级变频器实现变频给料、远距离微机操作控制等优点，已在国内给料系统中广泛采用。但是，当前双质体振动给料机普遍存在效率低、电耗高、噪音大、使用寿命短、底座振动强及易膨料堵仓等问题，其主要原因是由振动给料系统性能指标和影响振动给料系统的工艺参数和动力学参数的匹配不当以及缺少有效的动态性能研究所造成。因为，尽管双质体振动给料机系统的工作原理比较简单，但是由于影响振动给料系统的工艺参数和动力学参数较多，而在传统的工业生产中，由于人们对振动机械结构的动态特性研究不多，参数的选取主要依靠经验或者查表获得，这就使得各参数的选取与匹配不一定能达到振动给料系统的最佳优化设计要求，有些理论分析和综合计算过程复杂，计算量相当大，依靠人工计算几乎不可能完成，有很多传统的理论分析只是定性的说明问题，缺乏精确的计算和验证，耗时长，易出错。由于上述原因，振动给料机的设计仍处于较低水平，严重制约了产品的工作性能和可靠性的提高，影响了物料的输送速度和给料机的生产能力。它已成为当前双质体振动给料机研究设计过程中亟待解决的问题。
虚拟设计是一种先进的设计系统，采用并行设计开发模式，是一种对产品及其相关过程（包括设计制造过程和相关的支持过程）进行并行和集成设计的系统化工作模式。与传统的串行设计相比，并行设计更强调在产品开发的初期阶段，要求产品的设计开发者从一开始就要考虑产品整个生命周期（从产品的工艺规划、制造、装配、检验、销售、使用、维修到产品报废为止）的所有环节，建立产品寿命周期中各个阶段性能的继承和约束关系及产品各个方面属性间的关系，以追求产品在寿命周期全过程中其性能最优，能够更好地满足客户对产品综合性能的要求，并减少开发过程中产品的反复，进而提高产品的质量、缩短开发周期并大大地降低产品的成本。
针对目前振动给料机存在的问题，本论文主要采用计算机动态模拟手段、三维实体造型技术开展对振动给料机虚拟设计的研究，以达到优化产品的目的。通过对双质体振动给料机进行理论分析与实体设计，根据振动给料机的物理特性建立仿真模型，对双质体振动给料机进行运动学、动力学仿真分析，通过对振动过程的运动仿真，得出一系列运动参数和运动特征，为振动给料机的进一步改进设计和优化设计提供参考和帮助；通过编程语言 Visual Basic（VB）建立人机交互界面，运用内嵌的应用程序接口，实现不同参数在三维装配体中的自动更新；对所建模型进行运动学分析，并用有限元对设计结果进行性能校核和修改，进而通过实验对机器及其零部件的模态参数和动态特性进行测定和审核，给出最佳的运动学和动力学设计参数，最终完成对机器结构的动态优化设计，达到优化和完善双质体振动给料机的结构，提高物料输送速度和给料机的生产能力。
随着计算机技术的广泛应用，运用三维 CAD 绘图软件 SolidWorks、有限元分析软件 ANSYS、多体动力学仿真软件 MSC.ADAMS、编程语言 Visual Basic 对双质体振动给料机进行动态设计已成为未来机械设计的发展方向，采用结构动态设计方法是满足现代产品设计要求的有效方法，通过动态设计达到控制机械结构的振动水平，改善产品的质量，加快其开发周期和减少研制成本，缩短产品开发与用户之间的距离，提高其工作效率、使用寿命、安全可靠性，降低生产成本和电能消耗, 使双质体振动给料机的工作性能能跟上当今国际水平，具有较好的经济效益和社会效益，这是当今振动机械发展所面临的迫切问题。
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