【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 領(lǐng)域及氣象學(xué)中的利用等，為“振動(dòng)利用工程”學(xué)科構(gòu)建起了理論框架。 圖 線 性與非線性振動(dòng)與波的應(yīng)用領(lǐng)域 本課題 的研究目的和意義 本課題是針對(duì)鋼廠電爐改造的一種新工藝提出的。現(xiàn)有的電爐加料系統(tǒng)首先把電爐蓋打開 加入原料再把爐蓋合上 ， 采用這種新工藝 ， 在電爐的側(cè)壁上開孔 ， 通過(guò)振動(dòng)輸送機(jī)把原料直接送入爐體 ， 省去了電爐蓋打開 、 關(guān)閉的操作 ， 不但節(jié)省了時(shí)間 ， 提高了效率 ， 而且使冶煉可以連續(xù)進(jìn)行 ， 也便于對(duì)整個(gè)冶煉過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制 。 傳統(tǒng)的振動(dòng)輸送設(shè)備主要輸送粒狀 、 粉狀 、 塊度比較小的物料 ， 主要采用拋擲運(yùn)動(dòng)為主來(lái)輸送物料 。 物料時(shí)而與槽底接觸 ， 時(shí)而與槽底脫離 ， 即物料時(shí)而被槽體向前上方拋起 ， 作拋物線運(yùn)動(dòng) ， 時(shí)而又落回槽底 ， 物料每次被拋起之后都向前運(yùn)動(dòng)一個(gè)微小距離 ， 從而實(shí)現(xiàn)物料的連續(xù)輸送 。 由于電爐冶煉的原料大部分是廢鋼 、 生鐵等 ， 塊度大 、 質(zhì)量大 ， 采用拋擲運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊載荷將會(huì)非常大 ， 對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 、 剛度 、 驅(qū)動(dòng)功率等要求非常高 ， 因此傳統(tǒng)的單軸或雙軸慣性激振系統(tǒng)不宜繼續(xù)采用 。 四軸慣性激 振系統(tǒng)采用完全的滑行運(yùn)動(dòng) ， 物料始終保持與槽底相接觸 ， 在槽體的每一個(gè)振動(dòng)周期中 ， 物料沿槽體向前滑動(dòng)一個(gè)微小距離 。 因此在槽體以一定頻率連續(xù)振動(dòng)的情況下 ， 可以將物料連續(xù)的從槽體中輸送出去 。 四軸慣性激振系統(tǒng)的振動(dòng)輸送機(jī) ， 目前國(guó)內(nèi)只有在幾個(gè)大鋼廠有引進(jìn)國(guó)外的設(shè)備采用 ， 但是沒有相關(guān)的設(shè)計(jì)資料 ， 也沒有廠家進(jìn)行過(guò)設(shè)計(jì) 、 開發(fā)工作 ， 因此對(duì)這種輸送設(shè)備的研究具有很大的理論價(jià)值由于國(guó)內(nèi)大部分鋼廠的電爐都采用傳統(tǒng)的工藝進(jìn)行生產(chǎn) ， 采用新工藝 引進(jìn)這種輸送設(shè)備的廠家不多 ， 因此對(duì)此進(jìn)行開發(fā) 、 研究具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。 水平 振動(dòng)輸送機(jī)原理分析 當(dāng)代社會(huì)工業(yè)生產(chǎn)水平發(fā)展迅速，如何盡可能的提高生產(chǎn)效率已成為普遍受關(guān)注的問(wèn)題。慣性水平振動(dòng)給料機(jī)是基于物料滑移理論的用來(lái)進(jìn)行物料輸送的振動(dòng)機(jī)械。物料在滑移運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終與工作面保持接觸，其工作噪聲低，并且不易產(chǎn)生沖擊。 慣性水平振動(dòng)給料機(jī)開始工作時(shí)，四軸激振器運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個(gè)水平離心力，從而帶動(dòng)整個(gè)給料機(jī)的工作。其主要組成包括：機(jī)體、料槽、四軸激振器、懸掛裝置（如圖所示）。四軸激振器的主軸兩兩等速，并且回轉(zhuǎn)方向相反，其中一對(duì)為高速軸，一對(duì)為低速軸，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，激振器豎直方向的力相消，水平 方向的力疊加，從而產(chǎn)生一個(gè)水平方向的激振力，帶動(dòng)給料機(jī)在水平方向產(chǎn)生振動(dòng)。慣性水平振動(dòng)給料機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，物料與料槽一直處于接觸狀態(tài)，故物料實(shí)行完全的滑行運(yùn)動(dòng)。當(dāng)料槽和物料的加速度不同時(shí)，物料與料槽之間就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的滑行運(yùn)動(dòng)（正向滑動(dòng)，反向滑動(dòng)）。慣性水平振動(dòng)給料機(jī)振動(dòng)一個(gè)周期，物料沿料槽向前滑動(dòng)一定的距離，故當(dāng)料槽持續(xù)振動(dòng)時(shí)，物料將依次被輸送出去。 圖 慣性水平振動(dòng)給料機(jī)輸送物料示意圖 如圖 所示為在煉鋼企業(yè)中，用慣性水平振動(dòng)給料機(jī)為電弧爐輸送物料的示意圖，一對(duì)等速反向的低速軸通過(guò)一對(duì)大 齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)，每一個(gè)大齒輪分別與一個(gè)小齒輪相嚙合實(shí)現(xiàn)等速反向的高速軸，大齒輪和小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。其輸送物料的過(guò)程如下：物料由落料豎井落入振動(dòng)給料機(jī)的料槽中，料槽與激振器固連在一起，激振器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的激振力帶動(dòng)料槽一起振動(dòng)，從而使物料向著電弧爐方向運(yùn)動(dòng)，終落入電弧爐內(nèi)，完成物料輸送的過(guò)程。 水平振動(dòng)式輸送機(jī)由電機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)帶動(dòng)四軸慣性激振器 。 激振器 工作時(shí) ，相互嚙合的齒輪帶動(dòng)大小不同的兩組偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)，在豎直方向上，各偏心塊所產(chǎn)生的激振力相互抵消，合激振力為零；在水平方向 上 ， 由于 兩組偏心塊大小與偏心距不同， 因而會(huì) 產(chǎn)生一種 具有 特殊形式的激振力 ， 使振動(dòng) 機(jī)體 實(shí)現(xiàn)水平方向的 慢進(jìn)快退 的 振動(dòng) 形 式 ， 從而 其框 架上的物料隨著料槽的振動(dòng)逐漸向前 滑 動(dòng) 。 四軸慣性激振系統(tǒng)采用完全的滑行運(yùn)動(dòng) ， 物料始終保持與槽底接觸 ， 在槽體的每一個(gè)振動(dòng)周期中 ， 物料能夠沿槽體向前滑動(dòng)一個(gè)微小距離 。 因此 ， 槽體按一定頻率周期性連續(xù)振動(dòng)時(shí) ， 物料將從槽體中依此輸送出去 。 為了 能形象的描述該振動(dòng)輸送機(jī)模型， 建立 如圖 1所示 的簡(jiǎn)化模型 。 該模型 由 以下幾部分構(gòu)成： 1） 四軸 激振系統(tǒng) ， 產(chǎn)生 特殊形式 的激振力 ； 2） 輸送 料槽，承載物料并輸送物料 ； 3） 懸掛系統(tǒng)， 支撐振動(dòng)機(jī)體，提供 一個(gè) 二自由度的振動(dòng)平面 ； 4） 小車 ，支撐整個(gè)輸送機(jī)系統(tǒng) ， 便于維護(hù) 時(shí) 的移動(dòng)； 5） 電機(jī)與 帶傳動(dòng)部分 （圖中 略去）， 為 激振器提供動(dòng)力。 圖 振動(dòng)輸送機(jī) 示意圖 本章 小結(jié) 本章主要 從四個(gè)方面介紹了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所研究的對(duì)象 ， 其中包含振動(dòng)機(jī)械的簡(jiǎn)介、水平振動(dòng)輸送機(jī)的簡(jiǎn)介、本次設(shè)計(jì)的選題背景及意義和本次設(shè)計(jì)的輸送機(jī)的原理分析。通過(guò) 以上 幾個(gè)方面，可以了解到水平振動(dòng)輸送機(jī)目前在國(guó)內(nèi)的使用 是 非常稀少的，這方面的研究資料也是非常少 的，所以做本方面的研究是非常有意義的。本次設(shè)計(jì) ，將 針對(duì)此類振動(dòng)輸送機(jī)進(jìn)行全方位的 研究 與分析，以確定出最合理的設(shè)計(jì)方案， 以供后續(xù) 參考。 料槽 的 運(yùn)動(dòng) 機(jī)理 分析 如 圖 1 所示 ， 該振動(dòng)輸送機(jī) 的 運(yùn)動(dòng)位移是由兩 組 偏心塊分別引起的 低頻振動(dòng) 與高頻振動(dòng) 兩組 位移疊加而成， 即 12x x x?? （ 21） 低頻 振動(dòng)的位移為 111 1 1 2s in , mrxt M? ? ?? ? ? （ 22） 式中 11mr、 分別為低頻 偏心塊的 質(zhì)量 與偏心距； M為 振動(dòng)體總質(zhì)量； t?、 分別為 低頻振動(dòng)的頻率與時(shí)間。 上式中的 負(fù)號(hào)表示偏心塊運(yùn)動(dòng)方向與位移方向 相反 。 在這里 ，我們暫取高低頻振動(dòng)頻率比為 2， 這樣才能達(dá)到最大的差動(dòng)效果 （后面有驗(yàn)證 ）。 此時(shí) ， 高頻 振動(dòng)的位移為 ? ? 222 2 2 2si n 2 , mrxt M? ? ? ?? ? ? ? （ 23） 式中 22mr、 分別為高頻 偏心塊的 質(zhì)量 與偏心距； ? 分別為高 頻振動(dòng)的 初相角 。 上式中的 負(fù)號(hào) 同樣 表示偏心塊運(yùn)動(dòng)方向與位移方向 相反 。 將式（ 22） 、 （ 23） 代入 式 （ 21） 中 ，可得出 振動(dòng)合 位移為 ? ?? ?1 1 2 21 1 2 2112 si n si n 22 si n si n 2x m r t m r tMm r m rttM m r? ? ?? ? ?? ? ? ?????? ? ? ??? （ 24） 振動(dòng) 速度為 ? ?1 1 2 21122c o s c o s 2m r m rx t tM m r? ? ? ???? ? ? ????? （ 25） 振動(dòng)加速度為 ? ?21 1 2 21124s in s in 2m r m rx t tM m r? ? ? ???? ? ? ????? （ 26） 由 上式可 看出 ，輸送機(jī)振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)位移 、 速度及加速度，均由一次與二次諧波所組成。 它們的振幅 均與偏心質(zhì)量矩 11mr 或 22mr成正， 而與振動(dòng)質(zhì)量 M成反比 。 低頻 與高頻偏心塊產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的激振力分別為 ? ?21 1 122 2 22 s i n8 s i n 2F m r tF m r t??? ? ?? ??????? （ 27） 合成 激振力為 ? ?2 221 2 1 1 1142 s in s in 2mrF F F m r t tmr? ? ? ???? ? ? ? ????? （ 28） 影響振幅的 相關(guān) 參數(shù) 分析 根據(jù) 對(duì)料槽運(yùn)動(dòng)的分析 ， 影響 料槽 運(yùn)動(dòng)的 主要參數(shù) 有高低頻軸頻率比 22 1k ????、 高低頻軸振幅比 、 初相位角 ? 。 下面 我們逐一選取 這幾個(gè)參數(shù) 的 大小。 頻率比的 影響 為了 產(chǎn)生符合 諧波， k2應(yīng)取整數(shù)， 那么 式（ 26） 代入 k2可化為 ? ? ? ?221 1 1 1 2 2 1sin sinx t k k k t? ? ? ? ???? ? ? ??? （ 29） 使用 軟件 MATLAB 繪制加速度曲線 （程序 見附錄） ， 圖 2 為 k2分別取 4 時(shí) 的加速度圖（ 其中暫 取 相關(guān)參數(shù) 如下： 1 1 1= 125 5 = / 2 = 5k? ? ? ? ??， ， ，） 。 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 1 5 1 0505101520時(shí)間加速度K2 不同取值時(shí)的加速度曲線 k 2 = 2k 2 = 3k 2 = 4 圖 k2不同 取值時(shí)的加速度曲線 由 圖 2 可看出 ， 隨著 K2 取值 的不斷增大 ， 差動(dòng)系數(shù)越來(lái)越?。?正、反方向最大速度 的 比值 ）， 當(dāng) K2=2 時(shí) （ 圖中 紅色曲線） 差動(dòng) 系數(shù) 最大 ，最能達(dá)到輸送機(jī)要求的慢進(jìn)快退的效果。所以 一般情況下選擇 高低頻主軸的 頻率比 為 2 是合理 的 。 振幅比 的 影響 同樣的，利用 MATLAB軟件繪制 K1分別取 ,,，K2=2，其余同上 。 圖 K1取 不同值時(shí)的加速度曲線 由 圖 3 可 看出，在其他參數(shù)不變的情況下，增大 K1 會(huì) 提高差動(dòng)系數(shù) ， 但考慮到 偏心 軸 受力 的一致性問(wèn)題，一般使高低頻主軸受 激振 力一樣。 即 ? ? ? ?221 2 1 1 1 2 2 22 221 1 1 2 1 1 2 1 1 2=F F m r m rk m r k k k m r????? ? ?? （ 210） 為了 使 12=FF， 根據(jù)式 210 可知 2121kk? ， 前面我們?nèi)?K2=2， 所以在這里我們 K1 取 最為合適 。 初相位角 的 影響 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 1 086420246時(shí)間加速度 k 1 = 0 . 1k 1 = 0 . 1 5k 1 = 0 . 2k 1 = 0 . 2 5k 1 = 0 . 3k 1 = 0 . 4 使用 MATLAB 繪制 ? 分別 取 0 / 6 / 4 / 3 / 2? ? ? ?、 、 、 、情況時(shí) 的加速度圖 （其他參數(shù) 同上） 。 圖 ? 取 不同值時(shí)的加速度曲線 由 圖 4 可以看出 ， 當(dāng) = /2?? 時(shí) ，加速度 曲線 的差動(dòng)性最強(qiáng) 。 即 ： 在其他參數(shù)相同的情況下，= /2?? 時(shí) 每周期的相對(duì)滑行量最大，也就是說(shuō)物料速度最快， 效率最高 。 角速度 的 影響 當(dāng) 1? 分別取 3?????、 4 、 5 、 6 、 7時(shí) 可得相應(yīng)的加速度曲線如下： 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 186420246時(shí)間加速度 ? =0? = ? /6? = ? /4? = ? /3? = ? /20 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 1 5 1 050510時(shí)間加速度 ? =3 ?? =4 ?? =5 ?? =6 ?? =7 ? 圖 不同 角速度值對(duì)應(yīng)的加速度曲線 對(duì)應(yīng) 的速度曲線如下： 圖 6 不同 角速度值對(duì)應(yīng)的 速度曲線 對(duì)應(yīng) 的位移曲線如下： 圖 不同 角速度值對(duì)應(yīng)的 速度曲線 根據(jù) 以上 位移 、速度、加速度曲線圖， 可以看出 ，隨著角速度 值 得增 大 ，速度與加速度也隨之增大，而 振幅 并不增加，故應(yīng)根據(jù)需要選擇合適的角速度值。這里 我們?nèi)?1=5??。 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 0 . 5 0 . 4 0 . 3 0 . 2 0 . 100 . 10 . 20 . 30 . 40 . 5時(shí)間速度 ? =3 ?? =4 ?? =5 ?? =6 ?? =7 ?0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 0 . 0 1 0 . 0 0 500 . 0 0 50 . 0 10 . 0 1 50 . 0 2時(shí)間位移 ? =3 ?? = 3 . 5 ?? =4 ?? =5 ?? = 5 . 5 ? 最優(yōu) 參數(shù)下的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 根據(jù) 上 一節(jié)分析 的結(jié)果，取相應(yīng)的參數(shù) （ 1 1 2