振动筛选机构的设计

振动筛选机构的设计
摘要：目前，振动式筛选机已经用于工业生产的多个部门并且发挥着很好的作用。

现在很多的振动筛选机构多采用连杆机构。

本文从最简单的平面振动筛选机构开始分析逐渐过度到空间振动筛选机构最终设计出自己的方案，设计出使用两个凸轮来控制筛面按照所要求的运动规律来运动，用于大批量生产的振动筛选机构。

该机构可以使筛面在上下左右空间内自由振动。

关键词：振动筛选机、简谐、连杆机构、凸轮机构
在生活中有这么个机械设备，通过它的振动将振动平台上的物料分开，这个作用咋一看没什么，在不同的特定场合作用很大。

在加工汽车螺钉时就是通过振动筛选机构来将螺钉排列成一定的队列传诵下来方便加工。

在食品加工时通过振动平台的一定规则的振动将食物和废渣分离开来等等，这就是最常见的振动筛选机构。

在工业中筛选机一般用于行业有：
化工类：树脂、涂料、颜料、橡胶、碳黑、活性炭、助溶剂、胶份、元明粉、聚乙稀粉、石英砂等。

医药类：中药粉、西药粉、医药原料粉等。

食品类：糖、盐、味精、淀粉、奶粉、豆浆、果汁、米粉、脱水蔬菜、果汁、酵母液、凤梨汁、鱼粉、食品添加剂等。

窑业类：玻璃、陶瓷、瓷泥浆、研磨材料、耐火砖材、高岭土生石灰、云母、氧化铝、碳酸钙(重)等。

金属冶金类：铅粉、氧化锌、氧化钛、铸造砂、金刚粉、铝粉、铁粉、各种金属粉末等。

公害处理类：废水、废油、粪尿等。

振动筛选机构首先要有一个筛选的平台，一般是网状物或者倾斜的平板之类的，振动的规律一般是简谐振动，有些情况下也可以是其他的规律。

现在市场上已经有的筛选机有原形筛选机，该筛选机的基本原理是电动机轴上下端所定装的重锤（不平衡重锤），将电机的旋转运动变为水平、垂直、倾斜的三次元运动，再把这个运动转达给筛面。

那么筛选机如何实现最典型的简谐振动规律呢？我们知道连杆机构可以实现这个运动规律，于是有了最简单的
机构
图一：筛选机机械传动简图1
传动的工作原理：该传动是以电动机作为动力，通过一级蜗杆减速器减速，另外再经过一个曲柄滑块机构来实现筛子的往复运动。

简谐运动近似实现，只是滑块在平面上运动只能实现水平方向的简谐运动，在实际的很多场合需要是空间范围的振动，所以方案不是很好。

于是将这个方案改进一下得出下面的结构图，
图二：筛选机构传动简图2
当传动装置带动曲轴转动时，连杆便使筛体按一定方向作简谐振动或近似筒谐振动，槽体上的物料，在惯性力的作用下，以一定的角度向前抛动后再滑动，从而使物料向前运动，实现输送和筛选的目的。

如图2所示,令a=wt，则筛体的位移可用下式表示(注意物料的位移与筛体不同：S=R (1一coswt)
式中：S——筛体沿着运动方向的位移(m)
R——曲轴偏心距．即筛体在S方向上的振幅(m)
a——曲轴回转角度
w——曲轴角速度
t——曲轴从A点开始后的回转时间(S)
对式(1)进行微分，可得轴体在S方向
上的速度和加速度方程：
v=wRsinwt (2)
a=w*wRcoswt (3)
从上式可知筛板的运动速度与加速度都是正弦曲线，根据筛选机的运动机理，反复认真观察物料在筛面上的运动可知，筛面的频率对输送速度影响最大。

筛选机刚起动时，物料在筛面上随筛体一起作往复运动，这时物料与筛面并无相对运动，所以输送速度为零；当筛面的频率达到一定值时，物料开始跳跃并向前移动。

因此，在曲轴偏心距既定的情况下，频率是影响筛选机性能的最主要因素。

所以通过控制电机的转速来实现改变频率实现对特定物料采用特定频率。

另外一种不是通过连杆机构的，它上通过气压传动的原理，气压传动工作原理：该传动主要由气缸和一个二位五通机控换向阀控制，换向阀是由撞块凸轮、阀心组成，用以控制气缸的行程及运动方向，如下图。

当换向阀处于如图所示的位置时，压缩空气由进气腔P进人工作腔A，再进入气缸右腔．这样就可以推动活塞和筛子向左运动，同时，气缸左腔的压缩空气
通过节流阀回到A腔中．当筛子运动到最左端时，换向阀上的挡块被撞击，此时换向阀换位，使B腔成为工作腔，压缩空气由进气腔P进入B腔，再进入气缸的左腔，这样就可以推动活塞和筛子向右运动．同时，气缸右腔的压缩空气通过节流阀回到B腔．当筛子运动到最右端时，换向阀上的挡块被撞击，迫使换向阀换位，使A腔处于工作位置．依次重复以上的动作，从而使筛子沿着滑柱在水平方向上往复运动。

图三：气压传动原理
气压传动有资源广阔、适应性强、气动元件结构简单、动作快等优点，它的缺点是稳定性差，工作压力低，排气噪声大，需加消声器，而且容易卡死，综合考虑后，决定不采用气压传动。

机械传动具有操作力大，结构合理，对负载的变化无影响，稳定性好，维护简单方便的特点。

通过对以上两种方案的分析比较，采机械传动更优于气压传动，再往更深的层次考虑，在收获作物分离作物或者筛选物料时，需要调整振动筛的振幅和振动方向，但振动铲筛合一的振动式挖掘机在收获物理性质不同的作物时，不能调整振动筛的振幅和振动方向。

我们需要设计设计一种以四自由度并联机构作为主体机构的空间振动筛，可以实现空间的振幅及振动方向调整，以适应不同作物、不同振动方向及振幅改变的需要。

该机构由4条支链2、3、4、5联接动平台1和静平台6组成(图1)，其中支链2、3为R—R—P型结构，与动平台1在处以复合铰链的形式联接，并与机架构成一平面回路；而支路4、5为R —R—R—R—P型结构。

当机架上的4个移动副P1、P5、P8、P17为主动副时，动平台1能产生y、
z方向的移动和绕x轴转动a及绕y轴转动。

该类空间振动筛也可用于各类以振动方式作为作物清选的清选装置中。

图四：两平移两转动的筛选并联机构
该机构有4个移动副，13个转动副，共17个运动副，且所有运动副均为1个自由度。

它的自由度为4，可以实现两方向平移两方向转动。

因为F=4，所以该机构需要4个主动副。

根据主动副选择判定准则，可选静平台上的4个移动副P1、P5、P8、P17为主动副，并将它们刚化。

刚化后的机构自由度F=13一(3+5+5)=0，满足主动副存在准则。

因此，选定的4个移动副可以同时作为主动副，可以由激振器驱动。

该机构的支路有一定对称性且具有部分控制解耦性，其运动学正解较为简单。

其动平台有3个运动副，三点构成一平面，处于稳定状态。

该机构在实际工程中，可作为振动挖掘机的振动筛使用，控制该机构4个驱动的行程大小，可以调整振动筛的振幅；控制该机构在y和z方向的运动合成可以控制振动筛的振动方向，以便分离不同性质的物料。

以上的设计都是采用了连杆机构，并且是通过控制电机转速来调节振动的频率和振幅。

而需要调节转动的筛选机很少，所以若不考虑转动的话，我设计出了针对振动规则一定的情况下可以采用凸轮机构来实现筛面的振动。

首先是一自由度的，通过凸轮来使筛面上下或者左右振动。

通过不同凸轮的形状来实现不同运动规律和运动速度的振动。

这样振动更加可靠。

相同的在筛板的水平方向和垂直方向分别固定两个不同的凸轮可以实现筛板上下左右同时振动，并且通过凸轮的形状来改变振
动的振幅和速度和协调运动规律。

图四：凸轮筛选机构简图
该机构是通过两个凸轮的转动来控制筛板上下左右在空间里振动
凸轮结构的实现也很简单，如果振动是周期性的，那么凸轮的转速应该是一致的。

因此可以通过一个电机来控制2个凸轮的转动。

中间通过换向传动机构来实现转矩的传递。

或者就要用到另外一种凸轮来实现一电机控制的目的。

如下图所示：
相同的道理，利用凸轮筛选机的原理我们也可以设计出三自由度的机构，实现空间三坐标的任意振动，只是这样电机成本和机构复杂度都上升得很快，鉴于2个凸轮的机构已经可以很好的实现筛选任务，所以可以不用三个凸轮。

在连接导轨和筛面的地方可以用弹簧相连，这样在简谐运动的同时也有一定的微小震动，更好的实现筛选的功能。

如下图，
筛子设计：该筛子采用叠加式，即把筛体连接在筛架上，筛体是在一矩形框焊接上直径为6 mm 的圆柱形的钢筋，铜屑从柱体之间的空隙中筛下。

当筛架左右运动时，筛体连同筛架一起运动。

这种结构的筛子便于维修，在满足使用要求的前提下也比较经济。

导轨设计：筛子可直接放在角钢支架上往复运动，但这样接触面大磨擦力大、运动阻力大，接触面容易磨损，不仅降低了速度和工作效率，而且浪费了大量能源。

可以设计成在角钢架上固定几根滑柱， 25 mm，然后在滑柱上分别装几个滑套，滑套可以在滑柱上自由滑动，最后，把筛子安装在固定座上，实现了筛子沿滑柱的自由滑动。

这样，大大减少了筛子的运动阻力，改善了筛子的运动状况。

凸轮的设计：凸轮的大小形状根据实际情况而定。

材料采用耐磨的合金钢。

若要实现简谐运动规律，则采用正弦凸轮。

凸轮可更换，因此可以实现不同的运动规律，通用性好。

另外工作平稳不会像连杆机构那样容易自锁，这就是凸轮筛选机构的优点，缺点就是加工凸轮比较麻烦，因此适合大批量生产。

参考文献
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