常 娟，王成軍，胡志斌，韓董董，陳 蕾

（1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城224001；3.濟(jì)南時(shí)代新紀(jì)元科技有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

0 引言

現(xiàn)有振動(dòng)篩單位時(shí)間內(nèi)的實(shí)際篩分效率較低，篩面上的物料分散度不高、分布不均、透篩效果差，且對(duì)于潮濕細(xì)顆粒級(jí)黏性物料等難篩分物料的篩分效果一直不理想，篩孔容易被堵塞，通過(guò)提高振動(dòng)篩振動(dòng)強(qiáng)度的處理辦法常又容易受到篩箱剛度的限制。此外，現(xiàn)有振動(dòng)篩的振動(dòng)自由度較少，多是1～2個(gè)自由度且自由度固定，對(duì)篩分對(duì)象的適應(yīng)性較差［1－3］。針對(duì)此，本文設(shè)計(jì)了一種可變自由度并聯(lián)振動(dòng)篩。

1 可變自由度并聯(lián)振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

可變自由度振動(dòng)篩的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括支撐架1、篩體2、彈簧3、傾角調(diào)節(jié)器4、振動(dòng)料斗5、回轉(zhuǎn)銷軸組件6、可變振動(dòng)鏈7和中位振動(dòng)鏈8，可變振動(dòng)鏈和兩條中位振動(dòng)鏈并聯(lián)連接在篩體與支撐架之間構(gòu)成一個(gè)三支鏈的并聯(lián)振動(dòng)篩，可變振動(dòng)鏈和兩條中位振動(dòng)鏈所組成的并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)成并聯(lián)振動(dòng)篩的激振機(jī)構(gòu)。中位振動(dòng)鏈可以為繞平行于篩體長(zhǎng)度和寬度方向軸線的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力，可變振動(dòng)鏈有兩種布置方案，可實(shí)現(xiàn)三種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型，可以使篩體最多產(chǎn)生兩個(gè)平移三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)共五個(gè)自由度的振動(dòng)。

2 振動(dòng)篩主要組件

支撐架包括底座101、立柱102、橫梁103、縱梁104和連接梁105。如圖2所示，傾角調(diào)節(jié)器安裝在支撐架的縱梁上，用于調(diào)節(jié)篩體的傾角，由承力絲杠401、下定位螺母402、上定位螺母403和鎖緊螺母404組成，在承力絲杠的下端設(shè)有彈簧連接孔，下定位螺母和上定位螺母將承力絲杠固定在支撐架的縱梁上，起防松和鎖緊作用的鎖緊螺母位于上定位螺母的上方，彈簧的上端懸掛在傾角調(diào)節(jié)器上，彈簧的下端與篩體相連接。如圖3所示，篩體包括篩框201、支撐梁202、吊環(huán)203和篩網(wǎng)204。如圖4所示，回轉(zhuǎn)銷軸組件包括回轉(zhuǎn)銷軸601和銷軸定位帽602，回轉(zhuǎn)銷軸的一端設(shè)有螺紋孔，其另一端設(shè)有擋邊法蘭，且在擋邊法蘭上設(shè)有螺釘連接孔。如圖5所示，可變振動(dòng)鏈位于篩體的頭部，用于使篩體最多產(chǎn)生水平面內(nèi)的兩個(gè)移動(dòng)和空間三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)共五個(gè)自由度的振動(dòng)，且篩體的這五個(gè)自由度將隨著可變振動(dòng)鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變而發(fā)生變化，可變振動(dòng)鏈的一端通過(guò)回轉(zhuǎn)銷軸組件與篩體相連接，另一端安裝在支撐架的立柱上。如圖6所示，中位振動(dòng)鏈由上球鉸801、中位移動(dòng)副單元802和下球鉸803組成，中位移動(dòng)副單元的兩端分別與上球鉸、下球鉸固連，中位移動(dòng)副單元中的移動(dòng)副為驅(qū)動(dòng)副且具有直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)功能，可采用電動(dòng)推桿、液壓缸、氣缸或直線電機(jī)中的一種［4－5］。

3 振動(dòng)篩工作原理及過(guò)程

該可變自由度并聯(lián)振動(dòng)篩有兩種布置方案，可實(shí)現(xiàn)三種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型，主要通過(guò)改變可變振動(dòng)鏈的布置和振動(dòng)源來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1 方案a

如圖5所示，可變振動(dòng)鏈由L型連接座701、第一轉(zhuǎn)動(dòng)副702、第一可調(diào)移動(dòng)副單元703、第二轉(zhuǎn)動(dòng)副704、連桿705、第三轉(zhuǎn)動(dòng)副706、回轉(zhuǎn)座707、第四轉(zhuǎn)動(dòng)副708、第二可調(diào)移動(dòng)副單元709、第五轉(zhuǎn)動(dòng)副710、第六轉(zhuǎn)動(dòng)副711、變位調(diào)節(jié)裝置712和尾擺驅(qū)動(dòng)裝置713組成。其中L型連接座固定安裝在支撐架頭部的立柱上，在L型連接座的水平板上設(shè)有長(zhǎng)腰形滑移孔，變位調(diào)節(jié)裝置和尾擺驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)螺栓固定安裝在L型連接座上；變位調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)節(jié)可變振動(dòng)鏈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)自由度，進(jìn)而改變篩體的振動(dòng)自由度；尾擺驅(qū)動(dòng)裝置包括擺動(dòng)電機(jī)7131、擺動(dòng)減速器7132和右墊塊7133，用于實(shí)現(xiàn)篩體繞垂直軸的擺動(dòng)；第一轉(zhuǎn)動(dòng)副、第二轉(zhuǎn)動(dòng)副、第四轉(zhuǎn)動(dòng)副和第五轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線相互平行，第三轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線垂直于第二轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線，第六轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線同時(shí)垂直于第二轉(zhuǎn)動(dòng)副、第三轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線；第一轉(zhuǎn)動(dòng)副和第一可調(diào)移動(dòng)副單元、第二可調(diào)移動(dòng)副單元中的移動(dòng)副為驅(qū)動(dòng)副。第一可調(diào)移動(dòng)副單元和第二可調(diào)移動(dòng)副單元具有直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)功能，可采用電動(dòng)推桿、液壓缸、氣缸或直線電機(jī)中的一種。該方案中的變位調(diào)節(jié)裝置包括調(diào)位電機(jī)7121、調(diào)位減速器7122、絲杠7123、滑塊7124、軸承座7125、左墊塊7126。

圖1 可變自由度振動(dòng)篩整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 傾角調(diào)節(jié)器

圖3 篩體

圖4 回轉(zhuǎn)銷軸組件

圖5 可變振動(dòng)鏈

該方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括 HSOC｛－◇（P（4R－2P），P（4R－2P）⊥R（4R－2P）－R⊥R－｝、HSOC｛－ ◇（P（4R））－R⊥R－｝兩種基本結(jié)構(gòu)類型，如圖7所示。其中，HSOC表示混合單開(kāi)鏈，符號(hào)◇表示平面內(nèi)，符號(hào)⊥表示垂直，符號(hào)P表示移動(dòng)副，符號(hào)R表示轉(zhuǎn)動(dòng)副。當(dāng)左墊塊的位置位于如圖5所示的長(zhǎng)腰形滑移孔的左端時(shí)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為 HSOC｛－◇（P（4R－2P），P（4R－2P）⊥R（4R－2P）－R⊥R－｝（如圖7（a）所示），具有兩個(gè)移動(dòng)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)共五個(gè)自由度，相應(yīng)的篩體也具有兩個(gè)移動(dòng)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)共五個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度；當(dāng)左墊塊位于如圖5所示的長(zhǎng)腰形滑移孔的右端時(shí)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為HSOC｛－◇（P（4R））－R⊥R－｝（如圖7（b）所示），具有一個(gè)移動(dòng)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)共三個(gè)自由度，相應(yīng)的篩體也具有一個(gè)移動(dòng)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)共三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。而且，實(shí)現(xiàn)HSOC｛－◇（P（4R））－R⊥R－｝結(jié)構(gòu)時(shí)，需要使第一可調(diào)移動(dòng)副單元和第二可調(diào)移動(dòng)副單元保持等長(zhǎng)度不變，并通過(guò)調(diào)節(jié)變位調(diào)節(jié)裝置使可變振動(dòng)鏈上的L型連接座、第一可調(diào)移動(dòng)副單元、連桿和第二可調(diào)移動(dòng)副單元構(gòu)成一個(gè)平行四邊形［6－8］。

3.2 方案b

如圖8（a）所示，可變振動(dòng)鏈由L型連接座701、第一轉(zhuǎn)動(dòng)副702、第一可調(diào)移動(dòng)副單元703、第二轉(zhuǎn)動(dòng)副704、連桿705、第三轉(zhuǎn)動(dòng)副706、回轉(zhuǎn)座707、第四轉(zhuǎn)動(dòng)副708、第二可調(diào)移動(dòng)副單元709和第六轉(zhuǎn)動(dòng)副710組成，且第一可調(diào)移動(dòng)副單元、連桿和第二可調(diào)移動(dòng)副單元構(gòu)成一個(gè)三角形。L型連接座固定安裝在支撐架頭部的立柱上，在L型連接座水平板的中間位置設(shè)有長(zhǎng)腰形滑移孔和圓形連接孔；第一轉(zhuǎn)動(dòng)副、第二轉(zhuǎn)動(dòng)副和第四轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線相互平行，第三轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線垂直于第二轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線，第六轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線同時(shí)垂直于第二轉(zhuǎn)動(dòng)副和第三轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線；第一可調(diào)移動(dòng)副單元和第二可調(diào)移動(dòng)副單元中的移動(dòng)副為驅(qū)動(dòng)副。第一可調(diào)移動(dòng)副單元和第二可調(diào)移動(dòng)副單元具有直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)功能，可采用電動(dòng)推桿、液壓缸、氣缸或直線電機(jī)中的一種。

圖6 中位振動(dòng)鏈

圖7 方案a拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

該 方 案 的 拓 撲 結(jié) 構(gòu) 為 HSOC｛－ ◇ （P（3R－2P），P（3R－2P）－R⊥R－｝（如圖8（b）所示），具有水平面內(nèi)的兩個(gè)移動(dòng)、繞平行于篩體長(zhǎng)度和寬度方向軸線的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)共四個(gè)自由度，從而本方案的篩體具有兩個(gè)移動(dòng)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)共四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。

在方案a和方案b中，篩分作業(yè)時(shí)，都需要根據(jù)被篩分物料的不同篩分要求選擇相應(yīng)的振動(dòng)自由度數(shù)量和振動(dòng)組合方案。位于篩體的下方兩側(cè)的中位振動(dòng)鏈可以使篩體產(chǎn)生繞X軸和Y軸方向的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，這兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的振動(dòng)激勵(lì)由中位振動(dòng)鏈上的主動(dòng)副提供；而具有兩個(gè)移動(dòng)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)共五個(gè)自由度的可變振動(dòng)鏈最多可以為篩體提供沿X、Y軸方向的兩個(gè)移動(dòng)和繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)共三個(gè)自由度的振動(dòng)激勵(lì)，其振動(dòng)源由第一可調(diào)移動(dòng)副單元和第二可調(diào)移動(dòng)副單元提供。篩體在各振動(dòng)方向的振幅、頻率和激振力三個(gè)振動(dòng)參數(shù)的調(diào)節(jié)分別通過(guò)調(diào)節(jié)產(chǎn)生相應(yīng)振動(dòng)方向的激振裝置的參數(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖8 方案b結(jié)構(gòu)圖和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

該可變自由度并聯(lián)振動(dòng)篩的篩體在各振動(dòng)方向的振幅、頻率以及篩面的傾角和總的振動(dòng)自由度等參數(shù)均可調(diào)節(jié)，能克服現(xiàn)有振動(dòng)篩的技術(shù)缺陷，對(duì)不同篩分物料的適應(yīng)性強(qiáng)。其還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量穩(wěn)定可靠、設(shè)備占用空間小、操作維護(hù)便捷易行等優(yōu)點(diǎn)，可用于石油、煤炭、冶金、陶瓷、建材、化工、農(nóng)業(yè)、糧食加工等行業(yè)的物料分級(jí)。

［1］賈晶霞，劉俊峰，楊欣，等.振動(dòng)篩篩分性能的影響及分析［J］.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，26（1）：86－89.

［2］陳惜明，朱紅，趙躍民.潮濕細(xì)粒物料在直線振動(dòng)篩篩面上的粘附機(jī)理及疏孔方法研究［J］.煤礦機(jī)械，2003（5）：23－24.

［3］天津大學(xué).可變自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)：中國(guó)，201110054780.4［P］.2011－09－14.

［4］楊廷力，劉安心，羅玉峰，等.機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2012.

［5］沈惠平，張江濤，何寶祥，等.新型并聯(lián)運(yùn)動(dòng)振動(dòng)篩的篩分效率及其實(shí)驗(yàn)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2011（2）：83－86.

［6］王春彥，岳大鑫.振動(dòng)篩振動(dòng)電機(jī)的選取與激振力的調(diào)整［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2007（2）：50－55.

［7］Kim D，Chung W K.Kinematic condition analysis of three－DOF pure translational parallel manipulators ［J］.Journal of Mechanical Design，2003，125：323－331.

［8］Carricato M.Fully isotropic four－degrees－of－freedom parallel mechanisms for schoenflies motion［J］.The International Journal of Robotics Research，2005，24（5）：397－414.