張亦工，張亦農(nóng)，韓成年

(1.河南省鶴壁市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗測試中心，河南鶴壁 458030；2.沃盛咨詢（深圳）有限公司，深圳 518002；3.深圳清欣機電設計室，深圳 518002）

雙質(zhì)體振動設備的技術(shù)與發(fā)展

張亦工1，張亦農(nóng)2，韓成年3

(1.河南省鶴壁市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗測試中心，河南鶴壁 458030；2.沃盛咨詢（深圳）有限公司，深圳 518002；3.深圳清欣機電設計室，深圳 518002）

介紹雙質(zhì)體振動設備的功能、結(jié)構(gòu)、振動輸送原理、發(fā)展歷史；列舉不同振動裝置的優(yōu)缺點；分析雙質(zhì)體振動設備的技術(shù)難點及解決辦法；提出節(jié)能降耗是振動設備的發(fā)展方向。

雙質(zhì)體亞共振系統(tǒng)；振動給料機；振動篩；振動落砂機；活化給料機

振動機械是有效利用振動的機械設備，具有很多作業(yè)功能：振動、蓬松、填實、輸送、喂料等，能完成諸多工藝過程、提高工作效率。

在鑄造行業(yè)，振動機械主要用于型砂輸送、篩分、造型、落砂、鑄件清理、振動時效、料倉防堵等。

任何一種振動機械都有動力驅(qū)動裝置（如振動電機、電磁振動器、彈性連桿驅(qū)動器、慣性振動器）、工作承載體（如料槽）、減振器（如減振彈簧）等共同組成振動機械彈性系統(tǒng)，在靜平衡位置附近作往復振動彈性運動。按結(jié)構(gòu)、自由度可分為單質(zhì)體受迫振動系統(tǒng)和雙質(zhì)體受迫振動系統(tǒng)。

振動技術(shù)在不斷發(fā)展，下面以給料機為例，簡述雙質(zhì)體振動機械的發(fā)展規(guī)律及趨向。

1 電磁振動給料機

電磁振動給料機是20世紀初出現(xiàn)的給料設備，由工作承載槽體、電磁振動器、主振彈簧、減振彈簧組成，屬于低近共振型雙質(zhì)體受迫振動彈性系統(tǒng)。承載槽體與電磁振動器之間用主振板彈簧連接，電磁振動器使承載槽體作高頻率簡諧振動，運動軌跡為直線。槽體內(nèi)的物料被拋擲，呈拋物線向前方運動，實現(xiàn)定量給料。減振彈簧工作在遠超共振狀態(tài)，傳給地基的動載荷為激振力的5%左右（頻率比取得比較?。?/p>

1.1 發(fā)展歷史

20世紀40年代，英國、美國開始用電磁給料機輸送煤炭，在日本用來給粉碎機定量給料。

中國大約在1965年開始對其進行研究，1966年由唐山冶金機械廠制造出我國第一臺自己設計的電磁振動給料機。1967年由一機部、冶金部、煤炭部、建材部及化工部組成聯(lián)合設計組，完成了DZ系列電磁振動給料機的系列設計。

1970年4月，在河南鶴壁召開了DZ1～DZ5型電磁振動給料機定型鑒定會；1973年11月在鞍山市召開了DZ6～DZ10電磁振動給料機技術(shù)鑒定會。從此，電磁振動給料機成了定型產(chǎn)品。

隨著電磁振動給料的推廣和試用中發(fā)現(xiàn)的一些缺點，在1974 - 1975年間,成立電振機聯(lián)合改進設計組，對原DZ系列電磁振動給料機進行改進及系列補充設計。并將原系列代號DZ改為GZ[2]，DZ系列已于1992年國家列入淘汰產(chǎn)品。

DZ型改為為GZ型主要有以下改進：

(a)將DZ型作為基本型(圖1)，增加上振型、封閉型、輕槽型、平槽型和寬槽型。共有34種規(guī)格型號；

（b） 電磁振動器的板彈簧壓緊螺栓全部放在板彈簧的前側(cè)，調(diào)整容易，氣隙不受影響，板彈簧可自由取出或加進；

（c） 減振器的吊桿與托盤的配合間隙增大，減小噪聲；

（d） 原DZ型電振機用調(diào)壓器控制，GZ型用可控硅半波整流線路, 采用阻容移相觸發(fā)回路（單晶體管與電阻電容組成的弛張振蕩電路）來控制整流器的導通角。調(diào)節(jié)橋路上的繞線電位器的電阻來改變可控硅導通角，實現(xiàn)調(diào)節(jié)振動機的工作電壓和工作電流。電流變化又改變了氣隙磁密，激振力隨之改變，振幅也變了，給料量隨振幅大小做相應變化。對20安培以上的可控硅, 為確保足夠的移相范圍, 增加脈沖放大部分。

圖1 DZ型電磁振動給料機

隨著設計和制造技術(shù)的成熟，制定了產(chǎn)品標準JB2103—1977《GZ電磁振動給料機型式和基本參數(shù)》、JB2604—1979《電磁振動給料機 技術(shù)條件》。在1978年、1979年、1994年、1995年、1999年經(jīng)過多次修訂，于2008年制定最新標準JB/T8114—2008《電磁振動給料機》。

1.2 振動輸送原理

電磁振動器與可控硅控制器配套使用，當可控硅在交流電的正半周內(nèi)被觸發(fā)導通時，線圈接通后有脈動電流通過，銜鐵與鐵芯之間便產(chǎn)生了一脈沖電磁力互相吸引，這時槽體向后(向下)運動，激振器的主振板彈簧發(fā)生變形，儲存了一定的勢能。

電源經(jīng)負半周時，可控硅承受反向電壓而關(guān)斷，線圈中無電流通過，銜鐵、鐵芯的電磁力消失。主振板彈簧釋放電源在正半周儲存的能量，回復原位，并帶動槽體向前（向上）運動。于是電磁振動器以交流電源的頻率作每分鐘3 000次的往復振動。

電磁給料機槽體的底平面與激振力作用線有一固定的夾角（20°），電磁振動器作用槽體振動，槽內(nèi)的物料被拋擲，沿拋物線的軌跡向前跳躍運動。物料的拋起和落下在1/50秒內(nèi)完成，所以肉眼看到物料呈連續(xù)均勻向前移動。

用電位器調(diào)節(jié)整流電流（電壓）的高低，即可控制振動器的激振力大?。?～最大），振幅隨之變化（0～最大），輸送量大小也在0～額定量范圍內(nèi)變化。振動機可在零振幅啟動或停車，避開啟動或停車共振區(qū)。1.3 優(yōu)缺點分析

通過使用證實, 電磁振動給料機與板式給料機、圓盤給料機相比有很多優(yōu)點。它適用范圍廣、給料均勻；能在運轉(zhuǎn)過程中很方便地調(diào)節(jié)給料量,便于自動控制；體積小、安裝方便；采用雙質(zhì)體振動系統(tǒng)原理，功率消耗??；利用控制器實現(xiàn)零振幅啟動或停車平穩(wěn)過渡；結(jié)構(gòu)簡單，不需要電動機、減速機和軸承配套件。

電磁振動器的電磁鐵及線圈，設計已經(jīng)系列化，結(jié)構(gòu)簡單，但制造工序多。由于沒有專業(yè)廠生產(chǎn)，給料機制造廠自行加工，導致成本高，品質(zhì)不穩(wěn)定。

電磁振動給料機用板彈簧作主振彈簧，其變形量小，致使振幅小，通過高頻振動使輸送量提高，但對機體的動載荷較大。

隨著行業(yè)規(guī)模擴大，用戶需要調(diào)整容易、維修方便、價格低廉、性能優(yōu)良的新品種。單質(zhì)體自同步電機振動給料機應運而生。

2 自同步慣性振動給料機

自同步慣性振動給料機是由慣性振動器、工作承載體、減振彈簧組成。慣性振動器與工作體直接連接，屬于單質(zhì)體受迫振動彈性系統(tǒng)。兩臺性能相同的慣性振動器（振動電機）在振動方向角邊線兩側(cè)對稱安裝，其合成激振力作用線與振動方向角邊線重合，以相同的角速度作反向同步運轉(zhuǎn)，將兩個頻率相同的簡諧振動合成為一個同頻率的簡諧振動。減振彈簧工作在遠超共振狀態(tài)，傳給地基的動載荷不大，為激振力的1%～3%。

2.1 發(fā)展歷史

20世紀60年代,前蘇聯(lián)B.lehman博士提出了雙激振器振動機的同步理論。我國按照第二代同步方式—振動同步理論[3]，設計、制造的機械結(jié)構(gòu)大為簡化。數(shù)以萬計的利用振動同步原理的自同步振動機獲得了應用，取得了重大的經(jīng)濟效益。

1984年4月在洛陽召開了GZG型電機振動給料機鑒定會。

1994年，制定行業(yè)標準JB/T7555—1994《慣性振動給料機》。2008年制定新行業(yè)標準，JB/T7555—2008《慣性振動給料機》。

2.2 工作原理

根據(jù)平面單質(zhì)體振動機同步理論，當兩臺振動電機以相同的角速度作反方向自同步運轉(zhuǎn)時，其慣性力在振動電機旋轉(zhuǎn)中心連線方向的分力，大小相等，方向相反，互相抵消；而與中心連線垂直方向的分力則方向相同，互相迭加；在該慣性力的作用下，給料槽沿合力方向作簡諧振動。當槽體振動加速度在垂直槽底方向的分量大于重力加速度在垂直槽底方向的分量時，槽體中的物料被拋起，并按拋物線的軌跡向前作跳躍運動。給料槽沿傾斜方向作往復直線振動，每振動一次，物料將被拋擲一次，物料以槽體振動頻率連續(xù)向前跳躍，達到輸送物料之目的。2.3 優(yōu)缺點分析

典型的設計型號為GZG系列（圖2），共有30多個品種。其特點：

（1）體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、安裝方便、調(diào)試操作容易、維修少；

（2）利用振動電機自同步原理，工作穩(wěn)定、啟動迅速，停車反接制動，過共振區(qū)時間短；

（3）物料按拋物線軌跡連續(xù)向前跳躍運動，給料槽磨損較??；

（4）選用防爆振動電機的給料機可用于有防爆要求的場合；

（5）用電源變頻調(diào)速器控制振動電機轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)給料機在線調(diào)節(jié)輸送量；

（6）振動電機同步反向運轉(zhuǎn)，激振力反向抵消，同向疊加，功率有效利用率50%。

圖2 GZG型電機振動給料機

與電磁振動給料機比較，在槽體尺寸相同時，給料量和功率消耗列于表1。

表1 給料量和功率消耗

從表1來看，由電磁振動給料機改用自同步慣性給料機，輸送量得到提高，但功率有降有升。為能清晰地比較性能效果，引入比功率分析（表2），即功率與輸送量的比值和功率與設備總質(zhì)量的比值。

表2 比功率分析

從表2看出，物料輸送消耗功率相差不大，說明在相同的物料拋擲輸送原理下，完成物料拋擲所需要的功率基本相同。而驅(qū)動設備單位質(zhì)量消耗功率相差較大，GZ系列約為GZG系列的1/2，源于振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同。

GZG系列，振動電機與槽體直接連接，沒有主振彈簧及后質(zhì)量，所以質(zhì)量較輕。

GZ系列的主振彈簧用板彈簧，變形量小。為保證槽體有一定的振幅，將電磁振動器（后質(zhì)量）做得很重，以保持與槽體（前質(zhì)量）有較大的比值（后質(zhì)量:后質(zhì)量=2），從而增大槽體的振幅。從結(jié)構(gòu)強度和剛度來說，振動器殼體的壁厚也要足夠，致使振動器質(zhì)量很重。由于GZ系列采用雙質(zhì)體振動系統(tǒng)，單位質(zhì)量的功率消耗仍能降低。

GZG系列給料機并沒有吸收GZ系列給料機的優(yōu)點，即雙質(zhì)體振動系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)點，零振幅啟動或停機，屬于另一種新品種。GZG系列給料機如按雙質(zhì)體振動系統(tǒng)設計，功率可大幅降低。

3 雙質(zhì)體慣性振動設備

雙質(zhì)體慣性振動給料機是由慣性振動器、主振彈簧、工作承載體、減振彈簧組成。槽體與慣性振動器之間用主振彈簧連接，屬于雙質(zhì)體低近共振受迫振動系統(tǒng)。槽體的運動軌跡為直線（雙電機）或橢圓（單電機），物料在慣性力的作用下被拋擲，并按拋物線的軌跡向前作跳躍運動。減振彈簧在遠超共振狀態(tài)下工作，傳給地基的動載荷為激振力的1%～3%。

雙質(zhì)體慣性給料機與自同步慣性給料機的物料輸送原理相同，其優(yōu)點是節(jié)能。在設計、制造上比自同步慣性給料機要復雜；設備運行涉及到主振彈簧的剛度，當彈簧剛度有制造誤差時，達到穩(wěn)定工作點不容易；由于主振彈簧剛度已定，頻率比確定，不能通過變頻調(diào)速改變振動電機的轉(zhuǎn)速來實施在線調(diào)節(jié)輸送量。

3.1 典型產(chǎn)品

3.1.1 XZG系列振動給煤機

XZG系列振動給煤機（圖3），1992年由北京有色總院、東北工學院研制，國家級新產(chǎn)品。在低近共振狀態(tài)下工作，主振彈簧為剪切橡膠彈簧，單振動電機驅(qū)動，槽體運動軌跡為橢圓。其性能與GZG給料機比較（表3）。

圖3 XZG系列振動給煤機

表3 性能對照表

為能清晰地比較節(jié)能效果，引入比功率分析（表4）。

表4 比功率分析

從表3、表4看出，XZG型比GZG型的物料輸送量消耗功率要低7%～25%。設備質(zhì)量消耗功率XZG系列約是GZG系列能耗的1/2.28，說明雙質(zhì)體振動系統(tǒng)的功率消耗比單質(zhì)體振動系統(tǒng)的功率消耗要低。

XZG型參振質(zhì)量是GZG型的3倍，XZG系列為什么做的那么重？這是因為XZG的主振彈簧用剪切橡膠彈簧，變形量小。為保證槽體有一定的振幅，將平衡架做得很重，以保持與槽體（前質(zhì)量）有較大的比值（質(zhì)量比=2）。

實際上質(zhì)量比完全可以小一些，以下實例就是采用小質(zhì)量比。

迪爾公司的人造大理石壓機，振動壓制頭參振質(zhì)量1 800 kg，用兩臺10 kW的振動電機驅(qū)動，構(gòu)成單質(zhì)體振動系統(tǒng)。實際用功率12 kW，3 000 r/min，振幅1～1.5 mm，壓制質(zhì)量合格。

為降噪節(jié)能，改用電磁振動器，電磁鐵和銜鐵之間用板彈簧連接，頻率比0.9，構(gòu)成雙質(zhì)體低近共振系統(tǒng)。

由于安裝空間限制，電磁振動器的電磁鐵安裝在振動壓制頭上，相當于前質(zhì)量m1=1 800+225= 2 025(kg)。銜鐵加上板彈簧的質(zhì)量相當于后質(zhì)量m2=280 kg，質(zhì)量比為m∶m=280∶2 025=0.14。經(jīng)計算需要的激振力40 kN。設計專用的電磁振動器激振力21 kN，功率3 kW，用兩臺并聯(lián)驅(qū)動。運行結(jié)果，壓頭振幅達到1 mm，滿足壓制參數(shù)要求，噪聲降低，功率減少5 kW，節(jié)能40%。但在制品中心部位有緊實度不夠的缺陷。

最初懷疑是激振力不夠，另行設計制造只有垂直直線振動的慣性振動器，功率10 kW，振幅1.5 mm，同樣出現(xiàn)板材中心部位緊實度不夠的缺陷。

實際上，振動系統(tǒng)的動力學計算正確，問題出在物料的運動學上。人造大理石的原料為粉粒狀石英石，在振動成型過程中，散粒料要有垂直運動，也要有水平橫向運動。而電磁振動器和慣性振動器只有垂直直線運動，散粒料橫向移動不夠，導致制品中心部位緊實度差，需要補料重振。

進一步改進采用單臺振動電機，用板彈簧（安裝空間大時用螺旋彈簧）與壓頭連接，構(gòu)成雙質(zhì)體低近共振系統(tǒng)（圖4）。振動電機功率5.5 kW，振次3 000 r/min,質(zhì)量294 kg。質(zhì)量比294/1800=0.164，頻率比0.9，振幅1 mm。單臺電機旋轉(zhuǎn)，使壓頭的運動軌跡為橢圓，粉粒料有垂直運動，也有橫向運動，制品中心部位沒有疏松，壓制緊實度合格。

圖4 雙質(zhì)體低近共振系統(tǒng)

3.1.2 振動落砂機

振動落砂機于20世紀50年代由蘇聯(lián)引進，為單質(zhì)體振動系統(tǒng)。20世紀80年代濟南鑄鍛所研制成功用振動電機驅(qū)動的單質(zhì)體振動落砂機和雙質(zhì)體振動落砂機。其中L1230D、L1230S（圖5）的性能列于表5[4]。

圖5 振動落砂機

表5 L1230D、L1230S振動落砂機性能

從表中看出，雙質(zhì)體振動機比單質(zhì)體振動機節(jié)電50%。

3.1.3 雙質(zhì)體振動篩

美國GK公司的雙質(zhì)體振動篩（圖6）性能先進，比同類單質(zhì)體振動篩節(jié)能70%。該機顛覆了傳統(tǒng)振動篩的設計原理，以節(jié)能高效的特性，成為客戶關(guān)注的熱點。昆明茨壩礦山機械有限公司按照GK全球標準、技術(shù)要求以及工藝流程，用GK公司提供設計圖紙，專利技術(shù)和全部零部件，負責裝配、安裝、調(diào)試和售后服務等。

圖6 美國GK公司的雙質(zhì)體振動篩

GK公司的雙質(zhì)體振動篩具有優(yōu)勢[5]：

采用亞共振技術(shù)，所需激振力小，能耗低。物料負荷變化不影響篩分效果；

新型激振器，實現(xiàn)啟動、停機的平穩(wěn)過渡；實現(xiàn)運量恒定及在線調(diào)節(jié)；

組合聚氨酯篩板耐磨，嵌入式安裝，扁鏟撬出，橡膠錘敲入；

主振彈簧、連接螺栓、防松螺母按無限使用壽命設計；

一體化驅(qū)動和篩體設計，無需分離，輕松實現(xiàn)整體吊裝；

低噪聲（75 dB）；

用加速度計及振動信號發(fā)射器的裝置用來監(jiān)測設備振動狀況，顯示數(shù)值。

表6為GK STM3070單層直線雙質(zhì)體振動篩與ZKR3070單層直線單質(zhì)體振動篩性能參數(shù)比較[6]。

表6 振動篩性能參數(shù)比較

GK STM3070設備的優(yōu)良性能，盡管價格高，但壽命可達6年，其節(jié)電、維護費用低，仍帶來巨大的經(jīng)濟效益。

3.1.4 活化給煤機

活化給煤機是煤筒倉卸煤的專用設備(圖7)，由美國GK公司發(fā)明，與GK振動篩一樣，采用雙質(zhì)體振動系統(tǒng)。

HHGL型活化給料機（圖8），清欣機電設計室設計制造。

主要功能：結(jié)構(gòu)簡單，幾乎不用維修；亞共振振動系統(tǒng)，消耗功率低；主振彈簧用螺旋壓縮彈簧，在質(zhì)量比小于1時，也能產(chǎn)生大振幅；分料板直接承受物料倉壓，振動波直接傳給物料，具有活化、防堵功能；導流板能流暢卸料、定量給料；料斗的獨特結(jié)構(gòu)，具有閘門功能，振動卸料，不振動不出料。大進口，小出口，容易配套受料設備；對中膠帶中部卸料，防止膠帶機跑偏；連接處波紋橡膠圈密封，不漏料，無微塵飄出；工作點自動維持系統(tǒng)，檢測固有頻率，負反饋控制電機變頻調(diào)速，穩(wěn)定頻率比；運量恒定控制系統(tǒng)，自動保持卸料量恒定；用變力器在線調(diào)節(jié)卸料量的大?。荒苓h程控制或就地調(diào)節(jié)。

圖7 活化給煤機

圖8 HHGL型活化給料機

4 振動電機與電磁振動器

20世紀70年代振動電機研制成功，簡化了振動機械的結(jié)構(gòu)，利用復合形式造出許多新型振動機械。

如今DCZ型電磁振動器也問世，并且系列化，可與振動工作承載體組合成雙質(zhì)體振動系統(tǒng)。像選用振動電動機一樣，按所需功率選取標準型號即可。

5 趨勢

通過對振動設備的發(fā)展歷史分析，雙質(zhì)體振動設備具有節(jié)能的優(yōu)點，能獲得能量的較大利用率，是振動機械的發(fā)展方向。

設計雙質(zhì)體振動系統(tǒng)，用變力器在線調(diào)節(jié)輸送量，用頻率比自動維持系統(tǒng)和運量自動恒定系統(tǒng)，使設備穩(wěn)定運行。

[1] 電振機實驗小組. DZ系列電磁振動給料機實驗報告[J].起重運輸機械，1974（1）.

[2] 電振機聯(lián)合改進設計組. DZ系列電磁振動給料機改進設計簡介[J]. 起重運輸機械，1977（5）.

[3] 聞邦椿，趙春雨，范儉. 機械系統(tǒng)同步理論的應用于發(fā)展[J].振動工程學報，1997.10（3）.

[4] 田永恒，等. 大型雙質(zhì)體固定式振動落砂機的研究及應用[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2009（4）.

[5] 中國振動機械網(wǎng). 21世紀振動篩的顛覆性革命-GK雙質(zhì)體振動篩[R].2012-06-08.

[6] 百度文庫. GK篩和傳統(tǒng)篩數(shù)據(jù)對比明細表[R].2013-08-31

[7] Francis S. Tse, Ivan, E. Morse, Rolland T. Hinkle. Mechanical Vibrations Theory and Applications[M]. Aliyn and Bacon inc, 1978.

The technology and development of double body vibrating equipment

ZHANG YiGong1，ZHANG YiNong2，HAN ChengNian3
（1.Quality and Technical Supervision Checkout Test center of Hebi city of Henan province. Hebi 458030,Henan, China；2.WMGS consulting (Shenzhen) Co.,Ltd., Shenzhen 518002, Guangdong,Chian；3.Shenzhen Qingxin machinery& electrical design workshop. Shenzhen 518019, Guangdong,Chian）

This article is mainly to introduce about the functionality, structure and vibration convey principle of Double Body Vibrating Equipment. Its technical difficulties and solving method are investigated and It is proposed that the Energy saving and Consumption reduction will be the new direction of the vibrating equipment ‘s development.

sub-resonance system of double body vibration；vibrating feeder； vibrating screen；vibration sand falling machine；activation of feeder

TG231；

A；

1006-9658（2016）05-0059-06

10.3969/j.issn.1006-9658.2016.05.017

2016-03-10

稿件編號:1603-1283

張亦工（1974—），女，工程師，主要從事設備檢測、計量檢定工作.