畢初 李浙昆

摘要：針對云南曲靖卷煙廠使用煙末振動篩過程中出現(xiàn)篩分效率低、電能消耗大的問題，對直線振動篩的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。通過對物料的力學(xué)分析得出影響透篩率的工作參數(shù)為激振力大小、方向和頻率。每組變量設(shè)計3個實(shí)驗(yàn)參數(shù)，在Adams中建立參數(shù)化模型，采用仿真分析模擬廢煙支和煙末在每組參數(shù)下的篩分過程。分析27組實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出每組參數(shù)對透篩率的具體影響，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際選擇合適的參數(shù)。優(yōu)化后的工作參數(shù)相比原來節(jié)約能源35%以上，對M5型卷煙機(jī)的自動回收系統(tǒng)推廣具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：直線振動篩;工作參數(shù);煙末篩分;Adams;仿真分析

DOI：10.11907/rjdk.191301

中圖分類號：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）012-0155-04

0引言

針對PROTOS-M5型卷煙機(jī)設(shè)計開發(fā)了一款自動回收箱，但發(fā)現(xiàn)回收箱內(nèi)部的直線振動篩在使用過程中篩分效率較低，導(dǎo)致回收箱收集的廢煙支和煙末無法徹底分離，同時振動篩功率較大，電能消耗高于正常產(chǎn)品。

目前關(guān)于直線振動篩振動參數(shù)對廢煙支與煙末運(yùn)動狀態(tài)及篩分效率的影響研究較少。因此，本文基于Adams模擬了顆粒物料在直線振動篩不同工作參數(shù)下的運(yùn)動過程和透篩行為，分析各因素對物料篩分效率的影響，最終找到該煙末振動篩的最佳工作參數(shù)，可為直線振動篩分機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動參數(shù)設(shè)計提供參考，同時對PROTOS—M5卷接機(jī)的自動回收系統(tǒng)推廣具有一定的指導(dǎo)意義。

1實(shí)驗(yàn)變量選擇

1.1振動篩工作方式

為自動分類回收箱設(shè)計的振動篩為直線式振動篩，如圖1所示。振動篩由兩個相同規(guī)格的振動電機(jī)驅(qū)動，兩個振動電機(jī)的偏心塊大小相同且偏心距也相同。工作時連接兩組偏心塊的電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動，兩組偏心塊做同步反向轉(zhuǎn)動，二者的始相位角相同，速度相同，方向正好相反。二者產(chǎn)生的合力在平行于電機(jī)軸線的方向上相互抵消，在垂直于電機(jī)軸線的方向上相互疊加，從而形成垂直于電機(jī)軸方向的單一激振力。疊加后的激振力通過三角形導(dǎo)力板傳遞到上方托盤，從而帶動其上的篩箱做近似于直線的往復(fù)運(yùn)動。

1.2篩分效率參數(shù)

篩分過程指通過振子的振動帶動篩面振動，從而使顆粒直徑不同的物料與篩面產(chǎn)生相對運(yùn)動，通過反復(fù)穿過振動的篩面（可單層、多層）得到不同直徑等級的物料。顆粒直徑小于等于篩孔直徑的物料會在反復(fù)運(yùn)動中透過篩面進(jìn)入下方的回收盒，稱為篩下物。顆粒直徑大于篩孔直徑的物料遺留在篩面上方，成為篩上物。

對物料進(jìn)行受力分析可知，物料在篩面上振動時受到重力G和激振力P的作用，而篩面的傾斜角度以及激振力P與水平面的夾角不同，都會導(dǎo)致物料的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生改變，如圖2所示。

本文設(shè)計的直線振動篩篩面傾角為0°，結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定無法更改，因此影響其運(yùn)動狀態(tài)的只有激振力參數(shù)。將激振力大小、方向和頻率作為本次實(shí)驗(yàn)的變量。結(jié)合自動回收箱的設(shè)計參數(shù)，每組參數(shù)選取3個變量，其中激振力大小為320N、480N、640N;激振力方向?yàn)?0°、45°、60°;激振頻率為12Hz、14Hz、16Hz。在仿真模擬過程中通過逐個修改這些參數(shù)發(fā)現(xiàn)該參數(shù)對透篩率的影響，從而實(shí)現(xiàn)振動篩的最佳優(yōu)化。

2實(shí)驗(yàn)設(shè)置

2.1Adams簡介

Adams由幾個模塊組成，核心模塊包括用戶操作界面、求解模塊和后處理模塊。專業(yè)模塊則是附加的應(yīng)用程序，主要包括汽車領(lǐng)域的各項(xiàng)應(yīng)用，如底盤振動、傳動系統(tǒng)等。為增強(qiáng)人機(jī)交互體驗(yàn)，便于初學(xué)者學(xué)習(xí)，新款A(yù)dams推出了Adams/view模塊，這是一個集成程序，將整個模擬仿真過程的設(shè)置、求解、后處理集成到一起，極大方便了用戶操作。

2.2激振力簡化

激振器是振動篩工作的振源，因此激振力參數(shù)影響整個篩分過程。本實(shí)驗(yàn)將激振力大小、頻率、方向作為實(shí)驗(yàn)變量。原模型中，激振器產(chǎn)生的激振力通過三角形導(dǎo)力板傳遞到篩網(wǎng)，不易變換角度。激振力需要通過整個篩網(wǎng)的質(zhì)心，否則容易導(dǎo)致篩分過程不平衡，因此在Adams中省略掉激振器，將激振力直接加在篩網(wǎng)質(zhì)心上。這樣處理后的受力效果與原模型產(chǎn)生的受力效果相同，還能便捷地更改激振力方向，從而達(dá)到本文研究所需的仿真分析目的。

2.3Adams中參數(shù)化模型建立

在SolidWorks軟件中已經(jīng)有振動篩完整的三維模型圖，將其導(dǎo)入到Adams中，通過整個振動篩的質(zhì)心添加激振力，生成相應(yīng)的參數(shù)化模型。

2.4物料顆粒設(shè)置

本文研究幾個實(shí)驗(yàn)變量對振動篩透篩過程的影響，在振動篩的篩網(wǎng)上添加運(yùn)動顆粒。振動篩用于分離廢煙支和煙末，其中煙末呈不規(guī)則球體，廢煙支則為圓柱體。為了方便實(shí)驗(yàn)，將煙支簡化為長50mm、直徑10mm的圓柱體，煙末簡化為直徑4mm的球體模型。

在振動篩中添加模擬小球，經(jīng)過仿真運(yùn)行后統(tǒng)計通過篩網(wǎng)的小球個數(shù)即可得到透篩率。理論上小球的個數(shù)越多，因初始位置和初始速度引起的誤差就越小，結(jié)果越準(zhǔn)確。但小球數(shù)量過多時需要建立的接觸模型就越多，整個仿真過程的計算量可能會超過計算機(jī)的負(fù)載量，造成死機(jī)等一系列問題，因此小球的個數(shù)不能過多也不能過少。綜合考慮后將小球的數(shù)量設(shè)置為10，圓柱體的數(shù)量設(shè)置為2。

根據(jù)煙末的物理性質(zhì)及相關(guān)條件，添加10個半徑為4mm的小球，密度參數(shù)設(shè)置為400kg/m³。物料從頂端掉落后在重力作用下經(jīng)分離擋板落到篩網(wǎng)上，此時速度約為5m/s，因此給每個小球添加一個5m/s的初始速度。這些參數(shù)設(shè)置完成后，虛擬的碰撞模型就建成了。

3透篩實(shí)驗(yàn)

篩分過程指在激振力作用下帶動篩網(wǎng)和篩網(wǎng)中的物料進(jìn)行振動，物料在不斷拋起分離的過程中通過篩網(wǎng)實(shí)現(xiàn)篩分。在這個過程中碰撞有兩種，一種是篩網(wǎng)與物料的碰撞，另一種是物料與物料間的碰撞。碰撞擠壓過程存在能量損耗，但本次實(shí)驗(yàn)僅有10個小球，不存在疊加分層現(xiàn)象，因此不考慮動能損耗影響。

基于正交實(shí)驗(yàn)法將所有的實(shí)驗(yàn)參數(shù)一一組合，然后進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置并實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計每組中小球通過篩網(wǎng)的個數(shù)，計算出透篩率。參數(shù)組合H如下：

3.1實(shí)驗(yàn)測量

在篩網(wǎng)的下底面建立一個marker點(diǎn)，并將其重命名。然后建立10個測量函數(shù)，分別測量對應(yīng)小球的質(zhì)心相對于篩網(wǎng)底面垂直方向的距離，如圖3所示。把仿真實(shí)驗(yàn)時間設(shè)置為1s，在1s時間內(nèi)如果小球的質(zhì)心相對于篩網(wǎng)底面垂直方向的距離達(dá)到0，就認(rèn)為該小球已經(jīng)透過了篩網(wǎng)，通過統(tǒng)計10個小球中通過篩網(wǎng)的個數(shù)即可確定透篩率。

每次分別設(shè)置對應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行仿真，仿真時間為1s，仿真步數(shù)為200步，每次仿真都記錄10個小球?qū)?yīng)的位移情況。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

前文確定了27種組合方案，在Adams中每次改變一個工作參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分別查看10個小球的位移圖，數(shù)出每組實(shí)驗(yàn)中透過篩網(wǎng)的小球個數(shù)，即可得到該工作參數(shù)下的透篩率。小球的位移如圖4-圖7所示（由于篇幅有限，僅展示方案1中部分小球的軌跡）。

統(tǒng)計27組實(shí)驗(yàn)中透過篩網(wǎng)的小球個數(shù)，即可得到相應(yīng)參數(shù)對透篩率的影響，27組實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表l所示。

4結(jié)果分析

對所有數(shù)據(jù)進(jìn)一步整理可得到不同的參數(shù)組合對透篩率的影響，如表2所示。

為了使結(jié)果更明顯，將所有數(shù)據(jù)分別制成折線圖，如圖8-圖10所示。

用每組參數(shù)的透篩率極差大小衡量參數(shù)影響程度的大小，按影響程度大小將參數(shù)排列：激振力>頻率>激振角度。分析上面折線圖可得如下結(jié)論：

（1）隨著激振力的增加，透篩概率在不斷增加。這是因?yàn)榧ふ窳υ黾?，物料的運(yùn)動狀態(tài)變得激烈，相互之間越分散，越容易透過篩網(wǎng)。然而過大的激振力需要更堅(jiān)固的振動結(jié)構(gòu)。

（2）激振角度增加，透篩率不斷下降。這是因?yàn)殡S著角度的增加，水平方向的分力減小導(dǎo)致水平位移減少，導(dǎo)致物料混雜在一起，影響透篩率。

（3）頻率的增加導(dǎo)致透篩率直線下降。頻率過高時，篩網(wǎng)中的物料還沒有完成一個拋起落下的過程又被篩網(wǎng)拋起，導(dǎo)致物料分離不徹底從而影響篩分效率。

從上面的分析可知，提高透篩效率的方法是盡量使物料之間相互分離得更徹底，同時使物料拋起時與篩網(wǎng)的距離增大，這樣對物料的透篩就越有利。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，在盡可能實(shí)現(xiàn)大的篩分率及盡可能減少能源消耗的條件下，最終選用參數(shù)為：激振力F 480N，激振角度30°，激振頻率12Hz。

5結(jié)語

本文通過在Adams軟件中模擬煙末和煙支的振動篩分過程，對影響振動篩分效率的因素進(jìn)行了分析。在Ad-ams中建立參數(shù)化模型算法，可以方便地進(jìn)行多參數(shù)影響實(shí)驗(yàn)，減少了計算量，提高了仿真準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)證明，該仿真結(jié)果具有較高的可信度。下一步研究重點(diǎn)是將該算法應(yīng)用在煤礦振動篩上，進(jìn)一步驗(yàn)證本文算法的泛化性能。