基于ANSYS分析振动料斗频率对送料速率的影响

2014-12-19李东明

制造业自动化 2014年9期

李东明，张航

LI Dong-ming，ZHANG Hang

(大连交通大学机械工程学院大连 116028)

0 引言

在现代制造工业领域里，自动上料装置已经成为自动检测、自动装配生产线上不可或缺的重要组成部分。振动料斗是自动上料装置中应用最为广泛的一种上料机构，因其低廉的价格和优良的性能，从面世以来就深受各大厂家青睐。然而在自动送料过程中发现，有的工件出现了破损甚至断裂的现象，这是由于使用者忽略了振动料斗自身频率对工件的影响。本文结合ANSYS软件对振动料斗作有限元分析，找到振动料斗频率和物料的关系，从而在保证送料效率的同时，也确保物料不被损坏。

1 振动料斗的结构及原理

1.1 振动料斗的结构

本文以最为常见的电磁振动料斗为例，它一般由料盘、隔磁板、主振弹簧、电磁铁、基座、减震支脚等组成。其机构如图1所示。

1.2 工作原理

将物料放入料盘里，接通电源之后，电磁铁产生磁力吸引衔铁下行，使料盘偏离平衡位置向下移动，迫使主振弹簧发生弹性形变，同时料盘绕中心轴做扭转运动；在电流的反向周期里，电磁铁磁力消失，主振弹簧释放弹性势能，使料盘反向回升，超过平衡位置达到某一上限，如此反复循环就形成了高频低幅振动[1]。料盘沿内壁焊接螺旋料道，在料盘里的物料就沿着螺旋料道向上爬行，最后通过整列装置整列后离开料盘。

图1 振动料斗结构

2 物料输送时的力学分析

料盘里的工件，不仅受到重力和料道的支撑反力作用，还受到摩擦力和惯性力作用，而工件所受摩擦力的大小和方向还取决于电磁铁通电电流的情况。对工件进行力学分析，从而确定工件高效滑移的条件。假定电磁铁通正弦交流电。

2.1 当正向周期I>0时

工件受力情况如图2所示。料盘受电磁力和重力作用，以加速度1a 向左下方运动，加速度方向垂直于主振弹簧中轴线。

图2 I>0时工件受力情况

根据受力平衡原理可知，

即：

2.2 当反向周期I≤0时

当电磁铁所通交流电到反向周期，即I≤0时，主振弹簧释放储存的弹性势能，使料盘反向回升，通过平衡位置，达到某一上限。工件以加速度 a2向沿料道向右上方运动，其受力情况如图3所示。

图3 I≤0时工件受力情况

同I>0时情况类似，根据力平衡原理，

2.3 物料在料道上实现连续滑移的条件[2]

在料斗激振频率固定的情况下，物料的运动情况主要受如螺旋升角α、振动方向角β、摩擦系数μ等结构因素影响。物料在料道上可能出现向前、后跳跃，连续或断续滑移等运动状况。由于连续滑移运动是物料理想的运动情况，因此本文仅讨论实现连续滑移时的条件。

根据物料受力情况，当电流I>0时，工件受惯性力m1a 作用，产生沿滑道向上运动的趋势；当电流I≤0时，工件受惯性力ma2作用，有沿滑道向下运动的趋势。因此，只要1a 大于（不能过大，否则会产生跳跃）某一临界值且 a2小于某一临界值时，物料就可以不会下滑而克服摩擦力沿料道向上连续滑移运动。

由式（1）和（2）可得：

联立式（3）和（4）可得：

根据本文设计的振动料斗的结构参数，螺旋升角α=2°，振动方向角β=30°，摩擦系数查表得μ=0.25，代入式(5)和(6)得a1=0.288g，a2=0.290g。由此可以看出，只要结构设计合理，使加速度达到临界值，就可以让物料在料道上实现连续滑移。

3 料盘与工件的动态分析

在生产振动料斗的过程中，要精确地将料斗的机械振动调整到亚共振状态，以达到高效输送物料的目的[3]。因此，准确把握振动料斗的固有频率十分重要，对研究振动频率对物料的影响也非常重要。

基于ANASYS分析振动料斗动态设计过程如图4所示。

无阻尼振动系统运动方程可表示为[3]：

图4 振动料斗动态设计流程

本文中振动料盘外径D=300mm，螺旋升角α=2°，振动方向角β=30°。主振弹簧选用65Mn材料，其强度、硬度、弹性和淬透性都比45钢要好，对振动料盘可以起到支撑作用，其性能为：弹性模量E=206GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×103kg/m3，其他零部件采用45钢。将模型导入ANSYS Workbench中，采用六面体网格划分模式，橡胶底脚下表面作全约束，将紧固件与孔简化[5]。振动料斗的网格划分模型如图5所示。