宗荣珍，宋伟轩，孟慧芳，欧拴柱，和政翔，孙佳童

（南阳理工学院，河南 南阳 473004）

0 引言

直线振动筛选机可对粉状、颗粒状物料筛选和分级[1]，广泛应用于矿山、建材、磨料、化工、粮食、碳素、化肥等行业。目前市面上现有的直线振动筛选机种类繁多，动力方式和运动方式各有区别，但总体效率不高，操作费时费力。本文设计一款效率高、可更换、筛分种类多、操作简单的直线振动筛选机，其利用振动电动机激振作为振动源，使物料在筛网上被掀起，同时向前做直线运动，物料从给料机均匀地进入筛分机的进料口，通过多层筛网产生数种规格的筛上物、筛下物，然后分别从各自的出口排出。该直线振动筛选机具有耗能低、产量高、结构简单、易维修、无粉尘逸散、自动排料等特点。振动筛的筛网孔大小有多种规格，当用于不同物料的筛选时，通过筛网的替换便可以实现符合用户要求的物料筛选效果。

1 直线振动筛选机结构设计

1.1 直线振动筛选机具体设计内容及要求

直线振动筛选机分为上体和下体两个部分，上体和下体采用减振耐用弹簧连接，上体主要包括进料口、筛网、出料口、振动电动机及电动机固定板。下体主要包括支撑架、万向轮及电源插口等。

1）直线振动筛选机总长拟定为1800 mm，总宽拟定为600 mm；内置筛网尺寸拟定为1500 mm（长）×420 mm（宽）。

2）直线振动筛选机上体筛分部分及下体支撑梁的结构设计。上体筛分部分的设计要质量适中，根据振动电动机的选择，要考虑到筛网部件及各个钣金部件的耐磨性能；其次为了满足筛分物料的多样性，上体结构设计要保证筛网的可更换、易维修保养等。下体的结构设计主要是要保证弹簧具有预期寿命下的使用条件；其次是支架的结构设计及万向轮的选型。

3）根据整体结构的初步分析，选择较为合适的振动方式并进行设计计算，确定振动电动机型号和直线振动筛选机耐用振动弹簧的计算与选型。

1.2 进料口设计

进料口主要包括进料口外框架1、调节挡板2、吊环螺钉3、螺母4及挡块5等。其中，调节挡板2主要作用在于通过调节它的位置高度，从而控制物料送入速度。决定位置高度的原因主要有3点：一是所要筛分物料的大小；二是根据工作时间的要求及电动机的振动快慢来调节挡板2的位置高度；三是可手动调节物料的送入量，以筛分效果更好为目的，而不是速度。吊环螺母4焊接在进料口外框架上，这样就可以通过调节吊环螺钉3来实现对调节挡板2位置高度的调节。挡块5主要是为了固定调节挡板2的水平自由度。进料口结构如图1所示。

图1 直线振动筛选机、进料口结构

1.3 筛网设计

筛网主要包括长型钢1、短型钢2、筛网3等。该直线振动筛选机的筛网可以根据所要筛分的物料的差异来选择不同材质、结构的筛网，进行更换。筛网结构如图2所示。

图2 筛网结构

1.4 出料口设计

出料口主要包括外框架1、底层出料口2、侧板3、上层出料口4、中层出料口5。外框架1为钣金框架，一方面用于挡料，另一方面的作用是充当第三层物料的收集箱。底层出料口2在外框架的侧面，通过振动电动机，再加上筛面有一定的倾斜角度[2]，筛分到底层的物料在激振力的作用下会从底层出料口2流出。上层出料口4和中层出料口5的工作原理与此相同。出料口结构如图3所示。

图3 出料口结构

1.5 振动结构设计

振动结构主要包括振动电动机1、螺栓2、螺母3、电动机固定板加固件4、电动机固定板5等零件，如图4所示。总体来讲，该课题所研究的直线振动筛选机唯一的动力源就是振动电动机1，所以振动电动机的性能直接决定了该直线振动筛选机筛分物料的速率与效果。合理选择振动电动机1是保证该直线振动筛选机质量和能效的关键，本文采用双电动机驱动，动力更强，还可以针对所要筛分物料的不同进行调节[3]。电动机固定板加固件4用来增加电动机固定板5的强度，在机器持续、强烈地激振中，振动电动机上的安装螺栓2及螺母3很容易发生松动，而且在持续振动下，会导致电动机固定板5疲劳损伤，因此，电动机固定板加固件4也起到了格外重要的作用。由于电动机固定板5及电动机固定板加固件4都是以焊接的方式连接而成的，所以焊缝质量也要满足设计要求。该振动结构设计以整机振动方式设计，这样的好处在于振动传递明显，利用弹簧支撑整个振动体振动，消耗功率降低，振动传递效果明显，此外还可以减小对钣金件、紧固件、标准间、支撑件等零件的磨损程度[4]。

图4 振动结构

1.6 功能实现说明

直线振动筛选机的立体模型如图5所示，其动力源来自振动电动机[5]。该直线振动筛选机大体上分为两个部分，弹簧以上为振动部分，弹簧以下为支撑部分。在上体部分，通过与振动电动机连接的电动机固定板、与电动机固定板连接的外框架将振动传递至筛网支撑架，以此达到筛分物料的作用。由于上体筛分部分的整体是由4个弹簧支撑起来的，所以振动效果较好，功率消耗降低。进料口的调节挡板可以通过调节其位置高度来控制物料的送入量，此外，为了满足筛分的物料具有多样性，上体的筛分结构采用的是可更换筛网的结构，可以针对不同的物料更换不同的筛网。本文设计的直线振动筛选机，有3层出料口，这样筛分的层次更多，可以满足人们的多样化需求，同时也大大地提高了工作效率。直线振动筛选机在工作时肯定处于晃动状态，所以该机器的后轮采用可以锁死的万向轮进行安装设计，这样可以稳固工作时的机器。

图5 直线振动筛选机

2 振动电动机的选型计算

振动电动机主要参数如表1所示。

表1 YZS振动电动机（YZS-3-4）主要参数表

筛面倾角：α设计为2°，振幅λ=3 mm。

ω可以根据式（1）计算：

式中：ω为振动电动机转速；T1为振动电动机振动周期；g为重力加速度，取9.8 N/kg；α为直线振动筛选机筛网筛面倾斜角度；λ为直线振动筛选机筛面物料振动幅度；n为振动电动机的转速。

代入以上所设的数据得出：ωT1=5.68 mm/s。

通过ωT1可以确定振动电动机的级数，筛分机器一般选用6级振动电动机。

2.1 最大激振力的计算

式中，Σm+Σm0为参与振动的物体质量总和，其构成如下：

式中：ms为筛体的质量；mω为筛面上物料的质量；kω为物料结合系数。

按照本文所设计的直线振动筛选机所要筛选物料的种类及筛分结构的工艺性选择，通过式（1）电动机级数的确定，并结合式（2）可以算出该直线振动筛选机所需要的振动电动机的最大激振力为：Σm0ω2R=3 N。

2.2 振动电动机功率的计算

计算振动电动机的功率，需要先确定偏重惯性力P0，求出偏重转一圈所要消耗的功率A，得到这两个主要参数才能够求出该直线振动筛选机振动电动机的功率。

偏重惯性力计算公式为

功率A计算公式为

振动电动机所需功率计算公式为

式中：n为电动机转速，r/min；k为考虑其他功耗的储备系数，常取1.2～1.5，这里我们取1.3。

代入数据得出N=0.15 kW。根据初步的总体尺寸估算，所以该振动电动机选择三相异步电动机，型号为YZS-3-4，功率为0.18 kW。

3 主要零部件设计说明

3.1 支架材料的确定

支架的底部型钢的尺寸根据先前筛网拟定的总体尺寸来确定。所选用的方形空心型钢拟定尺寸为50 mm×30 mm，厚为2 mm,则型钢截面面积为1.56×10-4m2，该型钢一角所受单个支撑柱载荷力取拟定最大值450 N（方钢低的一侧受最大力）,由于前后两对支撑柱施加的压力不同，所以只需要取压力最大的一端进行分析计算。

可按照公式计算如下：

根据强度条件，该方钢的允许最大轴力为

FNmax取0.46 kN，则计算可得出空心型钢梁所允许的最小截面面积为

可知所选的50 mm×30 mm、厚2 mm、型钢截面面积为1.56×10-4m2的AISI 1020冷轧方形空心型钢符合应用要求。

3.2 支架有限元分析

根据支架在直线振动筛选机中的受力方式分析，主要是支撑柱大圆柱端面处受到较大的正应力，经过数据计算和软件本身的测量，弹簧及其以上部分的总质量为182.283 kg，假设在静载荷下支架所受到的正应力等于上部分的重力，所以支架所受总载荷为1786.373 N，假设支撑柱高度一致，每个支撑柱所受正应力为446.593 N，因为筛网有一定的倾斜角度，所以前后支撑柱受力并不相同，所以经过计算设定，支架后端受力为430 N，前端受力为460 N。对支架进行有限元分析。

3.3 支架有限元分析结果

1）支架应力分析。

从图6中可以看出，支架主要应力位于支撑柱的底部处，最小值为1.556×101N/m2，最大值为1.661×107N/m2，在材料可承受范围之内。

图6 支架应力云图

2）支架位移分析。

对大梁施加载荷后通过有限元分析软件得到其位移分布情况，位移最小值为1.000×10-30mm，最大值为8.797×10-3mm。支架静态位移具体分布情况如图7所示。

图7 支架位移云图

4 产品推广应用效果

该直线振动筛选机试制完成后对其工作性能进行了测试，测试数据如下：振动频率为960 次/min，振幅为3～7 mm，筛面层数为2层，筛面倾角为2°，噪声为55～60 dB，可筛选出尺寸为8～20 mm的物料，生产能力为50 t/h。出厂后得到用户好评，具有以下优点：1）振动幅度小、工作稳定性高、噪声低于其他同类设备；2）因其弹簧和筛网都是可更换的零件，便捷地实现了物料筛分的多样化；3）筛网倾斜角度合理，质心坐标位置恰当，物料流出顺畅。

5 结论

本文所述直线振动筛选机主要零部件均为SolidWorks建模设计，其具体尺寸均按照筛网的尺寸设计调整。零件建模完成后对主要零部件进行有限元分析，根据分析结果对零件进行调整。经过对支架支撑柱及圆柱螺旋压缩弹簧进行有限元分析，得出以上主要零部件的应力、位移及应变分布情况和具体参数，其应力最大值低于零件材料屈服强度，其余参数也均在材料可承受范围之内。各个零部件安全可靠，可以满足使用要求。由于筛网有一定的倾斜角度，这是该直线振动筛选机唯一不稳定的因素，但是这个倾斜角度很小，完全可以忽略不计，此外，通过对该装配体的质心坐标的测量，发现该机器没有倾角和有倾角的质心坐标位置差距很小，在可接受的范围内，设计方案可行。

本文的难点主要在于两个零部件的选择：一是振动电动机的选型；二是弹簧的设计计算。振动电动机要通过功率来选择，而弹簧则需要设定初始值，来计算出主要参数，从而确定弹簧的大小及型号、材料。因为本文设计的振动筛中间只靠弹簧连接，所以这就意味着筛分部分的质量要适中。如果轻了就会导致该振动筛重心不稳，在整机振动的过程中，物料容易出现大幅度地跳动等情况。如果太重则会导致机器不方便拆卸和运输，在持续的运行中，随着时间的推移，在激振力的作用下内部零件会逐渐软化磨损，失去一定的强度，这时就需要更换零件。此外，当筛分的物料有变化或者筛分的形状有要求时，需要换上对应的筛网结构，这时如果筛网的结构不够轻便则会导致工作效率降低。希望在今后的研究工作中能够对以上问题做进一步的探索、实践和提高。