电磁振动给料机原理

种子定量电子秤电磁振动变速

给料的原理与应用

王绍侠高刚华

【摘要】通过对电磁振动给料机基本工作原理的理论分析，论述了定量电子秤电磁振动给料机变速给料的原理并导出变速给料的实用方法，同时还简要介绍了DSCZ-4型种子定量电子秤应用该原理与方法实现变速给料的试验结果，证实了用一套电磁振动给料机通过变速给料分别、先后完成定量电子秤要求的粗、精两个给料过程的合理性与可行性，以及采用这种变速给料的方式与机构具有结构简单、体积小、成本较低和称量斗偏重小等方面的优越性。

叙词：种子电子秤电磁振动

引言

定量电子秤的给料有4种方式：电磁振动给料、自重落料、螺旋输送给料、皮带输送给料。电磁振动给料输送平稳可靠，便于电脑联控，在中小型定量电子秤中应用最广。一般的做法是用两套电振给料机分别完成粗、精给料，以达到电子秤对称量速度与精度的要求。这两套给料机有并排平列及上下叠列两种方式。平列式占据较大空间，同时会形成称量斗偏重而影响精度；叠列式占据空间更大，有时还需另配备一套给料机，为该两套给料机供料，所以结构更为复杂。如果一套电振给料机能分别、先后完成粗、精给料过程，则既可简化结构、缩小体积、降低成本，又可减小因称量斗偏重所产生的误差。为此，要求该给料机必须能变速给料。为了实现这个设想，电磁振动给料机应做到两点，一是物料输送速度能改变，二是给料槽送料截面能改变。后者在结构上、动作

上都不难实现；前者的实现涉及电磁振动给料机的基本原理，必须先从理论上探索其合理性与可行性。

图1 电磁振动给料机作用原理图

1 电磁振动给料机的输送原理

在电磁力的作用下，给料槽的槽体沿S方向作简谐振动，见图1。

β为振动角，G为物料颗粒的重力，N

y 和N

x

分别为槽体对物料颗粒作用

力的垂直分量和水平分量。槽体的位移、速度与加速度分别为

S=a

1

(1-cos2πft)

S′=2πfa

1

sin2πft

S″=4π2f2a

1

cos2πft

式中a

1

——槽体沿S方向的振幅，m f——振动频率，Hz t——时间，s

在物料颗粒随槽体一同运动的阶段，物料颗粒的位移、速度及加速度与槽体是一致的，所以槽体对物料颗粒作用力的垂直分量与水平分量分别为

物料产生抛掷运动的条件是

-G≥0

N

y

即

(1)

/g，T=Ksinβ。其中，K称为机械指数，T称为抛掷指令K=4π2f2a

1

数。

这样式(1)可以简化成

GTcos2πft-G≥0

(2)

当T＜1时，t在任何瞬时式(2)都不能成立，所以物料不能产生抛掷运动。

图2 槽体与物料的垂直位移与槽体的垂直加速度曲线

当T=1、时，cos2πft=1，此时仅能满足N

y

-G=0的临界条件。它的意义是物料刚被抛起，就立即原位落回槽体，实际上仍不能作抛掷运动。

当T＞1时，GTcos2πft-G＞0得到满足，物料就可以被连续抛掷。

图2中y

G 为物料垂直位移，y

R

为槽体的垂直位移，t

s

为物料开始被

抛起的时间，t

a

为物料落回到

槽体的时间。在式(2)得到满足的t

s 瞬间，物料被抛起并在水平分量N

x

的作用下沿抛物线轨迹向前运动，在t

a 瞬间落回到槽体，然后在t

s

+1/f

的瞬间又被抛掷。t

a -t

s

为物料空中运动时间，它可以跨越一个或几个槽

体振动周期。令p为物料运动周期与槽体振动周期的比值，物料的运动

周期为(p)/(f)（p为正整数）。令n

p

为抛掷时间与槽体振动周期之比（称

为跳跃系数），则有（t

a -t

s

）f=n

p

。理论推导可以得出T、n

p

之间的关

系式

图3 物料抛掷跨越(p-1)个槽体振动周期的示意图

与抛掷指数T的关系曲线

图4 跳跃系数n

p

但此式计算很繁琐，已将此式计算后绘制成曲线，如图4，可以从图4中直接查出近似值，设计时较为方便。根据电磁振动给料机基本理论公式，物料输送速度可由式(3)或式(4)计算

(3)

(4)式中η——修正系数，不同物料在输料槽中输送，具有不同的η值，由试验求得

——跳跃系数

g——重力加速度，s2n

p

f——给料槽振动频率，Hz

β——振动角，一般取20°或25°

a

1

——槽体振幅，m K——机械指数

由式(3)、(4)可见，输送速度受f、a

1共同制约，而f、a

1

又通过

相互关联。由此可见，改变电振给料机的频率或振幅，或者二者同时改变，是实现改变送料速度的途径。

图5 电磁振动给料机结构简图

1.连接叉

2.给料槽

3.电磁铁

4.衔铁

5.基座

6.板弹簧

7.减振弹簧

2 电磁振动给料机的振动原理

电磁振动给料机是一个双质点强迫振动系统，图5是它的结构简图，它的结构经过简化可以看作是一个双自由度的双质点强迫振动系统。图

6是该系统运动原理图。图6中m

1

称为前质量，包括图5中的给料槽、

联接叉、衔铁及给料槽中料重的20%；m

2

为后质量，它包括基座、电磁

铁等；板弹簧的质量一般分摊于m

1和m

2

。系统的工作是利用机械共振的

原理，以较小的功率消耗，产生较大的机械效能。根据双质点振动系统强迫振动的运动学与动力学的研究，这两个质点的振幅与它们各自的质

量成反比，即有m

1/m

2

=a

2

/a

1

，根据振动力学进一步推导可以论证（本文

从略），这种双质点振动系统的强迫振动的固有频率可以简化成一个折算质量为m、弹簧刚度为k的单质点强迫振动系统的固有频率来计算，如图7所示。这个系统的两个重要参数计算方法如下

式中m——折算质量ω

——系统固有角频率，rad/s

k——弹簧刚度

图6 双自由度的双质点强迫振动系统运动原理图

图7 单质点强迫振动系统图

这个系统力的平衡方程式为

m x″+(r+c)x′+kx=Fsin(ωt+φ)

式中x——相对位移r、c——系统的外阻力系数与内阻力系数F——激振力φ——起始相位角

ω——激振角频率

这个方程的特解为

经过移项，上式又可写为

式中λ——动力系数A——相对振幅，m

——在力F的作用下，振动系统ε——力与位移的相位角X

st

弹簧的最大静变形

x

——振动系统弹簧的瞬时变形

st

由机械振动学可知，有阻尼的单自由度强迫振动系统中，其动力系数λ与调谐值Z及衰减系数b之间有如下关系

(5)

式中n——阻尼系数，h——与速度成正比的阻力系数，h=r+c

b——衰减系数，

图8 动力系数λ和调谐值Z的关系曲线

图8是λ、Z的函数曲线，b是参变数。由图8可以得出以下结论：动力系数λ的意义就是双质点振动系统在激振力F作用下的相对振

幅A与主弹簧在F力下的静变形X

st 之比，即λ=A/X

st

。由图8可看出，

在近共振区工作时(ω/ω

0≈1) ，动力系数总是大于1，即λ=A/X

st

>>1。

电磁振动给料机利用这种机械共振原理，以较小的激振力得到所需的相

对振幅。为了保证系统工作的稳定性，工作点选在Z=ω/ω

略小于1的位置（一般在左右）。

3 电磁振动给料机给料量的调整方法

一套电磁振动给料机分别、先后完成粗、精给料过程，这就要求该给料机在工作中至少有两种给料量的工作状态可供切换。为此要求该给料机给料槽的截面可以调整（即改变给料层厚度），同时物料输送速度也应能调整。

图9 控料机构结构简图

1.给料槽

2.连杆

3.控料

板 4.弹簧 5.支架 6.电磁铁

给料槽截面的调整

给料槽截面调整不难实现。图9是一套控料机构的结构简图。控料电磁铁的电源由电子秤执行电脑控制其通断，粗、精给料分别对应控料板大小两种不同开度，完全由执行电脑控制。这样一套控料机构既简单可靠，又容易由电脑准确联控。

物料输送速度的调整方法

由前所述，物料输送速度与激振频率f成反比，与给料槽的振幅a

1平方根成正比。f改变导致振动系统调谐值Z的改变，从而工作偏离共

振区，降低工作效能或工作稳定性变差。所以只有调整给料槽单振幅a

1来调整物料输送速度才是切实可行的。

下面详细阐述通过调整给料槽单振幅a

来调整物料输送速度的有关

1

问题与实现途径。

a 1是振动系统前质量m

1

的单振幅，它与后质量m

2

的单振幅a

2

的关系

为：a

1/a

2

=m

2

/m

1

。又如前所述，动力系数λ=A/X

st

,X

st

为在激振力F的作

用下弹簧的最大静变形，所以X

st

=F/k，因此就有λ=Ak/F和F=Ak/λ。将式(5)代入F=Ak/λ式，则有

(6)

由于有m

1/m

2

=a

2

/a

1

，则折算质量

又因，将此式代入式(6)，则有

如果略去阻尼系数，则

(7)

根据电磁力的计算公式，半波整流激磁的激振力应为

(8)

比较式(7)、(8)得

(9)

式中U——交流电源电压，V f

——系统固有频率，Hz

w——电磁铁线圈匝数S——磁极总面积，m2

当给料机既定，除a

1

、U以外，所有参数均为常量。由式(9)可见，

U与成正比。而由式(4)可见，物料输送速度V

cp

与也成正比。

所以，物料输送速度V

cp

与交流电源电压U成正比。由此可见，调整交流

电源电压即可实现对物料输送速度V

cp

的调整。

4 DSCZ-4种子定量电子秤电磁振动给料系统

DSCZ-4种子定量电子秤是种子计量包装线中关键设备。该系统给料

机按粗给料的给料速度和料层厚度设计它的基本参数，然后根据精给料

的要求，计算精给料时的给料速度和料层厚度，再根据前节的探讨，大

体计算精给料时的电源电压。

给料机粗给料时的基本参数

取K=，β=20°，T=Ksinβ=，p=1，m

1=，m

2

=。

给料槽截面上口，下口，高度H=

振动角β=20°电磁铁铁芯截面S=×10-3 m2交流电压U=220V线圈匝数w=1417

调谐值Z=f/f

0=，f=50Hz固有频率f

=

前单振幅a

1=后单振幅a

2

=

取n

p

=，以稻种为计算物料，取η=。根据式(3)求出粗给料的输送

速度为V

cp

=s。

精给料的参数确定

精给料需保证在规定的时间内，补足剩余的称量值，这里精度要求是首先需要保证的。根据DSCZ-4定量电子称的主控电脑的采样速度和称量精度要求，精给料时的给料量在2s之内，不大于。以稻种为例，精给料时给料槽开度（即料层厚度）取为宜。这时输送速度可以由下式计算

式中Q——物料单位时间输送量，kg/s，这里取Q=s

R——物料密度，稻种为550kg/m3s——料层截面，m2

计算得，V

cp = s。则由式(3)可得n

p

=。由图4查得，当n

p

=时，T= 。

由T=Ksinβ,得K=（粗给料时取K=）。

根据K=4π2f2a

1/g,则a

1

=Kg/(4π2f2)=（粗给料时a

1

= ）。

将Z=，f=50Hz,f

0=,w=1417,m

1

=，a

1

=,s=×10-3，代入式(9)得U=。由

于计算时忽略阻尼值，所以实际选用时先用调压器从60V开始逐渐升压，试验其效果，最终选用80V。

5 结论

(1) 调整激振电压以实现电磁振动给料机物料输送速度的调整，在

原理上和实用上是合理可行的。

(2) 电磁振动给料机通过改变激振电压和改变送料截面实现变速给料是合理可行的。

(3) 用一套变速给料的电磁振动给料机为定量电子秤给料，可以分别、先后完成粗、精两个给料过程，从而使给料机构结构简化，缩小了体积，降低了成本，同时减小了因称量斗偏重所产生的误差。

收稿日期：

王绍侠农业部南京农业机械化研究所高级工程师， 210014 南京市

高刚华农业部南京农业机械化研究所高级工程师

参考文献

1 机械工程手册、电机工程手册编辑委员会编辑组.机械工程手册(4卷第21篇第2、7章).北京：机械工业出版社，1982.

2 清华大学力学系编.机械振动(上册第2、3章).北京：机械工业出版社，1980.

3 ［美］谢 F S，摩尔 I Z，享克 R T 等著.机械振动——理论及应用.沈文均，张景绘译.北京：国防工业出版社，1984.

4 电磁振动给料机.北京：机械工业出版社，1973.

5 闻邦春，刘凤翘.机械振动的理论及应用.北京：机械工业出版社，1982.

THE PRINCIPLE AND TEST OF VARIABLE

FEEDS BY ELECTROMAGNETIC VIBRATION FOR THE

SEED ELECTRON BALANCE

Wang Shaoxia Gao Ganghua

(Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization，

Ministry of Agriculture)

Abstract

Key words Seeds, Electron balance, Electromagnetic vibration