振动给料机的研究与发展趋势

振动给料机的研究与发展趋势

振动给料机是一种广泛应用的给料设备, 先后经历了电磁振动、电机振动、机械振动的发展过程。广泛应用在冶金、煤炭、电力、化工、建材、轻工和粮食等行业中, 与其他设备配套, 实现给料、喂料、配料、定量包装和流程自动化作业。在冶金矿山, 主要用在溜井放矿、转载装车、选矿破碎给料作业; 在煤矿, 主要用在井下转载, 箕斗下转载, 原煤仓下配煤、精煤仓下装车和洗选机均匀给料等作业; 包装行业, 主要用于定量包装秤给料机构和定量包装系统; 在水泥生产中, 用于混凝土搅拌站水泥的给料; 在化工行业, 主要用于为化肥生产定量给料。本文只对振动给料机的发展历程、应用效果, 特别是研究现状等方面加以综述, 并对振动给料机的研究发展趋势提出自己的看法。

1、振动给料机的发展沿革

20世纪 50年代初, 由连杆及偏心轴传动的K型机械式往复给料机广泛运用在矿井生产中,特别是煤矿井下。该机型结构简单, 动力消耗较大, 设备笨重, 处理量小且成间接成堆式不均匀给料。但该机型维修量小、耐用, 布置所需高度低, 且对物料的粒度组成、外在水分等物理性质要求不严。随着矿井机械化程度的提高, 这种振动给料机已无法满足生产的需要。进入 20世纪 60年代, 随着生产技术的发展,通过引入国外先进设备, 出现了电磁振动给料机, 并迅速得到广泛应用。电磁振动给煤机属于双质体共振型, 其相对于 K型给煤机具有处理能力大、结构紧凑、重量轻、可无极调速以及电耗少等特点, 在全国得到推广, 颇受用户欢迎。然而,经过使用发现电磁振动给料机故障较多, 如衔铁损坏, 无振幅不走料, 板弹簧断裂, 板弹簧顶紧螺栓松动, 铁芯与衔铁间气隙的大小以及板弹簧片数调整不当, 易造成电流加大、振幅减小和不能正常运转, 严重者将产生铁芯碰撞而导致铁芯和线圈的损坏; 工作时噪声大, 不宜输送极细的或潮湿的粘性粉状物以及输送距离短。这一系列问题限制了电磁振动给料机的进一步发展。

20世纪 80年代中期, 中国开始生产电机振动给料机 ( GZG, MZG型 ), GZG 型电机振动给料机是以振动电机为激振源, 根据双电机自同步原理而设计, 该机型尽管存在着电机易坏、槽体振裂、维修工作量大等问题, 但经过实践应用, 证明其性能优于电磁振动给料机。

GZY型惯性机械振动型振动给料机是在上述背景下于 20世纪 80年代末研制发展起来的,

GZY型振动给料机引用国外的先进技术, 通过挠性连接将激振器与普通电机相连接, 电机只传动不参振, 运转可靠, 维修工作量小, 给料通畅, 对运输物料的水分和粘度的适应性强, 不粘物, 槽底还可加铺耐磨衬板。但是此种振动给料机噪音大, 漏油严重, 给料量调整困难, 基于以上缺点, 设计出现了一种由两台电机同时分别驱动两根偏心轴的惯性振动给料机, 这种振动给料机由两台电机控制同步运转, 两轴间无齿轮传动,减小了噪声, 润滑方便。

XJG型惯性共振式振动给料机是继往复式给煤机、电磁振动给料机、自同步惯性振动给料机之后, 综合其优缺点,参考了国外近期使用和引进的设备, 研制成的又一种新型给料设备, 也是中国首次开发的新产品, 其受力状态较好, 动力消

耗小, 噪声低, 开停机平稳。

20世纪 80年代末 90年代初, 根据现场使用需要, 各种新型振动给料机应运而生。芬兰 Rox-on公司 (前称 kone工程公司 )设计制造了一种将重型板式喂料机与筛分机有效结合在一起的、结构形式新颖的棒条振动给料机, 具有筛分、输送双功能, 适用于选矿、建材和化学等工业部门, 特别适用于黑色、有色金属矿石、建筑石料粗碎前的给料。意大利 ORU 公司生产的用于现场制备混凝土的Autoforcula 1040型等混凝土搅拌站, 采用了以电机为动力的篦形振动给料机,该种给料机用于凝土搅拌站水泥的给料; 济南铸造锻压机械研究所制造了一种多层槽振动给料机, 将槽体分成上、下两层或多层空间, 可提高料槽工作面对物料的速度传递效率, 提高生产率。

2、振动给料机的研究现状

在中国振动给料机的发展历程中, 对其研究主要集中在以下几个方面。

2. 1、关于物料结合状态的研究

振动给料机在输送物料时的振动参数受被输送物料的影响, 物料主要影响给料机的参振质量和阻尼, 物料结合系数与阻尼系数的确定在振动给料机的设计中占有较大比重。闻邦椿院士在这方面做了相关的研究, 推导出了物料结合系数的计算公式, 证明了理论计算的物料结合系数基本上适合工程实际的情况。不同形式振动给料机的物料结合系数不同, 国内外学者分别对工作面无倾角和有倾角的振动给料机系统进行了讨论, 分析结果表明: 当工作面有倾角时物料结合系数比工作面无倾角时小; 物料结合系数与阻尼系数随着振幅的增大而减小, 其中物料结合系数减小较快。对于单质体弹性连杆振动给料机, 物料滑行输送时, 决定物料结合系数的主要因素是物料与槽体之间的摩擦系数和槽体倾角。

2. 2、关于系统运动学与动力学的研究

振动给料机机械系统的振动特性和动力学参数对给料效果有重要影响。振动给料机按机械系统结构的力学原理, 主要分为单质体和双质体两大类, 对工程中常用的振动给料机, 大都采用单质体集中质量力学模型, 构成单自由度线性振动系统。对于单电机振动给料机, 通过理论研究, 建立振动给料机的力学模型和运动微分方程, 证明单电机立式安装优越于卧式, 同时为避免槽体摆动给料机设计安装时必须满足一定的条件。对于双轴 (或 )双电机振动给料机, 分为双机竖置和双机横置两种结构形式, 目前对其振动理论以及动力学参数的研究日趋完善, 在研究其摆振时, 通过建立双电机自同步振动给料机的三自由度力学模型, 进行动力学分析, 在此基础上得出了机体不出现摇摆振动的条件。

在考虑既有粘性阻尼又有摩擦阻尼的情况下的振动给料机, 对其建立力学模型和微分方程, 可知粘性阻尼和摩擦阻尼对给料机的振幅有所影响; 利用离散元方法对颗粒在振动给料机中的运动过程进行数值研究, 发现振动给料机中颗粒运动随振动参数变化而变化; 对多轴振动给料机的研究, 分析出了其最大给料速度和极限速度; 对振动给料机进行实测研究, 得到了给料机的激振力、倾角、振动方向角和入料口厚度与生产率及电参数的关系, 并找到了各参数之间的最优组合。此外对振动给料机进行优化设计及运动仿真, 对部件进行参数化设计、装配及结构分析也都取得了一定的成果。

2. 3、关于给料槽强度的研究

解决振动给料机结构强度问题是发展大型振动给料机、提高处理能力的关

键。在振动给料机各种零部件中, 给料槽是最重要的部件, 在激振力交变载荷作用下, 它的损坏形式一般是侧板和横梁的疲劳断裂。其原因主要为: 应力过大、应力集中、存在高次应力谐波、材料选择不合理、结构形式不合理、断面形状和尺寸厚度选择不恰当等等。另外侧板与横梁的联接方式、振动电机的安装位置等对结构强度也有较大的影响。目前对整个给料槽动强度研究所采用的主要方法是弹性力学有限元的分析方法。在对给料槽侧板的分析中除利用有限元方法外, 也采用模态综合分析技术计算前 4- 8阶模态。研究表明, 当某一阶固有频率与工频接近时, 侧板的相对扭曲变形明显增大, 因而与工频接近的模态及其阵型对其动强度的影响应当加以重视。

2. 4、关于给料自动控制的研究

振动给料机给料的准确控制直接影响到生产的效益与质量, 采用单片机可控制电磁振动给料机均匀给料, 具有结构简单, 易于调节, 工作稳定和远距离微机控制等特点, 可实现生产流程的集中控制和自动控制提出了对惯性给料机的振动电机转速的 PID控制策略, 并进行了仿真研究。文献介绍了一种通过SSR来完成调速控制的新方法, 已在多种类型的定量秤

和配料秤中使用。经实践证明, 该控制方法具有工作可靠、寿命长、无噪声、开关速度快和抗干扰能力强等优点。国内从 20世纪 80年代初已有变频调速技术的应用, 使用变频调速器, 可以对电机实施软启动及制动, 保护电机, 也可以连续调节电机振动频率, 改变输料量, 在焦家金矿和铜坑抛废工程以及大型火电厂自动输煤系统应用中均取得了很好的效果。此外通过半波能耗制动, 可有效地消除振动给料机的余振导致多给料引起原燃料消耗的增加, 提高给料的精确度。

2. 5、关于隔振效果的研究

目前振动给料机主要有吊挂式和支座式两种安装方式, 选择哪种安装方式要根据给料机的安装环境、振动程度以及给料要求等因素综合考虑。需要对振动给料机的隔振弹簧刚度和弹簧的位置进行计算或采用优化设计的方法对振动给料机隔振参数进行优化计算, 以确定弹簧参数。分别介绍了振动给料机的一次隔振和二次隔振系统隔振参数的计算方法和设计参数的选取, 对振动给料机的隔振理论进行了详细的分析, 该设计方法在德兴铜矿等许多矿山的应用中得到有力的证实。此外采用混合隔振技术, 选取合适的主动控制反馈变量和反馈增益, 可以使系统处于最佳工作效率状态。

2. 6、关于反共振原理的研究

振动给料机是利用振动来完成物料输送的机械, 现有振动输送机种类较多, 但是它们的激振电机一般都直接参与振动, 这样不但振动电机的使用寿命缩短, 而且振动质量也较大, 耗能多。采用双自由度反共振原理设计出新型的反共振振动给料机能使电动机不振动, 而振动却通过弹簧传到振动料槽, 达到振动给料的目的; 采用多自由度的反共振原理, 对电磁振动给料机作改进, 电磁铁间的振幅不用很大就能使料槽产生较大的振动, 增大了电磁铁的稳定性, 具有很好的隔振效果。

2. 7、关于自同步理论的研究

国内从 20世纪 80年代初就出现了关于振动给料机的自同步理论研究, 目前只有在双电机振动给料机和双轴机械式振动给料机上应用。李宗斌等人在闻邦春院士研究的基础上, 通过建立双电机自同步振动给料机的力学模型, 进行动

力学分析, 研究得出了振动给料机同步性判据和稳定性判据的计算公式; 此外刘宗时等人采用普通双电机把自同步理论实际运用到给料机上,由电机挠性驱动装在给料机上的反向旋转偏心轴作用下实现直线振动, 电机不参振, 大大提高了给料机的可靠性和使用寿命。

2. 8、关于噪声的分析与控制研究

振动给料机的噪声大都在 70dB以上, 分析其噪声来源, 主要有振动电机转动部分的不平衡, 机体各相对运动件之间的相对运动, 给料机横梁、侧板等钢制构件的弹性振动, 物料对给料槽底板的冲击以及螺旋弹簧的振动碰撞等。对振动给料机噪声频谱分析表明, 当激振器频率与料槽弹性振动的某一阶固有频率相近时, 将引起料槽弹性体的强烈振动和噪声。在已有的研究中提出的降噪措施主要有采用小尺寸高精度的轴承, 从而减缓内外圈与滚动体之间的撞击; 对给料槽横梁和侧板采用适宜刚度以减小弹性振动引起的声辐射。多采用橡胶等非金属材料, 如橡胶复合弹簧和挠性连轴器等以减少钢制件的直接撞击, 以及采用吸声法来降低噪声。

3、国内振动给料机的发展趋势

工业的发展对振动给料机的品种和质量要求愈来愈高, 从而使振动给料机的发展提高到了一个新的阶段。综合国内外振动给料机的应用状况, 以及以上各类给料机的发展历程及研究现状可以看出, 中国振动给料机的发展趋势主要有以下几个方面:

1)提高元部件性能和可靠性, 降低维护量,设备开机率的高低主要取决于元部件的性能和可靠性。振动机械的新技术和新产品的开发和应用, 仍是今后非常值得重视的问题。如高性能可控软启动技术、动态分析与监控技术等, 使给料机性能得到进一步提高。新材料新工艺的采用, 特别是高性能材料的采用方面要进一步研究, 以减轻振动机械的重量, 提高其产品的质量,采用非金属元部件, 如橡胶弹簧、复合弹簧以及玻璃板簧等, 大大提高振动机械的运转稳定性。

2) 振动给料机有向大型化方向发展的可能性, 但在一段时期内, 将重点研究和研制结构新颖受力状态良好的振动给料机, 突破传统振动给料机结构的设计模式。由于经济发展的需要, 将迫使人们研制较大型振动给料机, 以提高处理能力, 适应高产高效集约化生产需要, 但是大型振动给料机的发展, 尚需在结构强度方面进行更深入的探讨, 以提高其运转的可靠性。

3) 向标准化、系列化、通用化发展。这是便于设计、组织专业化生产、保证质量和降低成本的途径。向高效率高产量化发展, 工业的现代化进程促使企业规模增大、生产能力大大提高, 需要高效高产能给料机与之配套, 促使企业开发与其他设备配套的专用振动给料机, 以满足生产给料要求。

4)不断改进振动给料机的控制、调节性能,使振动给料机始终保持高效的工作状态。料槽角度可调以适应处理量的要求, 振动形式可调以适应不同物料和给料效率的要求, 其中激振器的研究应该是一个发展方向。

5)降低动力消耗, 减小噪声, 达到更加环保和人性化设计。