1 緒論 

1.1  課題研背景、目的和意義
我國糧食的收獲機(jī)械化程度不斷提高，隨之產(chǎn)生的糧食中的雜質(zhì)（特別是秸稈段）增加嚴(yán)重，糧食收獲后沒有有效配套的清理技術(shù)及設(shè)備，造成商品糧的含雜率大幅度上升，雜質(zhì)中充填有大量的秸稈和糠皮，在儲存過程中極容易發(fā)熱，發(fā)生蟲害、霉變、污染，直接造成糧食損失甚至達(dá)到 6%左右，對下游的糧食加工帶來了很大的影響，嚴(yán)重影響了加工產(chǎn)品的質(zhì)量，增加了加工企業(yè)的成本。 我國糧食種植采用的是一家一戶或一定規(guī)模的土地承包種植模式，雖然在收獲糧食時大部分都采用了機(jī)械化收割，但是糧食的收獲及產(chǎn)后處理也是采用傳統(tǒng)的一家一戶形式，基本無連續(xù)的產(chǎn)后清理，只是通過機(jī)械收獲后，將糧食搬運(yùn)至家中各自晾曬后直接出售或自己保存，在晾曬過程中可能會采用人工方式進(jìn)行簡單粗糙的雜質(zhì)清理，且勞動強(qiáng)度大，無規(guī)范、無要求、無標(biāo)準(zhǔn)，隨意性大，甚至沒有進(jìn)行基本清理的原糧直接出售，以致糧食中出現(xiàn)大量雜質(zhì)，特別是大雜（秸稈等）直接進(jìn)入到糧庫和糧食加工企業(yè)，而機(jī)械收獲時產(chǎn)生的秸稈段數(shù)量多，不僅嚴(yán)重影響糧食的存儲，而且很容易產(chǎn)生糧食發(fā)熱變質(zhì)，其現(xiàn)象相當(dāng)普遍，造成糧食損失，甚至對加工出來產(chǎn)品的質(zhì)量造成一定的影響，同時糧庫及部分加工企業(yè)收購時進(jìn)行的簡單出清理產(chǎn)生的雜質(zhì)，又存在運(yùn)輸?shù)膯栴}，造成無謂的運(yùn)進(jìn)運(yùn)出循環(huán)浪費。 受糧食種植模式的制約，我國在糧食收獲后田間地頭的及時清理技術(shù)的研究處于空白，既無糧食產(chǎn)后清理技術(shù)的研究也無專用的糧食產(chǎn)后的清理裝備。由于收獲后的原糧中存在較多雜質(zhì)（特別是秸稈段），糧食加工過程中需要采用中復(fù)雜的清理技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行清理，清理成本加大的同時又得考慮大量清理出的雜質(zhì)的處理問題。所以，無糧食產(chǎn)后清理技術(shù)及裝備、不僅會使糧食中的雜質(zhì)含量增高，也造成雜質(zhì)循環(huán)重復(fù)運(yùn)輸?shù)睦速M，更使糧食儲存發(fā)熱霉變可能性增大。 
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1.2  國內(nèi)外目前研究發(fā)展現(xiàn)狀
自上世紀(jì) 70 年代以來，人們開始使用有限元分析法對多種振動機(jī)械作了動態(tài)特性和靜強(qiáng)度的計算分析，積累了較多的經(jīng)驗。其中馬富強(qiáng)等人利用有限元程序?qū)Υ笮驼駝雍Y進(jìn)行了振動計算和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，通過對篩箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行大修改，并結(jié)合有限元分析軟件，研究發(fā)現(xiàn)僅通過將裝于側(cè)板上的護(hù)板做成整體這一局部的變化，即可將第二階固有頻率(16.11Hz)提高到（20Hz）左右。此時對篩箱結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力集中問題得到了很好的改善，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。河南洛陽礦山機(jī)械研究所的高級工程師劉戀華對于對具有自同步激振器的振動篩的運(yùn)動作了分析；用有限元結(jié)構(gòu)分析程序計算分析了大型振動篩的篩框強(qiáng)度。研究得到對于直線振動篩，振動方向角受彈簧的垂直、水平方向剛度的影響，設(shè)計時應(yīng)該考慮；對于處于振動狀態(tài)下的機(jī)體，一定要加強(qiáng)整體的剛性，使篩框(不包括彈簧)的一階固有頻率偏離篩分機(jī)的工作頻率，以免產(chǎn)生共振現(xiàn)象。王志偉、孟玲琴通過對直線振動篩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動模態(tài)分析，得到了篩分機(jī)系統(tǒng)的各階固有頻率和振型圖；即通過對系統(tǒng)頻率和振型的研究，可更準(zhǔn)確的預(yù)測篩箱上容易發(fā)生破壞的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了依據(jù)，有利于提高振動篩分機(jī)的使用壽命與可靠性。 2008 年宮美英在大型振動篩系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)的動力學(xué)研究中介紹了建立振動系統(tǒng)微分方程的基本方法，結(jié)合拉格朗日法的原理與方法建立了大型直線振動篩振動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合有限元仿真軟件對振動篩進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)和系統(tǒng)動力學(xué)分析，給出了該機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率以及運(yùn)動軌跡方程的表達(dá)式。 
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2 振動清理篩的動力學(xué)分析 

本章將以 TQLZ100×200 振動清理篩為研究對象，基于拉格朗日能量原理，結(jié)合振動清理篩正常工作下的激勵、約束條件為邊界條件，建立 TQLZ100?200 的高效振動清理篩的力學(xué)模型與運(yùn)動微分方程，并對微分方程進(jìn)行數(shù)值求解，以探究系統(tǒng)支撐彈簧材料以及橡膠彈簧理論模型的選取。為后續(xù)對振動清理篩的分析提供基礎(chǔ)。

2.1  振動清理篩的結(jié)構(gòu)組成
振動清理篩的篩體是由鋼板焊接及螺栓連接組成的，篩體與支撐機(jī)架之間的連接是通過中空的橡膠彈簧支架來實現(xiàn)的。抽屜式的兩層篩格通過導(dǎo)軌支撐、沖孔薄鋼板篩面內(nèi)置于木質(zhì)篩格上，篩面上通過設(shè)有橡皮球?qū)崿F(xiàn)篩面的清理。篩體傾角的可調(diào)范圍為??21~0 。由壓緊機(jī)構(gòu)將篩格鎖緊固定，在更換篩面時需松開壓緊機(jī)構(gòu)，然后將篩格抽出。TQLZ100×200  型振動清理篩采用兩個完全相同的振動電機(jī)來提供驅(qū)力，振動電機(jī)是由四只螺栓固定于安裝圓盤上，他們分別對稱地固定安裝在篩體兩側(cè)的電機(jī)底座上，并且兩個振動電機(jī)的軸心連線通過篩體的質(zhì)心。振動角的調(diào)節(jié)是通過松開固定電機(jī)底座的螺栓，然后電機(jī)可以連同底座一起繞其中心軸旋轉(zhuǎn)，從而改變電機(jī)的安裝角度來實現(xiàn)的。一般振動角在 45~0?? 范圍內(nèi)可調(diào)。兩個可以旋轉(zhuǎn)的偏重分別安裝在振動電機(jī)轉(zhuǎn)軸的兩端，通過振動電機(jī)帶動偏重旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心力，進(jìn)而驅(qū)動振動篩體工作。  
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2.2  振動篩的工作原理  
TQLZ100×200  型振動清理篩最突出的特點是，運(yùn)用連接在支撐架之上的四組橡膠彈簧來支撐篩體，其驅(qū)動力則是通過采用兩個振動電機(jī)的振動來實現(xiàn)的。兩個振動電機(jī)同時開始運(yùn)轉(zhuǎn)，并且旋轉(zhuǎn)的方向相反時，二者所提供的激振力，在與電機(jī)的軸線相平行的方向上抵消，而在與電機(jī)的軸線相垂直的方向上進(jìn)行疊加，從而使篩體在這一簡諧力的作用下做往復(fù)直線振動? ?26。而且兩個電機(jī)在安裝時，其軸線和篩面存有一定的傾斜角度，從而使物料在其自身重力以及激振力的共同作用下，在篩面上彈跳式地不斷向前運(yùn)動，并近似為直線軌跡運(yùn)動，從而使物料達(dá)到自動分級。  振動清理篩的篩分工作主要是通過篩箱來實現(xiàn)的。振動清理篩在工作的過程中，物料最先由進(jìn)料口偏心錐形管通過軟布套筒進(jìn)入到進(jìn)料箱，再經(jīng)過可調(diào)勻料閘門和分料板，可以在篩寬方向上均勻的分布，進(jìn)而進(jìn)入篩格，在激振力的作用下，篩箱按照一定的運(yùn)動軌跡進(jìn)行振動，從而迫使物料在其振動過程中不斷的向前運(yùn)動。在此過程中，物料是通過篩格實現(xiàn)分層的，也就是顆粒直徑比篩孔大的大、中型雜質(zhì)物料，就會在第一層篩面清理后，從篩體尾端側(cè)面的大雜出料口排出。篩分過程分為兩個階段，第一階段，比篩孔尺寸小的篩分物穿過物料層到達(dá)第二層篩面繼續(xù)進(jìn)行篩理；其中第二層篩面是除小雜的篩面，篩孔的尺寸小于篩分物的直徑尺寸。第二階段，細(xì)顆粒通過篩孔直接落入底板上，并由小雜出進(jìn)口排出。而篩上物是物料主流，從卸料口送出機(jī)外，這樣就形成了一個完整的篩分過程。  
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3  振動清理篩的振動特性仿真與研究 ..... 19 
3.1  仿真模型的建立 ...... 19 
3.2  改變彈簧剛度振動清理篩的運(yùn)動仿真 ..... 21 
3.3  改變彈簧支撐在豎直方向上的位置振動清理篩的運(yùn)動仿真 .... 24 
3.4  本章小結(jié) .... 26 
4  振動清理篩的模態(tài)分析與諧響應(yīng)分析 ........ 27 
4.1  振動清理篩的模態(tài)分析 ........ 27 
4.2  振動篩篩箱的諧響應(yīng)分析 .... 39
4.3  本章小結(jié) .... 48 
5  振動清理篩的振動測試 .... 49 
5.1  振動測試?yán)碚?.......... 49 
5.2  振動試驗及結(jié)果分析 ..... 51 
5.2.1  試驗設(shè)備 ....... 51 
5.2.2  試驗步驟 ....... 52 
5.3  測試結(jié)果 .... 53 
5.4  本章小結(jié) .... 63 

5  振動清理篩的振動測試 

本章結(jié)合 SO  Analyzer 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)對 TQLZ 200100? 振動清理篩進(jìn)行現(xiàn)場振動測試，了解振動清理篩的實際振動中的時域特性與頻譜特性，并將分析結(jié)果與第四章中的有限元分析仿真的結(jié)果進(jìn)行比較。驗證有限元動力分析的合理性。 

5.1  振動測試?yán)碚?nbsp;

振動測試的一個重要應(yīng)用就是要獲得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。模態(tài)試驗不僅可以獲得一組可靠的模態(tài)參數(shù)，而且可以獲得結(jié)構(gòu)的阻尼和剛度等重要數(shù)據(jù)。振動測試的另一個重要應(yīng)用使對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行在線檢測和故障診斷，利用振動測試對重大設(shè)備進(jìn)行在線的、實時的狀態(tài)檢測或故障診斷，以便提前發(fā)現(xiàn)故障隱患，增加機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性和提高設(shè)備的利用率，并減少停機(jī)時間和降低維修費用�；谡駝訙y試的在線檢測和故障診斷技術(shù)還可以用于控制工廠產(chǎn)品質(zhì)量，杜絕不合格產(chǎn)品出廠。 振動問題由脈動(輸入)、振動結(jié)構(gòu)(系統(tǒng))和響應(yīng)(輸出)三部分組成。試驗?zāi)B(tài)分析的主要內(nèi)容包括:首先，通過試驗測得脈動激勵和響應(yīng)的時問歷程，運(yùn)用數(shù)字信號處理技術(shù)求得頻響函數(shù)或脈沖響應(yīng)函數(shù)；其次，運(yùn)用參數(shù)識別方法，求得系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)；最后，確定系統(tǒng)的物理參數(shù)。因此，試驗?zāi)B(tài)分析是綜合運(yùn)用線性振動理論、動態(tài)測試技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)和參數(shù)識別等手段，進(jìn)行系統(tǒng)識別的過程。 結(jié)構(gòu)的試驗?zāi)B(tài)分析首先要測量頻響函數(shù)，然后用模態(tài)分析軟件對頻響函數(shù)進(jìn)行分析，識別出結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。頻率響應(yīng)函數(shù)是線性動力系統(tǒng)的固有特性，與激振函數(shù)的類型無關(guān)。 

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結(jié)論 

本課題是河南省重大科技專項“糧食產(chǎn)后清理技術(shù)與關(guān)鍵裝備的集成研究及示范”（項目編號：121199110120）的基礎(chǔ)上，根據(jù) TQLZ100-200 振動清理篩的具體特征，利用能量原理建立了系統(tǒng)的動力學(xué)模型，，并結(jié)合仿真軟件對其進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析；運(yùn)用有限元理論，以有限元分析軟件 Ansys workbench 為主要工具，對振動篩篩箱進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究，并結(jié)合實驗對其進(jìn)行振動測試。 
（1）利用朗格朗日方程建立了 TQLZ100-200 振動清理篩的運(yùn)動微分方程，采用數(shù)值方法對微分方程進(jìn)行了求解分析，并推導(dǎo)出了其相關(guān)的理論參數(shù)。 
（2）在三維建模的基礎(chǔ)上，結(jié)合運(yùn)動學(xué)分析軟件 ADAMS，對 TQLZ100-200 振動清理篩的原始模型進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真研究，得出了振動清理篩在各個方向的運(yùn)動振幅。并通過改變彈簧剛度參數(shù)、彈簧支座在豎直方向上的位置，對新模型進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)的仿真研究，得出在一定的取值范圍內(nèi)通過改變彈簧剛度參數(shù)，或者小幅度的調(diào)整彈簧支座在豎直方向上的位置不會改變新模型的運(yùn)動幅值。  
（3）運(yùn)用有限元分析軟件  ANSYS Workbench，分別對原始模型與新模型進(jìn)行了模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析得出了振動清理篩的前 10 階模態(tài)、應(yīng)力分布云圖。并通過調(diào)節(jié)彈簧支撐在豎直方向不同位置的每個模型的有限元分析結(jié)果進(jìn)行了分析對比，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后振動篩篩箱的固有頻率值及相應(yīng)振型與改進(jìn)前的差別很小，不會發(fā)生共振的現(xiàn)象，且其結(jié)構(gòu)的剛度以及強(qiáng)度均能夠滿足實際要求，同時也為結(jié)構(gòu)的設(shè)計改進(jìn)提供了依據(jù)。 
（4）通過 SO Analyzer 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)對 TQLZ 200100? 振動清理篩進(jìn)行現(xiàn)場振動測試，所得各測試點的振動頻率的值都比較接近，并與第四章有限元仿真分析的結(jié)果相一致，從而驗證了仿真分析的正確性。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：150029