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湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院
全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計
板栗分級機(jī)的設(shè)計
THE DESIGN OF CHINESE CHESTNUT CLASSIFICATION MACHINE
學(xué)生姓名：高 俊 平
學(xué) 號：200841914104
年級專業(yè)及班級：2008級機(jī)械設(shè)計制造及其自動化（1）班
指導(dǎo)老師及職稱：張 嵐 副教授
學(xué) 部：理工學(xué)部
湖南·長沙
提交日期：2012年5月
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院全日制普通本科生
畢業(yè)設(shè)計誠信聲明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。同時，本論文的著作權(quán)由本人與湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院、指導(dǎo)教師共同擁有。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
畢業(yè)設(shè)計作者簽名：
年 月 日
目 錄
摘要 1
關(guān)鍵字 1
1 前言 2
1.1 背景 2
1.1.1 振動篩的發(fā)展概況 2
1.2 振動篩的分類 3
1.3 板栗分級機(jī)械發(fā)展方向 3
2 振動篩篩面物料運(yùn)動理論 4
2.1 篩上物料的運(yùn)動分析 4
2.2 正向滑動 5
2.3 反向滑動 6
2.4 跳動條件的確定 6
2.5 物料顆粒跳動平均運(yùn)動速度 7
3 振動篩的工作原理及結(jié)構(gòu)組成 8
3.1 圓振動篩的工作原理 8
3.2 振動篩基本結(jié)構(gòu) 8
3.2.1 篩箱 8
3.2.2 激振器 8
3.2.3 支承裝置和隔振裝置 9
3.2.4 傳動裝置 9
4 振動篩動力學(xué)基本理論 9
5 振動篩參數(shù)計算 12
5.1 運(yùn)動學(xué)參數(shù)的確定 12
5.2 振動篩工藝參數(shù)的確定 13
5.3 動力學(xué)參數(shù) 14
5.4 電動機(jī)的選擇 15
5.4.1 電動機(jī)功率計算 15
5.4.2 選擇電機(jī) 15
5.4.3 電機(jī)的啟動條件的校核 15
6 主要零件的設(shè)計與計算 17
6.1 軸承的選擇與計算 17
6.1.1 軸承的選擇 17
6.1.2 軸承的壽命計算 17
6.2 皮帶的設(shè)計 18
6.2.1 選取皮帶的型號 18
6.2.2 傳動比 18
6.2.3 帶輪的基準(zhǔn)直徑 18
6.2.4 帶速 18
6.2.5 確定軸間距和帶的基準(zhǔn)長度 19
6.3 軸的設(shè)計 20
6.3.1 軸的設(shè)計特點(diǎn) 20
6.3.2 軸的常用材料 20
6.3.3 軸的強(qiáng)度驗(yàn)算 21
6.4 支承彈簧設(shè)計驗(yàn)算 23
結(jié)論 25
參考文獻(xiàn) 26
致謝 27
板栗分級機(jī)的設(shè)計
學(xué) 生：高俊平
指導(dǎo)老師：張 嵐
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院 長沙 410128)
摘 要：傳統(tǒng)的水果分級形式包括有體積分級和質(zhì)量分級兩大類，由于分級的目的主要為統(tǒng)一產(chǎn)品外觀規(guī)格，以便包裝和提升銷售檔次，因此以體積分級應(yīng)用最廣泛。體積分級設(shè)備有滾筒式分級機(jī)、三轱筒式分級機(jī)、園振動篩和帶式分級機(jī)等，其原理大同小異，均利用若干級別尺寸的孔框或縫隙進(jìn)行篩選。
關(guān)鍵詞：板栗分級機(jī)；振動篩；激振器；圓振動篩
The Design Of Chinese chestnut classification machine
Author:Gao Junping
Tutor:Zhang Lan
(Oriental Science ＆Technology College of Hunan Agricultural University Changsha 410128)
Abstract：The traditional grading form including fruit volume classification and grading quality two categories, due to the main aim of the classification for united product appearance specifications, packing and improve sales to class, so the most widely used by volume classification. Volume classification equipment have roller-type sorting machine, three Gu tube type classification, the vibrating machine and belt grade machine etc, its principle very much the same, all use the size of some level hole box or screening aperture.
Key words：Chinese chestnut grade machine; Vibrating screen; Excitation device; Circle vibrating screen
1前言
板栗分級機(jī)的研制和推廣，對于提高農(nóng)產(chǎn)品加工的發(fā)展水平，增加廣大農(nóng)戶的收入，促進(jìn)干果業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，都將具有重大的意義。因此積極開展干果分級機(jī)的研制，是非常必要的，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
為了使作為食品加工主要來源的產(chǎn)品的規(guī)格和品質(zhì)指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，需要對物料進(jìn)行分選或分級，分級是指清除物料中的異物及雜質(zhì);分級是指分選后的物料按其尺寸、形狀、密度、顏色或品質(zhì)等特性分成等級。分選及分級作業(yè)的工作原理和方法雖有不同之處，但往往是再同一設(shè)備上完成的。作為物料分級篩選的主要設(shè)備——振動篩也不斷向大型化發(fā)展。
1.1背景
1.1.1振動篩的發(fā)展概況[1]
據(jù)《世界有色金屬》報道篩分設(shè)備在國外的發(fā)展已有300多年的歷史，在此之前，物料的篩分主要采用人力篩分，動力篩分最早也是搖動篩。大約100多年前就出現(xiàn)了慣性篩，最早的慣性篩是采用柴油機(jī)帶動的，主要用于物料的分級作業(yè)。
比較完善的振動慣性篩出現(xiàn)在19世紀(jì)初，主要是用于分級的圓振動篩（單軸振動篩），隨著選煤、選礦業(yè)的發(fā)展用于脫水的直線振動篩（雙軸振動篩）逐漸發(fā)展起來。
單軸振動篩的發(fā)展經(jīng)歷了簡單慣性式向自定中心式的發(fā)展過程。直線振動篩經(jīng)歷了箱式振動器到雙電機(jī)拖動的筒式振動器（自同步技術(shù)），目前為箱式振動器與側(cè)邦式塊偏心單元體振動器（自同步技術(shù)）的并存時代。
現(xiàn)在振動篩軸承普遍采用了振動設(shè)備專用軸承，篩框的主要聯(lián)接件采用了虎克鉚釘或高強(qiáng)螺栓，篩面采用了不銹鋼篩面、聚鞍脂篩面等。篩框結(jié)構(gòu)逐漸趨于合理，篩框受力設(shè)計上逐步由靜態(tài)動力設(shè)計向以模態(tài)分析為基礎(chǔ)的現(xiàn)代動態(tài)設(shè)計階段發(fā)展。
在振動篩的制造方面，主要焊接結(jié)構(gòu)件均采用了去應(yīng)力和噴丸處理，對篩框的形狀誤差、主要構(gòu)件的形位公差、粗糙度控制等方面的要求越來越嚴(yán)。
雖然板栗分級機(jī)的結(jié)構(gòu)形式在發(fā)展過程中出現(xiàn)了許多種新型結(jié)構(gòu)及篩分方法，但通過實(shí)踐證明，許多看似理想的結(jié)構(gòu)型式被無情淘汰。因此，國際上一些板栗分級機(jī)制造廠家生產(chǎn)的振動篩結(jié)構(gòu)型式逐漸趨于近似，機(jī)型趨于穩(wěn)定，人們已不在追求新、奇結(jié)構(gòu)型式，而把追求板栗分級機(jī)的可靠性指標(biāo)放在首位，因此板栗分級機(jī)壽命普遍提高，正常使用壽命普遍達(dá)到5年以上。
振動篩噪聲指標(biāo)是影響工人身體健康的一個主要指標(biāo)。過去箱式振動器由于采用齒輪傳動，噪聲通常達(dá)到90分貝以上，后來逐漸采用了自同步技術(shù)，噪聲由原來的90多分貝下降到85分貝左右。但自同步技術(shù)存在拋射角不穩(wěn)定，工作頻率不能有效調(diào)整等因素，使得箱式振動器的振動篩不但沒有被淘汰，甚至通過不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式，提高齒輪加工精度，改善齒面嚙合狀態(tài)等方法，而重新發(fā)展起來，噪聲也從過去的90多分貝下降至85分貝左右。
1.2振動篩的分類
1.按振動篩振動頻率是否接近或遠(yuǎn)離共振頻率分為共振篩和慣性振動篩。共振篩曾一度崛起，受到各國普遍重視，發(fā)展很快；但在生產(chǎn)實(shí)踐中，暴露出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)整困難、故障較多等缺點(diǎn)。而慣性振動篩由于激振器的結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，便于維修，從而得到了廣泛的使用。慣性振動篩是靠固定在其中部的帶偏心塊的慣性振動器驅(qū)動而使篩箱產(chǎn)生振動。慣性振動篩按振動器的形式可分為單軸振動篩和雙軸振動篩。
2.按振動篩按篩面工作時運(yùn)動軌跡的特點(diǎn)，分為圓運(yùn)動振動篩（簡稱圓振動篩）和直線運(yùn)動振動篩（簡稱直線振動篩）兩大類。圓振動篩由于振動器安裝的位置偏差，實(shí)際篩箱運(yùn)動軌跡一般為橢圓。即使直線振動篩，由于制造與設(shè)計偏差，通常篩箱的運(yùn)動軌跡也不完全是直線，只是接近直線振動。圓振動篩由于激振器是一根軸，所以又叫單軸振動篩，直線振動篩激振器由兩根軸組成，所以也稱雙軸振動篩。
3.當(dāng)然振動篩還有其它許多分類方法，例如，按照支撐彈簧的結(jié)構(gòu)不同，又有線形彈簧振動篩和非線形彈簧振動篩。按支承裝置安裝位置不同，可分為座式振動篩和吊式振動篩，按篩箱與水平面是否成一定角度安裝，可分為水平篩和傾斜篩。按工作頻率的高低，可分為高頻振動篩和低頻振動篩等等。
1.3板栗分級機(jī)械發(fā)展方向
綜合國內(nèi)外板栗分級機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀 ,板栗分級機(jī)械將向以下幾個方向發(fā)展。
1.向大型化發(fā)展。工業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程促使企業(yè)規(guī)模增大 ,生產(chǎn)能力大大提高
2.向重型超重型篩發(fā)展。大的礦業(yè)工程需要處理大塊物料 ,法國素梅斯塔公司生產(chǎn)的振動棒可處理直徑達(dá)1m以上的大塊物料。
3.向理想運(yùn)動軌跡振動篩發(fā)展。以提高各區(qū)段的篩分效率和整個篩機(jī)生產(chǎn)率為目標(biāo) ,尋找一種以理想運(yùn)動方式為基礎(chǔ)的新型板栗分級機(jī)成為篩分設(shè)備發(fā)展的一個新方向。
4.向反共振振動篩發(fā)展。以減輕整機(jī)重量、降低成本、提高使用壽命和可靠性為目標(biāo) ,提出新型的反共振振動篩機(jī)。
5.振動強(qiáng)度增大。篩機(jī)的振動過程逐漸強(qiáng)化 ,以取得較大的速度和加速度 ,從而提高生產(chǎn)能力和篩分效率。
6.向空間發(fā)展。針對細(xì)物料 ,先后出現(xiàn)了旋流振動篩、錐型振動篩、蝶型振動篩、旋轉(zhuǎn)概率篩等 ,既減少占地面積 ,又提高生產(chǎn)能力和篩分效率。
7.向難篩分物料篩機(jī)發(fā)展。
8.共振篩系列發(fā)展停滯 ,慣性振動篩系列日益壯大。
2振動篩篩面物料運(yùn)動理論
2.1篩上物料的運(yùn)動分析[2]
由文獻(xiàn)《礦山機(jī)械》可知，關(guān)于篩上物料的分析，如圖1所示：
圖1 圓振動篩上物料運(yùn)動
Figure 1 circle vibrating screen material movement
振動篩運(yùn)動學(xué)參數(shù)（振幅、振次、篩面傾角和振動方向角）通常根據(jù)所選擇的物料運(yùn)動狀態(tài)選取。篩上物料運(yùn)動狀態(tài)直接影響振動篩的篩分效率和生產(chǎn)率，所以為合理地選擇篩子的運(yùn)動參數(shù)，必須分析篩上的物料的運(yùn)動特性。
圓振動篩的篩面做圓運(yùn)動或近似于圓運(yùn)動的振動篩，篩面的位移方程式可用下式來表示：t （1）
t （2）
式中: A——振幅;
——軸之回轉(zhuǎn)相角，=t;
——軸之回轉(zhuǎn)角速度；
——時間。
求上式中的x和y 對時間t的一次導(dǎo)數(shù)與二次導(dǎo)數(shù)，即得篩面沿x和y
方向上的速度和加速度： t （3）
t （4）t （5）
t （6）
由運(yùn)動特征，來研究篩子上物料的運(yùn)動學(xué)。物料在篩面上可能出現(xiàn)三種運(yùn)動狀態(tài)：正向滑動、反向滑動和跳動。
2.2正向滑動
當(dāng)物料顆粒與篩面一起運(yùn)動時，其位移、速度和加速度與篩面的相等。篩面上質(zhì)量為的物料顆粒動力平衡條件：
對質(zhì)量為的顆粒受力分析（如圖1）：
1、物料顆粒重力： （7）
2、篩面對顆粒的反作用力，由
可以得到： （8）
式中為篩面傾角
3、篩面對物料顆粒的極限摩擦力為： （9）
式中為顆粒對篩面的靜摩擦系數(shù)。
顆粒沿著篩面開始正向滑動時臨界條件： （10）
將，用已知式子（9）與（5）替代，且（為滑動摩擦角），
簡化整理得： （11）
式中，為正向滑始角。
令，則： （12）
式中稱為正向滑動系數(shù)。由上式得知，正向滑動系數(shù)。
當(dāng)?shù)臅r候，可以求得使物料顆粒沿著篩面產(chǎn)生正向滑動時最小轉(zhuǎn)數(shù)應(yīng)該為：
（13）
為了使物料顆粒沿著篩面產(chǎn)生正向滑動，必須取篩子轉(zhuǎn)數(shù)。
2.3反向滑動
臨界條件為： （14）
將，用（9）與（5）替代，并簡化后：
（15）
式中：——反向滑始角
——反向滑動系數(shù)
則可以得到： （16）
由上式可以知道，反向滑動條件。
當(dāng)時，可以求得使物料沿著篩面反向滑動的最小轉(zhuǎn)數(shù)應(yīng)該是：
（17）
為了使物料顆粒沿著篩面產(chǎn)生正向滑動，必須使篩子轉(zhuǎn)數(shù)。
2.4跳動條件的確定
顆粒產(chǎn)生跳動的條件是顆粒對篩面法向壓力。
即，或者是。
由此可以得到： （18）
式中：——物料跳動系數(shù)
——跳動起始角
——振動強(qiáng)度，
—— 拋射強(qiáng)度，它表明物料在篩面上跳動的劇烈程度。
上式可以寫成： （19）
當(dāng)時或者，則顆粒出現(xiàn)跳動。
當(dāng)或時，則可求得物料開始跳動時的最小轉(zhuǎn)數(shù)為：
（20）
為了使物料產(chǎn)生跳動，必須取篩子的轉(zhuǎn)數(shù)。
由于目前使用的振動篩采用跳動狀態(tài)，因此要討論跳動終止角，跳動角及運(yùn)動速度。
2.5物料顆粒跳動平均運(yùn)動速度
物料顆粒從振動相角起跳，到振動相角跳動終止時，沿方向的位移為：
= （21）
式中為物料顆粒起跳時沿方向的運(yùn)動速度：
（22）
由此，則： （23）
同一時間內(nèi),篩面位移為：
（24）
物料顆粒在每個循環(huán)中,對篩面的位移為：
= （25）
當(dāng)篩子在近似于第一臨界轉(zhuǎn)數(shù)下工作時,即，則上式中方括號內(nèi)的數(shù)值接近于零。
故得到：
（26）
物料跳動平均速度：
（27）
當(dāng)時,則,,,
因此, 式（40）可以化簡為： （28）
或者化簡為： （29）
由式（42）和式（18）,可以將式（40）化簡為:
（30）
按照上式計算得的結(jié)果與實(shí)際相比,計算值較大,因?yàn)槲纯紤]物料特點(diǎn),摩擦和沖擊等因素.為此,上式應(yīng)該乘以修正系數(shù),,
所以： （31）
3.振動篩的工作原理及結(jié)構(gòu)組成
3.1圓振動篩的工作原理
具有圓形軌跡的慣性振動篩為圓振動篩，簡稱圓振篩。這種慣性振動篩又稱單軸振動篩，其支承方式有懸掛支承與座式支承兩種，懸掛支承，篩面固定于篩箱上 ，篩箱 由彈簧懸掛或支承，主軸的軸承安裝在篩箱上， 主軸由帶輪帶動而高速旋轉(zhuǎn)。由于主軸是偏心軸，產(chǎn)生離心慣性力，使可以自由振動的篩箱產(chǎn)生近似圓形軌跡的振動
板栗振動分級篩和一般圓振動篩很類似，篩箱的結(jié)構(gòu)一般采用環(huán)槽鉚釘連接。振動器為軸偏心式振動器，用稀油潤滑，采用大游隙軸承。振動器的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，由電動機(jī)通過一堆帶輪，由V帶把運(yùn)動傳遞給振動器。
3.2振動篩基本結(jié)構(gòu)
本次設(shè)計板栗分級機(jī)是由激振器、篩箱、隔振裝置、傳動裝置等部分組成。
3.2.1篩箱
篩箱由篩框、篩面及其壓緊裝置組成。
1．篩面：為適應(yīng)大塊大密度的物料的篩分與煤矸石脫介的需要，振動篩的篩面需要有較大的承載能力，耐磨和耐沖擊性能。為減少噪聲，提高耐磨性設(shè)計中采用成型橡膠條，用螺栓固定在篩面拖架上。上層篩面采用帶筐架的不銹鋼篩面，下層篩面采用編織篩網(wǎng)。其緊固方式是沿篩箱兩側(cè)板處采用壓木、木契壓緊。中間各塊篩板之間則用螺栓經(jīng)壓板壓緊。
2．篩框：篩框由側(cè)板、橫梁等部分組成。側(cè)板采用厚度為6—16mm的A5或20號鋼板制成。衡量常用圓形鋼管、槽鋼、方形鋼管或工字鋼制造。篩框必須要由足夠的剛性。篩框各部件的聯(lián)接方式有鉚接、焊接和高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接三種、
3.2.2激振器
圓振動篩采用單軸振動器，由純振動式振動器、軸偏心式振動器和皮帶輪偏心式自定中心振動器。
3.2.3支承裝置和隔振裝置
支承裝置主要是支承篩箱的彈性元件，有吊式和座式兩種。振動篩的隔振裝置常用的有螺旋彈簧、板彈簧和橡膠彈簧。
3.2.4 傳動裝置
振動篩通常采用三角皮帶傳動裝置，它機(jī)構(gòu)簡單，可以任意選擇振動器的轉(zhuǎn)數(shù)。
4.振動篩動力學(xué)基本理論
慣性振動篩的振動系統(tǒng)是由振動質(zhì)量（篩箱和振動器的質(zhì)量）、彈簧和激振力（由回轉(zhuǎn)的偏心塊產(chǎn)生的）構(gòu)成。為了保證篩子的穩(wěn)定工作，必須對慣性振動篩的的振動系統(tǒng)進(jìn)行計算，以便找出振動質(zhì)量、彈簧剛性、偏心塊的質(zhì)量矩與振幅的關(guān)系，合理地選擇彈簧的剛性和確定偏心塊的質(zhì)量矩。
圖2 振動系統(tǒng)力學(xué)模型圖
Figure 2 vibration system mechanical model figure
圖2表示圓振動篩的振動系統(tǒng)。為了簡化計算，假定振動器轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)中心和機(jī)體(篩箱)的重心重合．激振力和彈性力通過機(jī)體重心。此時，篩子只作平面平移運(yùn)動。今取機(jī)體靜止平衡時(即機(jī)體的重量為彈簧的彈性反作用力所平衡時的位置)的重心所在點(diǎn)o作為固定坐標(biāo)系統(tǒng)(xoy)的原點(diǎn)，而以振動器轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)中心作為動坐標(biāo)系統(tǒng)()的原點(diǎn)。
偏心重塊質(zhì)量m的重心不僅隨機(jī)體一起作平移運(yùn)動(牽連運(yùn)動)， 而且還繞振動器的回轉(zhuǎn)中心線作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(相對運(yùn)動)，則其重心的絕對位移為：
＝+＝+＝+rcos
＝+＝+=y+rsin
式中： ——偏心質(zhì)量的重心至回轉(zhuǎn)軸線的距離。
——軸之回轉(zhuǎn)角度，＝,為軸回轉(zhuǎn)之角速度,t為時間。
偏心質(zhì)量m運(yùn)動時產(chǎn)生的離心力為：
（32）
（33）
式中和為偏心質(zhì)量m在x與y方向之相對運(yùn)動離心力或稱激振力。
在圓振動篩的振動系統(tǒng)中，作用在機(jī)體質(zhì)量M上的力除了和外，還有機(jī)體慣性力(其方向與機(jī)體加速度方向相反)、彈簧的作用力 (和表示彈簧在x和y方向的剛度，彈簧作用力的方向永遠(yuǎn)是和機(jī)體重心的位移方向相反)及阻尼力(c稱為粘滯阻力系數(shù)，阻尼力的方向與機(jī)體運(yùn)動速度方向相反)。
在單軸振動系統(tǒng)中，作用在機(jī)體質(zhì)量上的力除了和之外，還有機(jī)體的慣性力和（其方向與機(jī)體的速度方向相反）、彈簧的作用力，（表示彈簧在方向的剛度），及阻尼力（稱為粘滯阻力系數(shù)，阻尼力的方向與機(jī)體的運(yùn)動方向相反）。
當(dāng)振動器在作等速圓周運(yùn)動時，將作用在機(jī)體上的各力，按照理論力學(xué)中的動靜法建立的運(yùn)動微分方程式為：
（34）
式中：——機(jī)體的計算質(zhì)量
（35）
式中：——。
——。
——，。
根據(jù)單軸振動篩運(yùn)動微分方程式的全解可知，機(jī)體在x和y軸方向的運(yùn)動是自由振動和強(qiáng)迫振動兩個簡諧振動相加而成的，事實(shí)上，由于有阻尼力存在的緣故，自由振動在機(jī)器工作開始后就會逐漸消失，因此，機(jī)體的運(yùn)動就只剩下強(qiáng)迫振動了。所以，只需要討論公式的特解：
； （36）
其特解為： （37） （38）
式中：。
系統(tǒng)的自振頻率為： （39）
下面根據(jù)圖3來分析圓振動篩的幾種工作狀態(tài)：
1.低共振狀態(tài)
：即若取 ，則機(jī)體的振幅。在這種情況下，可以避免篩子的起動和停車時通過共振區(qū)，從而能提高彈簧的工作耐久性，同時能件小軸承的壓力，延長軸承的壽命，并能減少篩子的能量消耗，但是在這種工作狀態(tài)下工作的篩子，彈簧的剛度要很大，因此，必然會在地基及機(jī)架上出現(xiàn)很大的動力，以致引起建筑物的震振動。所以，必須設(shè)法消振，但目前尚無妥善和簡單的消振方法。
圖3 振幅和轉(zhuǎn)子角速度的關(guān)系曲線
Figure 3 The amplitude and the relation curves of rotor angular velocity
2.共振狀態(tài)
即。振幅A將變?yōu)闊o限大。但由于阻力的存在，振幅是一個有限的數(shù)值。當(dāng)阻力及給料量改變時，將會引起振幅的較大變化。由于振幅不穩(wěn)定，這種狀態(tài)沒有得到應(yīng)用。
3.超共振狀態(tài)
，這種狀態(tài)又分為兩種情況：
（1）n稍大于，即稍小于。若取，則得。因?yàn)?，所以篩子起動與停車時要通過共振區(qū)。這種狀態(tài)的其它優(yōu)缺點(diǎn)與低振狀態(tài)相同。
（2），即為遠(yuǎn)離共振區(qū)的超共振狀態(tài)。此時，。從圖可以明顯地看出：轉(zhuǎn)速愈高，機(jī)體的振幅A就愈平穩(wěn)，即振動篩的工作就愈穩(wěn)定。這種工作狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)是：彈簧的剛度越小，傳給地基及機(jī)架的動力就愈小，因而不會引起建筑物的振動。同時，因?yàn)椴恍枰芏嗟膹椈?，篩子的構(gòu)造也簡單。目前設(shè)計和應(yīng)用的振動篩，通常采用這種工作狀態(tài)。為了減少篩子對地基的動負(fù)荷，根據(jù)振動隔離理論，只要使強(qiáng)迫振動頻率大于自振動頻率的五倍即可得到良好的效果，采用這種工作狀態(tài)的篩子，必須設(shè)法消除篩子在起動時，由于通過共振區(qū)而產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。目前采用的消振方法如前所述。
5.振動篩參數(shù)計算
5.1運(yùn)動學(xué)參數(shù)的確定
選取和計算振動篩運(yùn)動學(xué)：
參數(shù)振動機(jī)械的工作平面通常完成以下各種振動：簡諧直線振動、非簡諧直線振動、圓周振動和橢圓振動等。依賴上述各種振動，使物料沿工作面移動。當(dāng)振動機(jī)械采用不同的運(yùn)動學(xué)參數(shù)（振幅、頻率、振動角和傾角）時，便可使物料在工作面上出現(xiàn)下列不同形式的運(yùn)動：相對運(yùn)動、正向滑動、反向滑動和拋擲運(yùn)動。
1.拋擲指數(shù)
在一般的情況下 ，根據(jù)篩子的用途選取，圓振動篩一般取=3～5，直線振動篩宜取=2.5～4；。難篩物料取大值，易篩物料取小值。篩孔小時取大值，篩孔大是取小值。本次設(shè)計圓振動篩，選取。
2.振動強(qiáng)度K
振動強(qiáng)度K的選擇。主要受材料強(qiáng)度及其構(gòu)件剛度等的限制，目前的機(jī)械水平K值一般在3～8的范圍內(nèi)，振動篩則多取3～6。本次設(shè)計選擇K=4。
3.篩面傾角
對于單軸振動篩的傾角為： 作預(yù)先分級用
作最終分級用
對于圓振動篩一般取～，振幅大時取小值，振幅小時取大值。
本次設(shè)計采用的圓振動篩取。
4.篩箱的振幅
篩箱振幅；是設(shè)計篩子的重要參數(shù)，其值必須適宜，以保證物料充分分層，減少堵塞，以利透篩。通常取=3～6mm，其中篩孔大者取大值，篩孔小者取小值。本次設(shè)計選取=5mm。
5.篩子的振動頻率：按照和所確定的A值可以求解出頻率值。
（40）
6.振動強(qiáng)度校核：實(shí)際振動強(qiáng)度K按照下式計算：
（41）
在本設(shè)計中，所以符合振動強(qiáng)度要求。
篩子的實(shí)際強(qiáng)度：=3.77 ；
即篩子的頻率和振幅分別為：A=5；n=845 ；=4。
7.物料的運(yùn)動速度
圓振動篩的物料運(yùn)動速度計算：
（42）
式中：取修正系數(shù)≈0.1。
V =0.033m/s
5.2振動篩工藝參數(shù)的確定[2]
由文獻(xiàn)《中國選礦設(shè)備手冊》選取設(shè)計振動篩工藝參數(shù)：
1..振動篩的工藝參數(shù)包括篩面的長度和寬度、篩分效率。
篩面的長度和寬度
由公式：Fq
式中：Q——處理量，Q=375t/h
F——篩面的工作面積
q——單位時間處理量,q=50
可得出F=7.5,選取篩面長度L=4.8m，所以B=F/L=7.5/4.8=1.56m
2.篩分效率
在篩分作業(yè)中，篩分效率是衡量篩分過程的質(zhì)量指標(biāo)。篩什效率是指篩下產(chǎn)物重量與原料中篩下級別(篩下級別是指原料中所含粒度小于篩孔尺寸的物料)重量的比值。篩分效率一般以百分?jǐn)?shù)表示。篩分效率可按下式計算：
(43)
式中 ——原料中篩下產(chǎn)物含量的百分?jǐn)?shù)；
——篩上產(chǎn)物中篩下級別含量的百分?jǐn)?shù)；
將原科和篩上產(chǎn)物進(jìn)行精確的篩分，根據(jù)篩分結(jié)果即可算出篩下級別含量及。篩分所用篩面的篩孔尺寸和形狀，應(yīng)與測定篩分效率所用的篩子相同。
板栗分級機(jī)械的篩分效率與物料的粒度特性、物科的濕度、篩孔形狀、篩面傾角、篩面長度、篩面的運(yùn)動特性及生產(chǎn)率等因素有關(guān)。不同用途的板栗分級機(jī)械對篩分效率有不同的要求。
表1 圓振動篩的運(yùn)動學(xué)參數(shù)和工藝參數(shù)
Table 1 circle vibrating screen and process parameters of the kinematics parameters
名稱
數(shù)值
名稱
數(shù)值
篩面長度
4.8m
篩面寬度
1.56m
振動強(qiáng)度
4
拋射強(qiáng)度
4
篩面傾角
20
振動方向角
——
篩箱振幅
5mm
篩子頻率
845rmp
處理量
50t/h
物料運(yùn)動速度
0.033m/s
5.3動力學(xué)參數(shù)[3]
振動器偏心質(zhì)量及偏心距的確定：由文獻(xiàn)《機(jī)械零件設(shè)計手冊》
工作時，彈簧剛度小，故振幅計算式中值可以略。
對于單軸振動篩： （44）
式中M—振動機(jī)體質(zhì)量，M=883.48kg
m —偏心塊質(zhì)量，
A—篩箱振幅，A=5mm
r —偏心距，r=24mm
負(fù)號表示重心在振動中心的兩個不同方向上。
得，m===91kg
5.4電動機(jī)的選擇
5.4.1電動機(jī)功率計算
慣性振動篩的功率消耗主要是由振動器為克服篩子的運(yùn)動阻力而消耗的功率和克服軸在軸承中的摩擦力而消耗的功率 來確定。
電機(jī)的功率為：
千瓦 （45）
式中：—.
。
，。 這里對于滾子軸承選取 。
=14.7KW
由上式可求N=14.7KW
5.4.2 選擇電機(jī)[17]
由文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計手冊》選擇傳動電機(jī)型號為，其額定功率為，n
5.4.3電機(jī)的啟動條件的校核
慣性振動篩起動時，電動機(jī)需克服偏心質(zhì)量的靜力矩和摩擦力矩，起動后由于慣性作用，功率消耗較少，因而需選用高起動轉(zhuǎn)矩的電動機(jī)。因此，按公式計算的功率，必須按起動條件校核：
(46)
式中: ——電機(jī)的其動轉(zhuǎn)矩；
——電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩；
——振動篩偏心重量的靜力矩與軸承的摩擦靜力矩之和 =9550=9550=98.1 N·m (47)
= (48)
式中： ——速比
——起動力矩系數(shù) 取=2.1
===1.73 (49)
因此有 ==1.732.1=3.63 (50)
= (51)
式中為偏心質(zhì)量的靜力矩與軸承的摩擦力矩之和
= + (52)
式中為振動器上軸承的摩擦力矩
=2M (53)
==0.002910.058=2.27N·m (54)
式中 (55)
將值帶入公式(3.20)得 =22.27=4.54 N·m
為靜力矩
=910.0249.8=51.72 N·m (56)
將與值帶入公式(3.19)得=4.54+51.72=56.26 N·m
將值帶入公式(3.18)得==34.23N·m
==0.349
由于=3.63,所以滿足 ,電機(jī)起動校核合格。
表2 電動機(jī)性能
Tabal2 Motor performance
型 號
轉(zhuǎn)速
功率
6主要零件的設(shè)計與計算
6.1軸承的選擇與計算
6.1.1軸承的選擇
根據(jù)振動篩的工作特點(diǎn)，應(yīng)選用大游隙單列向心圓柱滾子軸承。
按照基本額定動載荷來選取軸承
(57)
式中：——基本額定動載荷來
——當(dāng)量動載荷
=910.024()=17.1KN (58)
——壽命系數(shù)，=2.3～2.8 本次設(shè)計選取=2.5
——轉(zhuǎn)速系數(shù)，=（）=0.38 (59)
將數(shù)據(jù)帶入公式(4.1) 得 ==125.74KN
查文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計手冊》，選GB297—84，軸承型號3G3622，內(nèi)徑110mm，外徑245mm。
6.1.2軸承的壽命計算
軸承的壽命公式為：=() (60)
式中: 的單位為10r
——為指數(shù)。對于球軸承，=3；對于滾子軸承，=10/3。
計算時，用小時數(shù)表示壽命比較方便。這時可將公式(42)改寫。則以小時數(shù)表示的軸承壽命為： =() (61)
式中：
——基本額定動載荷=125.74KN
——軸承轉(zhuǎn)數(shù)
——當(dāng)量動負(fù)荷
選取額定壽命為6000h。
將已知數(shù)據(jù)代入公式(4.2)得：
==15249h>6000h 滿足使用要求。
因此設(shè)計中選用軸承的使用壽命為15249小時。
6.2皮帶的設(shè)計【16】
6.2.1選取皮帶的型號
帶的設(shè)計功率= 1.315 =19.5KW (62)
式中:——工況系數(shù)，查[11,22-18]表22.1—9得=1.3
——傳遞的額定功率，=15KW
根據(jù)=19.5KW，小輪轉(zhuǎn)數(shù)=1460rmp，查文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計手冊》,[22-17]圖22.1—1，選B型皮帶。
6.2.2傳動比
===1.73 (63)
6.2.3帶輪的基準(zhǔn)直徑
1．選擇小帶輪的基準(zhǔn)直徑：查文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計手冊》,[22-31]表22.1—14和[22-17]圖22.1—1選取=224mm
2. 選擇大輪的基準(zhǔn)直徑： ==1.73224=388mm
查[11,22-31]表22.1—14取=400mm
6.2.4帶速
帶速常在=5～25m/s之間選取
===17.12m/s (64)
6.2.5確定中心距和帶的基準(zhǔn)長度
1.初定中心距 按0.7(+)2(+)
選取,因此有436.81280,選=600mm。
2.帶的基準(zhǔn)長度
所需基準(zhǔn)長度=2+(+)+
帶入數(shù)據(jù)得=1985.1 查文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計手冊》,[22-13]表22.1—6選取基準(zhǔn)長度=2000mm
3.實(shí)際中心距
=+=600+=607.45mm (65)
安裝時所需最小中心距:
==607.45-0.0152000=577.45mm (67)
張緊或補(bǔ)償伸長所需最大中心距:
=607.45+0.032000=667.45mm (68)
4.小帶輪包角
=180=180=163.40
5.單根帶的基本額定功率
根據(jù)=224mm,n=1460rmp，查文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計手冊》,[22-25]表22.1—13f得=7.47KW
考慮傳動比的影響，額定功率的增量由[機(jī)械設(shè)計手冊第三卷,22-25]表22.1—13f查得=1.14KW
6.帶的根數(shù)
===2.4根
取3根
式中：——小帶輪包角修正系數(shù)，查文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計手冊》[16],[22-18]表22.1—10=0.96
——帶長修正系數(shù)，查[機(jī)械設(shè)計手冊第三卷,22-19]表22.1—11=0.98
7.單根帶的預(yù)緊力
=500()+ (69)
式中為帶每米長的質(zhì)量, 查文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計手冊》[16],[22-19]表22.1—12查得=0.17kg/m
=500()+0.17=354.36N
帶的設(shè)計參數(shù)如表3所示。
表3 帶的設(shè)計參數(shù)
Tabal3 Take design parameters
皮帶型號
B型
帶輪軸間距
607.45mm
最大軸間距
577.45mm
最小軸間距
667.45mm
帶的根數(shù)
3根
預(yù)緊力
354.36N
小帶輪直徑
224mm
大帶輪直徑
400mm
6.3軸的設(shè)計
6.3.1軸的設(shè)計特點(diǎn)
軸是組成機(jī)械的一個重要零件。它支承著其他轉(zhuǎn)動件回轉(zhuǎn)并傳遞轉(zhuǎn)矩，同時它又通過軸承和機(jī)架聯(lián)接。所有軸上零件都圍繞軸心線作回轉(zhuǎn)運(yùn)動。所以，在軸的設(shè)計中，不能只考慮軸本身，還必須和軸系零、部件的整個結(jié)構(gòu)密切聯(lián)系起來。
軸設(shè)計的特點(diǎn)是：在軸系零、部件的具體結(jié)構(gòu)未確定之前，軸上力的作用和支點(diǎn)間的跨距無法精確確定，故彎矩大小和分布情況不能求出，因此在軸的設(shè)計中，必須把軸的強(qiáng)度計算和軸系零、部件結(jié)構(gòu)設(shè)計交錯進(jìn)行，邊畫圖、邊計算、邊修改。
設(shè)計軸時應(yīng)考慮多方面因素和要求，其中主要問題是軸的選材、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和剛度。對于高速軸還應(yīng)考慮振動穩(wěn)定性問題。
6.3.2軸的常用材料[14][17]
軸的材料種類很多，設(shè)計時主要根據(jù)對軸的強(qiáng)度、剛度、耐磨性等要求，以及為實(shí)現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式，同時考慮制造工藝問題加以選用，力求經(jīng)濟(jì)合理。
軸的常用材料是35、45、50、優(yōu)質(zhì)碳素鋼，最常用的是45鋼。對于受載較小或不太重要的軸，也可用A、A等普通碳素鋼。對于受力較大，軸的尺寸和重量受的限制，以及有某些特殊要求的軸，可采用合金鋼。
本次設(shè)計選用45優(yōu)質(zhì)碳素鋼。
6.3.3由文獻(xiàn)《材料力學(xué)》《機(jī)械設(shè)計手冊》軸的強(qiáng)度驗(yàn)算
圖4偏心軸受力分析圖
Figure 4 Eccentric shaft force were
對軸進(jìn)行校核：
由圖4并結(jié)合振動篩的工作特點(diǎn)對軸進(jìn)行受力分析，其受力分析如圖所示:
Pr=150kw，n=1460r/min。
求偏心軸的轉(zhuǎn)速n ，帶傳動的傳動效率 。
P=Pr kw
n=
式中i—帶的傳動比，i=400/224=1.786
所以n==1460/1.786=817.47r/min
T=9550
Ft=2
由水平方向得：FtY=F +F FtX=0112F=0
解得：F=3965.4N F=-277.6N
由垂直方向得：Fv=mg=291.825N
Fv=F F
解得：
從偏心軸結(jié)構(gòu)圖以及彎矩圖中可以看出偏心軸的中間表面C是該軸的危險截面。
現(xiàn)將截面C處的MM及M列于下表4
表4偏心軸受力情況
Tabel4 Eccentric shaft model
載荷
水平面H
垂直面V
支反力
F=3965.4N F=-277.6N
彎矩M
M=209.32NM
M=1108.18NM
總彎矩
M=（ M+ M）=119.86 NM
T
168.2 NM
按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度：
校核最危險截面C：/W
取
/W =
所以故軸的強(qiáng)度滿足要求。
6.4支承彈簧設(shè)計驗(yàn)算
1、彈簧剛度計算[6]
由文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計》我們知道，選取彈簧剛度時，不僅要考慮使彈簧傳給基礎(chǔ)的動負(fù)荷不使建筑物產(chǎn)生有害振動，而且還要必須考慮彈簧應(yīng)該有足夠的支承能力。彈簧剛度一般是通過強(qiáng)迫振動頻率與自振頻率的比值來控制。通常吊式振動篩取頻率比，對于座式由此，對于單軸振動篩彈簧剛度計算公式：
（69）
取，再有n=845次/分， 次/分
所以：N/m
2、計算彈簧鋼絲直徑
根據(jù)彈簧所受載荷特性要求，選取鋼絲。許用應(yīng)力根據(jù)文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計》其中的表16-2按類載荷選取查得切變模量Mpa，由文獻(xiàn)[19]，查得。
初步選取旋繞比。
N
曲度系數(shù)
mm
根據(jù)文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計》中表16-5，選取d=16mm。
3、計算彈簧中徑 D=cd=168=128mm
根據(jù)文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計》中表16-5，取系列值D=130mm。
4、計算彈簧圈數(shù)和節(jié)距 ，
mm
取n=5圈，由表25-11得彈簧的總?cè)?shù)為：
圈
彈簧的節(jié)距： mm
5、求解彈簧的間距和螺旋角
由文獻(xiàn)彈簧的間距：mm
由文獻(xiàn)彈簧螺旋角：
6、彈簧驗(yàn)算
1）彈簧疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算：選取
所以有：
由彈簧材料內(nèi)部產(chǎn)生的最大最小循環(huán)切應(yīng)力：
可得： =
疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)計算值及強(qiáng)度條件可按下式計算：
式中：——彈簧材料的脈動循環(huán)剪切疲勞極限
——彈簧疲勞強(qiáng)度的設(shè)計安全系數(shù),取=1.3-1.7
按上式可得： ==1.3
所以此彈簧滿足疲勞強(qiáng)度的要求。
2）彈簧靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算
靜應(yīng)力強(qiáng)度安全系數(shù)計算值及強(qiáng)度條件為：
式中——彈簧材料的剪切屈服極限，
——靜應(yīng)力強(qiáng)度的設(shè)計安全系數(shù)，=1.3-1.7
所以得： =1.3
所以彈簧滿足靜應(yīng)力強(qiáng)度。所以此彈簧滿足要求。
結(jié)論
本次設(shè)計的板栗分級機(jī)是在消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上,自行設(shè)計的大型振動式板栗分級機(jī).本次設(shè)計主要對板栗分級機(jī)的篩箱、激振器、支承隔振裝置以及傳動裝置進(jìn)行了設(shè)計;對振動篩的動力學(xué)分析及動力學(xué)參數(shù)的計算;對電機(jī)的選擇及校核；對主要零件進(jìn)行設(shè)計,通過校核均滿足使用要求；對設(shè)備的環(huán)保及經(jīng)濟(jì)評價進(jìn)行分析計算。
通過本次設(shè)計,對振動篩的知識有了深刻的認(rèn)識，學(xué)會了如何大學(xué)期間所學(xué)到的知識應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中,對今后的工作和學(xué)習(xí)有非常大的幫助。同時通過本次設(shè)計了解到，我國的篩分技術(shù)在近幾年有了長足的發(fā)展,很多單位已經(jīng)掌握了板栗分級機(jī)械的設(shè)計理論和方法 ,進(jìn)行了很有成效的研制工作解決了很多實(shí)際問題?？梢哉f我國的篩分技術(shù)目前已接近世界先進(jìn)水平但仍有差距還要努力。在今后要做好以下幾點(diǎn)工作:
1.研究先進(jìn)篩分理論,發(fā)展新型板栗分級機(jī)械。
2.發(fā)展大、重、超重型篩分設(shè)備。
3.研究難篩分物料的板栗分級機(jī)械。
4.提高“三化”程度。
5.加強(qiáng)篩分設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)的研究。
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致 謝
在張嵐老師的精心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下，本次設(shè)計才得以完成，在整個畢業(yè)設(shè)計期間，從選題、設(shè)計到最后的圖紙和說明書的完成都傾注了指導(dǎo)老師的大量心血，老師以他淵博的知識和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)，指導(dǎo)我如何更好地做好設(shè)計工作。在許多設(shè)計工作中給了我細(xì)致無微的指導(dǎo)。此外老師細(xì)心的指導(dǎo)和平易近人的作風(fēng)讓我最感動，讓我收獲最大的是他對學(xué)問的一絲不茍的態(tài)度和對知識精益求精的追求。每一個細(xì)微的知識都嚴(yán)格要求，使我能順利完成設(shè)計任務(wù)的保證。
同時在設(shè)計中得到了多位老師和同學(xué)的幫助，還有圖書館資料室、學(xué)院機(jī)房的老師也給了我很大幫助。
最后，衷心地感謝張老師以及評閱設(shè)計和參加答辯的各位專家、教授。
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