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南京航空航天大學機電學院
畢業(yè)設計（論文）申請表
題 目
金屬顆粒物分道給料裝置設計
子題目
申報人
葉文華
題目來源
省科技計劃
1.內(nèi)容及要求：
廢舊有色金屬回收利用是節(jié)約能源、減少環(huán)境污染、實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的有效手段。在廢舊有色金屬分選回收之前，需要一套平穩(wěn)的給料裝置。本課題是省科技支撐計劃項目“廢有色金屬復合分選關鍵技術研發(fā)”的一部分，主要目標是設計一個金屬顆粒物的給料裝置，將需要進行分選處理的廢舊有色金屬顆粒按照不同尺寸分成4道，平穩(wěn)地運送到分選識別系統(tǒng)。
要求學生具有良好的機械設計知識，熟悉三維CAD軟件的使用，并掌握一定電機傳動與控制的基礎知識，在此基礎上完成以下工作：
1、分析金屬顆粒物的特點與給料要求，了解國內(nèi)外相關輸送裝置情況，完成分道給料裝置的總體結構設計。
2、給料裝置的電機傳動機構設計。
3、給料裝置按照物料尺寸分道機構設計。
4、給料裝置制作與試驗平臺的搭建。
5、翻譯2萬字符以上的相關英文資料。
2.預期完成工作量：
論文： 30 頁；機械圖紙 A0 號 2-3 張；電路圖 張；
軟件： 個模塊；軟件測試大綱： 頁；翻譯： 2 萬字符；其它：
3．主要技術指標：
l 把輸入直徑5mm~100mm的金屬顆粒物按不同尺寸分成4道進行輸出；
l 結構方案要合理、體積小、易于制造。
系審查意見：
負責人簽字： 年 月 日
金屬顆粒物分道給料裝置設計
摘要
廢舊有色金屬回收利用是節(jié)約能源、減少環(huán)境污染、實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的有效手段。在廢舊有色金屬分選回收之前，需要一套平穩(wěn)的給料裝置。本文針對金屬顆粒物的回收設計了一套給料裝置，本給料裝置能有效將需要進行分選處理的廢舊有色金屬顆粒按照不同尺寸分成4道，平穩(wěn)地運送到分選識別系統(tǒng)。
本文應用電磁振動作為驅(qū)動源驅(qū)動物料沿螺旋形軌道運動，在軌道上設有四道“關卡“引導不同大小的顆料進入不同的軌道，同時，可以將誤進軌道的顆料過濾出去并重新回到振動盤中國，從而達到對金屬顆粒分類的目的。
用本文的方法設計的裝置結構簡單，生產(chǎn)制造方便，使用可靠，成本低。
關鍵詞：振動盤，分類裝置，廢舊金屬，軌道
Abstract
Waste non-ferrous metal recycling is an effective means to save energy and reduce environmental pollution and achieve sustainable economic development. Before the non-ferrous metal scrap recycling, need a stable feeding device. This paper aiming at the recovery of metal particles to design a feeding device, the feeding device can effectively will need to scrap non-ferrous metals processing according to different size particle sorting into 4, smoothly delivered to the sorting and identification system.
This paper introduces the application of electromagnetic vibration as the driving source material track along the spiral motion, in orbit with four "levels" to guide the different size particles into different orbits, at the same time, can be mistaken into orbit particles filtered out and returned to China on the vibration plate, so as to achieve the purpose of classification of metal particles.
Structure design of the device using this method is simple, convenient manufacture, reliable use, low cost.
Keywords: vibration plate, classification device, metal scrap, rail
目 錄
摘要 I
Abstract II
目 錄 III
一、緒論 1
1.1 課題研究內(nèi)容及意義 1
1.2 振動盤功能及結構分類 1
1.3 振動盤的特點及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
二、方案擬定 4
三、振動盤送料原理 8
3.1 工件在軌道上的受力分析 8
3.2 工件在軌道上的運動狀態(tài)分析 9
四、設計計算 14
4.1 輸送速度的計算 14
4.2 供料率Q的計算 14
4.3料斗設計 14
4.4支承彈簧的設計計算 18
4.3.1 支承彈簧的安裝角ψ計算 19
4.5電磁振動給料機的動力學計算 20
4.6 電磁參數(shù)計算 24
五、結構設計 28
5.1殼體機架的設計 28
5.2減震塊的設計 29
5.3 彈簧支架的設計 30
六、Pro/E三維軟件建模 31
6.1 Pro/E軟件簡介 31
6.2 零件建模 33
6.2.1料斗建模 33
6.2.2支架創(chuàng)建 35
6.3 虛擬裝配 36
第五章 結論 39
參考文獻 40
40
一、緒論
1.1 課題研究內(nèi)容及意義
我國是有色金屬資源短缺的國家，節(jié)約和合理使用資源顯得特別重要。世界上工業(yè)發(fā)達國家對再生資源利用相當重視。近10年來世界再生銅產(chǎn)量已占原生銅產(chǎn)量的40%~45%,美國約占本國原生銅產(chǎn)量的60%,日本約占45%，德國約占80%。世界再生鋁產(chǎn)量也占原生鋁產(chǎn)量的30%~50%，美國約占本國原生鋁的50%，日本約占90%，德國約占45%。世界再生鉛產(chǎn)量也占原生鉛產(chǎn)量的40%~60%，美國約占本國原生鉛的75%，日本約占60%，德國約占55%。鋅、鎳、鎂、錫、銻等再生資源也得到不同程度的利用。
由上可見，廢舊有色金屬回收利用是節(jié)約能源、減少環(huán)境污染、實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的有效手段。
目前我國廢舊金屬回收技術裝備水平不高，廢雜金屬拆解、揀選、收集等預處理產(chǎn)業(yè)屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，以手工操作為主，有近百萬農(nóng)民工參與，機械化和自動化程度很低，這也是我國人力資源豐富才能實現(xiàn)的。在廢雜金屬加工利用方面，除少數(shù)企業(yè)回收工藝和裝備比較先進，有一定的生產(chǎn)規(guī)模，環(huán)境保護比較好，金屬回收率比較高外，絕大多數(shù)企業(yè)和個體戶都是設備簡陋，技術落后，燒損大，能耗高，金屬回收低，而且多金屬品種混雜，質(zhì)量不穩(wěn)定，難以生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品。
在廢舊有色金屬分選回收之前，需要一套平穩(wěn)的給料裝置。本課題是省科技支撐計劃項目“廢有色金屬復合分選關鍵技術研發(fā)”的一部分，主要目標是設計一個金屬顆粒物的給料裝置，將需要進行分選處理的廢舊有色金屬顆粒按照不同尺寸分成4道，平穩(wěn)地運送到分選識別系統(tǒng)。
1.2 振動盤功能及結構分類
振動盤是一種自動組裝機械的輔助設備,是一種能自動定向排序的送料設備.能把各種產(chǎn)品有序排出來,它可以配合自動組裝設備一起將產(chǎn)品各個部位組裝起來成為完整的一個產(chǎn)品. 其工作目的是通過振動將無序工件自動有序定向排列整齊,準確地輸送到下道工序。廣泛應用于電池、五金、電子、醫(yī)藥、食品、塑膠插件、噴霧器、連接器等各個行業(yè),是解決工業(yè)自動化設備供料的必須設備。
振動盤輔助產(chǎn)品:底盤、頂盤、控制器、直線送料器、振動平臺料倉、涂層
電磁振動上供料器從結構上分:直槽往復式和圓盤扭動式.其中直槽式一般作為不需要定向整理的粉粒狀物料的給料器,或用于清洗,篩選,烘干加熱,冷卻等操作.圓盤式多用于需要定向整理的,有一定形狀和尺寸的物料的上供料。
振動盤的組成:料斗、底盤、控制器、直線送料器等配套組成. 振動盤的料斗分為筒形料斗、螺旋、線料斗、錐形料斗、等分線料斗等五種; 底盤有正
拉底盤、側拉底盤、壓電式底盤、精密底盤四種; 控制器分為普通控制器、調(diào)頻控制器、分級控制器、帶緩啟動控制器、數(shù)顯調(diào)頻控制器五種.
1.3 振動盤的特點及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
振動盤是一種應用最為廣泛的連續(xù)送料裝置。由具有螺旋料槽的料盤,支承彈簧,電磁振動器,底座及減振底腳等基本構件組成。當電磁鐵線圈中通入交變電流后,料盤被帶動,作小振幅高頻率的上下往復振動,并通過傾斜安裝的支承彈簧同時產(chǎn)生微振幅往返扭振。工件在慣性力、重力和摩擦力的綜合作用下,沿料盤內(nèi)壁的螺旋槽向上移動,并在上移過程中通過定向機構自動定向,然后由料盤上部出口處進入輸料槽,送往加工位置。通過改變電磁鐵線圈的輸入電壓,可以調(diào)整料盤的振幅,進而調(diào)整料斗的送料率。
振動盤上料裝置的主要優(yōu)點是:它無需機械傳動裝置,沒有相互摩擦的運動部件,無需潤滑,易于維護,故障少,可靠性高;它是靠微小的振動送料,沒有強烈攪拌、碰撞等現(xiàn)象,故上料平穩(wěn);適用范圍很廣,一般中小型零件都能適用,特別適用于那些尺寸小、重量輕、強度低的零件自動上料;送料率高,且易于調(diào)節(jié);易于標準化、系列化、通用化。其缺點是可能有噪聲,但設計正確和調(diào)整合適時,可以減小或避免噪聲,對大型料斗應以隔音罩進行屏蔽;不宜輸送尺寸和重量較大或有油污、水漬的工件。
國外的研究現(xiàn)狀
在工業(yè)發(fā)達國家或地區(qū)，日本、美國最具代表性，尤其是日本，對振動送料裝置的理論、設計與計算的研究比較深入與完整，也推出了許多新型與異型機構的振動送料裝置。
在已報道的裝置有三種。日本現(xiàn)已報道的壓電振動送料裝置的第一種結構，壓電片采用雙壓電晶體片。在壓電片上加交流電，雙壓電晶體片產(chǎn)生周期性的彎曲運動，帶動料槽斜向運動，進而實現(xiàn)物料的輸送。
日本已報道的第二種結構，壓電片也采用了雙壓電晶體片。
日本已報道的第三種結構，它不是應用雙壓電晶體片，而是在一對壓電片上所加的交流電相位相反。
美國報道的一種壓電驅(qū)動的螺旋型壓電振動盤，在一對壓電片上施加相位相反的交流電壓，壓電晶體產(chǎn)生長度方向的伸縮運動，驅(qū)使鋼片和彈簧片進行往復彎曲扭振。國外壓電振動送料裝置上的研究已經(jīng)取得了長足的進步，它們除了具有上述壓電振動送料裝置的共同特點外，它們也有其獨特之處：
（1）壓電片應用其長度方向上的伸縮振動模式；
（2）采用特殊制造的雙壓電晶體片，或者在一對壓電片上施加相位相反的電壓，不但增加了生產(chǎn)成本，而且大大提高對電源的要求；
（3）直進式壓電振動送料裝置都采用振動元件和料槽支撐元件分開的方式，這使振動元件的受力系統(tǒng)簡單化；
（4）多數(shù)需要增加加振體來擴大振動幅度，使裝置結構復雜化；
（5）直進式第二種結構和螺旋壓電振動送料裝置雖然料槽（料盤）的支撐元件和振動元件分開，但是振動元件仍然承受料槽（料盤）及物料的重量，使振動元件受力復雜，會影響裝置的工作穩(wěn)定性；
（6）直進式第二種結構和螺旋壓電振動送料裝置的振動元件都采用固定的安裝方式，給料槽的運動帶來很大約束，而且克服此約束將消耗更多的能量；
國內(nèi)的研究現(xiàn)狀
我國對壓電振動送料裝置的研究整體水平仍然落后于發(fā)達國家和地區(qū)，成型產(chǎn)品很少，國內(nèi)廠家的自動化生產(chǎn)線或設備上的壓電振動送料裝置大部分來自日本、美國等制造業(yè)相對發(fā)達的國家和地區(qū)。國內(nèi)較為成功的結構形式有超聲波粉體輸送裝置、壓電振動盤、浮動式壓電振動送料裝置及浮動式壓電振動螺旋送料裝置。
二、方案擬定
本課題要求是：把輸入直徑5mm~100mm的金屬顆粒物按不同尺寸分成4道進行輸出。為此，擬定了兩種方案：
方案一：
將5~100顆料分為四類:
A 直徑大于5mm，小于等于25mm
B 直徑大于25mm，小于等于50mm
C 直徑大于50mm，小于等于75mm
D 直徑大于75mm，小于等于100mm
顆料放于轉(zhuǎn)動的料筒中，顆料在轉(zhuǎn)動料筒的推力下，各種金屬顆料沿螺旋形軌道往上運動，越過頂點然后進入分料軌道。
1. 顆料在分料軌道上向前運動時，經(jīng)過第一道口子，允許直徑75mm以下顆料通過，而大于直徑75mm顆料則被擋塊擋入第一通道，通道中開有直徑75mm落料槽，如果萬一有小于75mm的顆料進入了該通道，則從該落料槽落出去，并重新放入料筒中，這樣 就將D類顆料區(qū)分開；
2. 通過第一道口子的顆料繼續(xù)在分料軌道上向前運動時，經(jīng)過第二道口子時，允許直徑直徑50mm以下顆料通過，而大于直徑50mm顆料則被擋塊擋入第二通道，通道中開有直徑50mm落料槽，如果萬一有小于直徑50mm的顆料進入了該通道，則從該落料槽落出去，并重新放入料筒中，這樣 就將C類顆料區(qū)分開；
3. 通過第二道口子的顆料繼續(xù)在分料軌道上向前運動時，經(jīng)過第三道口子時，允許直徑25mm以下顆料通過，而大于直徑25mm顆料則被擋塊擋入第三通道，通道中開有25mm落料槽，如果萬一有小于直徑25mm的顆料進入了該通道，則從該落料槽落出去，并重新放入料筒中，這樣 就將B類顆料區(qū)分開；
4. 所有通過第三道口子的顆粒都是小于直徑25mm的，讓他們進入第四通道；
方案二：
將5~100顆料分為四類:
A 直徑大于5mm，小于等于25mm
B 直徑大于25mm，小于等于50mm
C 直徑大于50mm，小于等于75mm
D 直徑大于75mm，小于等于100mm
磁振動盤是一種高效的供料裝置,它的結構簡單,能量消耗小,工作可靠平穩(wěn),工件間相互摩擦力小,不易損傷物料,改換品種方便,供料速度容易調(diào)節(jié)。從結構上分有直槽式和圓盤式兩類,從激振方式分電磁激振式、機械激振式和氣動激振式。在電子工業(yè)中,電磁式圓周振動盤常簡稱為振動盤。振動盤是借助于電磁力產(chǎn)生微小的振動,依靠慣性力和重力的綜合作用驅(qū)使件料沿料槽向上向前送進,并在送料過程中自動定向,成單行按規(guī)定的方向和位置排列送出,它是一種常用的件料上料機構。
顆料放于振動盤中，顆料在振動盤的作用力下，各種金屬顆料沿螺旋形軌道往上運動，螺旋形軌道慢慢變寬，分成四道軌道。
1. 顆料在向前運動時，經(jīng)過第四道口子，允許直徑25mm以下顆料通過，而直徑大于25mm顆料則被擋塊擋入下一通道；
2. 第三道口子，允許50mm以下顆料通過，而大于50mm顆料則被擋塊擋入第二通道口子；通道中開有25mm落料槽，如果萬一有小于25mm的顆料進入了該通道，則從該落料槽落入振動盤中
3. 第二道口子，允許75mm以下顆料通過，而大于75mm顆料則被擋塊擋入第一通道，通道中開有50mm落料槽，如有小于50mm的顆料進入了該通道，則從該落料槽落出去重新進入振動盤；
4. 第四通道允許所有大顆料通過，通道中開有75mm落料槽，如果有小于75mm的顆料進入了該通道，則落出去進入振動盤中；
三、振動盤送料原理
振動盤工作原理主要是由一個振動電磁振動器作動力,振動馬達工作時產(chǎn)生定向頻率的力.只要把振動盤看成是一種斜面，再對這個斜面進行物理學的受力分析，你就能很容易理解他的工作原理了。
為方便分析，以直槽式上供料器為例，
1 料槽 2 工件 3 支承彈簧 4 電磁鐵 基座
圖3-1 振動盤工作原理
電磁振動上供料器的工作過程，是由于電磁鐵的吸引和支承彈簧的反向復位作用，使料槽產(chǎn)生高速、高頻（50~100次/秒）、微幅（0.5~1mm）振動，使工件逐步向高處移動。
Ｉ=0時，料槽在支承彈簧作用下向右上方復位，工件依靠它與軌道的摩擦而隨軌道向右上方運動，并逐漸被加速。
Ｉ>0時，料槽在電磁鐵的吸引下向左下方運動，工件由于受慣性作用而脫離軌道,繼續(xù)向右上方運動(滑移或跳躍)。
下一循環(huán)，周而復始→工件在軌道上作由低到高的運動。
3.1 工件在軌道上的受力分析
工件在軌道上的受力：自重力、軌道反力、摩擦力、慣性力；
摩擦力、慣性力與電磁鐵的電流有關。
（1）Ｉ=0時，支承彈簧復位，軌道以加速度a1向右上方運動，工件力平衡如圖：
圖3-2
ma1cosβ+mgsinα=F=μN ?。?—1）
ma1sinβ+mgcosα=N （3—2）
（2）Ｉ>0時，電磁鐵吸引，軌道以加速度a2向左下方運動，工件受力平衡如圖1-42：
圖3-3
ma2cosβ-mgsinα=F=μN （3—3）
ma2sinβ-mgcosα=-N （3—4）
3.2 工件在軌道上的運動狀態(tài)分析
（1）運動分析
根據(jù)受力分析，工件在軌道上的運動有兩種可能性：
A、因慣性沿軌道下滑，此時Ｉ=0，且有
ma1cosβ+mgsinα>μN ?。?—5）
a1>g(sinα-μcosα)/(μsinβ-cosβ) ?。?—6）
當軌道向右上方運動的加速度a1滿足上式時，工件便會沿軌道下滑。這對振動上供料機構是不希望出現(xiàn)的。
B、沿軌道上行，此時根據(jù)電磁鐵吸合與否可得：
Ｉ=0，a1≤g(sinα-μcosα)/(μsinβ-cosβ) ?。?—7）
Ｉ>0，a2≥g(sinα+μcosα)/(μsinβ+cosβ) ?。?—8）
電磁振動供料器要實現(xiàn)預定的上供料，軌道向右上方運動的加速度a1和向左下方運動的加速度a2必須滿足上述工件沿軌道上行時的條件式。工件沿軌道上行時的運動狀態(tài)隨多種條件而變。
（2）運動狀態(tài)
圖3-4 工件在料道上的運動狀態(tài)
(a)連續(xù)跳躍；(b)斷續(xù)跳躍；(c)連續(xù)滑移；(d)斷續(xù)滑移
注：圖示為料槽的兩極限位置。
A、連續(xù)跳躍
運動過程：
Ｉ=0、彈簧使料斗復位，工件依靠摩擦、空間位置從A點上行到B點；
Ｉ>0、電磁鐵吸合，由于慣性、工件由B點跳躍起來（騰空時間≥料斗運行至最下方的時間）
Ｉ=0、工件再落至軌道上時已到達C點→后又隨軌道上行到D點。
如此往復，工件“隨軌道上行--跳躍--再隨軌道上行…”
工件跳躍式前進，跳躍間距為AC段。
特點：
/工件具有大的供料速度，供料率高；
/工件運動平穩(wěn)性差，對定向不利；
/適用于形狀簡單、定向要求不高的件料及供料速度較大的場合。
運行條件：電磁鐵吸力、料槽振幅及拋射角較大。
但工件騰空時間過大→料斗復位時工件再落至軌道過晚→A點與C點的間距縮小，甚至落回原處而沒有前移。
B、斷續(xù)跳躍
運動過程：
Ｉ=0、彈簧使料斗復位，工件依靠摩擦、空間位置從A點上行到B點；
Ｉ>0、電磁鐵吸合，由于慣性、工件由B點跳躍起來
（騰空時間<料斗運行至最下方的時間）
工件很快落至軌道上的C點、并隨軌道下行到D點；
Ｉ=0、工件再隨軌道從空間位置D點上行到E點。
如此往復，工件“隨軌道上行--跳躍后隨軌道下行--再隨軌道上行…”
工件斷續(xù)跳躍式前進，跳躍間距為AD段。
特點：
/工件具有較大的供料速度，供料率較高；
/工件運動平穩(wěn)性一般。
運行條件：電磁鐵吸力、料槽振幅及拋射角中等。
C、連續(xù)滑移
運動過程：
Ｉ=0、彈簧使料斗復位，工件依靠摩擦、空間位置從A點上行到B點；
Ｉ>0、電磁鐵吸合，由于慣性、工件沿軌道由B點滑移
（滑移時間≥料斗運行至最下方的時間）
Ｉ=0、工件停下時已滑移至C點→后又隨軌道上行。
如此往復，工件“隨軌道上行--滑移--再隨軌道上行…”
工件滑移式前進，滑移間距為AC段。
特點：
工件具有較大的供料速度和供料率；
工件運動平穩(wěn)，利于定向；
適用于形狀較規(guī)則、有定向要求的件料及供料速度較大的場合。
運行條件：電磁鐵吸力、料槽振幅及拋射角均較跳躍時的小。
D、斷續(xù)滑移
運動過程：
Ｉ=0、彈簧使料斗復位，工件依靠摩擦、空間位置從A點上行到B點；
Ｉ>0、電磁鐵吸合，由于慣性、工件沿軌道由B點滑移
（滑移時間<料斗運行至最下方的時間）
工件很快停在軌道上的B′點、并隨軌道下行到C點；
Ｉ=0、工件再隨軌道從空間位置C點上行。
如此往復，工件“隨軌道上行--滑移后隨軌道下行--再隨軌道上行…”
工件斷續(xù)滑移式前進，滑移間距為AC段。
特點：
工件供料速度和供料率較小；
工件運動平穩(wěn)，亦利于定向；
適用于有定向要求但供料速度要求不高的場合。
運行條件：電磁鐵吸力、料槽振幅及拋射角均小。
綜上所述：設計合理、不產(chǎn)生跳躍、平穩(wěn)滑移、供料較快的方式為
連續(xù)滑移。
3.3 工件在軌道上滑移和跳躍的條件
（1）滑移條件
由前分析，工件沿軌道上行滑移的條件
a1≤g(sinα-μcosα)/(μsinβ-cosβ)
a2≥g(sinα+μcosα)/(μsinβ+cosβ)
如取α=2°（常為1~2°），β=20°（常為15~25°），μ=0.41，則
a1≤0.47g
a2≥0.41g
所以，只要合理設計，使軌道向左下方運行的加速度a2滿足一定條件，便可獲得預定的滑移狀態(tài)。
（2）跳躍條件
工件在慣性力作用下產(chǎn)生跳躍，脫離軌道，此時受力為
ma2sinβ-mgcosα=0
所以產(chǎn)生跳躍的條件為
a2≥gcosα／sinβ
同上取α=2°，β=20°，μ=0.41，則有
a1≤0.47g
a2≥2.92g
如將料槽受電磁力作用產(chǎn)生的振動視作簡諧振動，其頻率為f、振幅為A，則軌道最大加速度amax為
amax=2π2f2A
所以，當amax=2π2f2A=a2≥gcosα／sinβ，工件就會產(chǎn)生跳躍式前進。
由上分析可知，連續(xù)跳躍所需加速度a2最大，斷續(xù)滑移時a2最小。
圓筒形料斗與直槽形的工作原理、件料運動狀態(tài)完全相同，但振動形式有區(qū)別：直槽形料斗是往復直線式振動，而圓筒形是往復扭轉(zhuǎn)式振動。
電磁振動盤是由一個電磁振動器（電磁吸鐵和銜鐵的總稱）作動力，將電能換為機械振動能，料斗下面有個脈沖電磁鐵，可以使料斗垂直方向振動，由于多組（3組及以上）彈簧片的傾斜，使料斗繞其垂直軸做扭擺振動。料斗內(nèi)零件，由于受到這種振動，而沿螺旋軌道上升，直到送到出料口。
在電磁振動器作用下，料斗作扭轉(zhuǎn)式上下振動，使工件沿著螺旋軌道由低到高移動，并自動排列定向，直至上部出料口而進入輸料槽，然后由送料機構送至相應工位。
四、設計計算
4.1 輸送速度的計算
振動給料機輸送速度與物料的物理性質(zhì)、料層厚度以及振動頻率、振幅、振動方向角有關。
當物料顆粒在振動槽中的垂直向上加速度分量達到-g后，以槽體的速度脫離輸送槽，在拋擲過程中只受地心引力作用，而且重新與槽體接觸時只引起塑性沖擊，則輸送理論速度可以用下式計算：
(m/s) (4-1)
=
=0.08（m/s）
式中g ——重力加速度(m/)
f ——振動頻率(Hz)
n ——系數(shù)。(上式中n取0.9)
4.2 供料率Q的計算
振動上料器的供料率取決于供料器的給料速度；
給料速度一般用工件在料道上移動的平均速度來估算。
料斗結構確定之后，上料器的供料率為：
3.84
式中——輸送速度
——有效率，取0.9
4.3料斗設計
1、料斗的結構設計
料斗的結構多樣，大多采用圓筒形結構。
圖4-1 料斗結構
料斗筒體與軌道：
一般料斗：筒體與螺旋軌道采用整體結構（車制軌道或整體鑄造）。
大型料斗：常采用拼焊結構形式。
軌道的工作面一般與料斗內(nèi)壁成直角，有時向上傾斜5°~10°。
料斗筒體與筒底（料斗底盤）
一般分別加工，再用螺釘連接（是由于工藝原因）；
筒體與筒底的連接須注意同心度和牢靠；
筒底上部一般做成錐形（錐角160°~170°）。
料斗底盤與銜鐵之間應裝有隔磁板（銅或鋁材），或用隔磁材料做底盤。
軌道及其出口：
軌道最上部的出料口應以切線方向伸出一段距離。
出料口與輸料槽的連接方法有對接法和承接法，且出料口（振動）與輸料槽（靜止）之間應留有間隙δ（如圖）。
圖4-2 出料口
料斗的零件材料選用：
料斗應盡量做得輕巧→系統(tǒng)易起振。
重量輕、易加工、表面光潔，耐磨損、隔磁，成本低。
常用材料有：
不銹鋼——表面光潔、耐磨，但加工困難、成本高、比重大；
鋁合金——質(zhì)輕、不會磁化，但表面不光；
銅合金——加工方便、不會磁化，但比重也較大；
硬塑料或有機玻璃——都較輕、表面光潔，但耐磨性較差。
2、振動盤中工件定向方法
電磁振動上供料器中的單件在進入加工工位前，要求沿料道自下而上，并自動排列、定向。
自動定向常采用剔除法——根據(jù)工件形狀、重心，在軌道上安置擋塊、缺口、斜面、槽子等，以使不符合定向的工件被矯正或剔除，而符合定向的工件順利通過，從而實現(xiàn)自動排列、定向。
3、料斗的尺寸計算
1)、料斗的螺旋升角
由升程及中徑小決定：
越小→工件平均速度就高
但升程減小→料道螺旋圈數(shù)增加→料斗尺寸增大。
太大→工件上料速度降低，甚至無法向上滑移。
根據(jù)工件上行滑移的臨界條件(a1
1.5h+δ=156(mm)，滿足要求。
4) 料斗的高度H
(mm) （n-螺旋料道的圈數(shù)：1.5~3.5）
考慮到料斗外觀勻稱，應使 H=（1/4~1/2）D。
（三）振動升角（工件拋射角）的確定
振動升角β由主振彈簧的安裝角ψ及料道升角α確定。
β的大小直接影響作用在工件上的慣性力，要選擇合理；
β選得太小——影響工件移動速度、所需電磁力增加；
β選得太大——工件不易前進或只會上拋。
根據(jù)受力分析可得： ，
鋼與鋁的摩擦系數(shù)為=0.605，鋼與銅的摩擦系數(shù)為=0.508
按鋼與銅的摩擦系數(shù)為=0.508取，
4.4支承彈簧的設計計算
支承彈簧的作用：電磁振動供料器的料斗通過其安裝在基座上。
圓筒形料斗一般采用三根彈簧支承。
支承彈簧的截面有矩形和圓形：
矩形截面的稱為板彈簧——寬度和厚度常不一致，其剛度在不同方向上差別較大，故安裝要求較高，支座形式如圖。
圓形截面的稱為圓彈簧——圓柱彈簧桿加工容易，各向剛度一致，故安裝調(diào)整方便,支座形式如圖。
4.3.1 支承彈簧的安裝角ψ計算
圖4-3 支承彈簧
支承彈簧的安裝角ψ——支承彈簧處于靜止時與垂直面的夾角。
圖4-4 支承彈簧
是保證工件獲得拋射角β的結構性措施；
是影響工件在料道上的運動狀態(tài)和供料速度的重要幾何參數(shù)；
ψ與β和α及彈簧固結點有關：
圖4-5 安裝角度
1）當彈簧固結點處在料斗中徑圓上的A點，即OA=R，則
彈簧安裝角ψ與直槽形料斗相同，ψ=β+α；
2）對大型料斗（D≥500mm），為減少基座尺寸，則
將固結點設在半徑r處, tanψ=R/rtan(β+α)
ψ=arctan［R/rtg(β+α)］
R——料道中徑圓半徑 ；
r——彈簧固結點分布圓半徑。
在確定料道升角α、振動升角β及R和r之后，就可確定彈簧的安裝角ψ。
4.5電磁振動給料機的動力學計算
現(xiàn)擬定電磁振動盤的給料量為2t/h，振動頻率ω=314rad/s，調(diào)諧指數(shù)z=0.9，其動力參數(shù)計算如下：
初步分配質(zhì)量比
質(zhì)量m1為前質(zhì)量，包括給料槽、給料槽物料的結合質(zhì)量、聯(lián)接叉、銜鐵、主振彈簧折算質(zhì)量等幾部分。質(zhì)量m2為后質(zhì)量，包括振動器殼體、鐵芯、線圈和主振彈簧折算質(zhì)量部分及配重等。
由已知質(zhì)量比可以確定主振彈簧采用板彈簧。
+=700kg
可以計算出=330kg，=370kg，則
(2)求質(zhì)體1和質(zhì)體2振幅
在振動方向上，由于k1＜＜k2，所以可忽略k2的影響。將兩方程式相加可得：
也就是說，在每個瞬時，質(zhì)體的慣性力與外阻力之和為零。同時外阻力近似地均布在兩個質(zhì)體上，大小相等方向相反，即：
則可得：
當強迫振動系統(tǒng)滿足時，則：
因此，電磁振動給料機具有質(zhì)量與振幅成反比的特性，即：
式中 、——分別為質(zhì)體1和質(zhì)體2的振幅。
相對振幅A一般由一次諧波激振力幅和二次諧波激振力幅組成。
可得出：
(4)計算質(zhì)量m
雙質(zhì)體振動系統(tǒng)振動時，在彈簧上有一點處于景致，這一點稱為震動系統(tǒng)的惰性中心，它隨兩個質(zhì)量比的不同而處于不同位置。當時，惰性中心在處。當時，惰性中心接近處。如果比值更大，則雙質(zhì)量振動系統(tǒng)變?yōu)閱钨|(zhì)量振動系統(tǒng)。可以簡化為單質(zhì)量的強迫振動系統(tǒng)，其方程為：
可得出
式中 m——計算質(zhì)量（kg）；
c——摩擦阻尼力折算系數(shù)。
(5)主振彈簧剛度k1
在不考慮阻尼時，可以認為和均以惰性中心為靜止點，以相同頻率作相對運動，則振動系統(tǒng)固有頻率為：
（rad/s）
因此 (其中z取0.9)
ω ——角頻率(rad/s)；
z——調(diào)諧指數(shù)；（z取0.9）
(6)激振力幅F及力與位移的夾角α的計算
方程 的特解為：
，z=0.9~0.95
，b=0.05~0.07
得，
式中 x——相對位移（m）；
F——激振力幅（N）；
——共振放大系數(shù)：
——激振力之后位移的相位角；
z——調(diào)諧指數(shù)；
b——衰減系數(shù)。
激振力為主振彈簧最大變形與彈簧剛度之積：
將式(2.20)代入式(2.16)，激振力為：
（N）
取b=0.07，則
式中 A——相對振幅（m）；
z——調(diào)諧指數(shù)；（z取0.9 ）
b——衰減系數(shù)；(b取0.07)
——主振彈簧剛度（N·m）。
所謂共振放大系數(shù)即在激振力F的作用下，主振彈簧的動態(tài)變形量與靜態(tài)變形量之比，即相對振幅與靜變形量之比。可以看出，在系統(tǒng)振動狀態(tài)下，阻尼的變化或調(diào)諧指數(shù)的變化都將直接影響振幅的穩(wěn)定性。通常電磁振動機械選擇在低臨界近共振狀態(tài)下工作，即=0.9~0.95，以獲得較穩(wěn)定的振幅和用較小的激振力獲得較大的效能。
阻尼系數(shù)為參變量，在低臨界近共振狀態(tài)下，由于外部因素，如料槽中物料量增加或料倉壓力增大等因素影響，阻尼增大時，其振動振幅將降低。但與此同時，震動系統(tǒng)固有頻率也減小，而使調(diào)諧指數(shù)趨近于1，則振幅趨于增加，達到相互補償作用。當阻尼減小時，則上述因素將向相反方向變化，同樣能保持這種相互補償關系，從而可使電磁振動給料機穩(wěn)定運行。
當調(diào)諧指數(shù)接近1時，即電磁振動給料機在接近共振狀態(tài)下工作，雖然所需激振力較小，但是阻尼的變動對共振放大系數(shù)和振幅的影響更加敏感，機器的運行穩(wěn)定性就差。所以對大型電磁振動給料機一般取z=0.9，小型的取z=0.93~0.95。
4.6 電磁參數(shù)計算
根據(jù)動力學參數(shù)所確定的工作頻率、相對振幅、激振力幅及力與位移相位差角和環(huán)境要求進行電磁參數(shù)計算。
傾角為時，輸送能力為的電磁振動盤，動力學參數(shù)：工作頻率為，相對振幅，激振力幅，力于位移相位差角，供電電壓，。由此可得電磁參數(shù)如下：
選擇可控晶閘管半波整流激磁方式。鐵芯形式選擇“山”型鐵芯，材料選用DW240-95硅鋼片。
(1) 選定氣隙磁密，決定磁極面積
根據(jù)半波整流激磁方式和硅鋼片磁密許用值，對于DW240-95硅鋼片一般取氣隙基本磁密，所以半波整流磁極面積為：
式中 S＇ ——磁極面積(m2)；
F ——激振力(N)；
K1 ——磁力線邊緣效應系數(shù)，K1=1.1；
K2 ——電阻影響系數(shù)，K2=0.97；
μ0 ——真空導磁率，μ0=4π×10-7H/m；
B0 ——氣隙基本磁密，取B0=1.0 T。
(2) 決定鐵芯磁密并求出電磁線圈匝數(shù)
由于漏磁通的存在，所以氣隙磁密小于鐵芯中的磁密。鐵芯中磁密與氣隙磁密的比值稱為漏磁系數(shù)。在計算鐵芯磁密時，還要考慮硅鋼片在加工工藝中涂漆厚度和疊片壓緊程度。鐵芯磁密為：
式中 ——鐵芯磁密(T)；
—— 漏磁系數(shù)，當鐵芯與銜鐵之間氣隙時，；
—— 填充系數(shù)，；
—— 疊片壓緊系數(shù)，。
線圈匝數(shù)為：
式中 ——綜合影響系數(shù)，。
（3）激磁電流
基本電流：電磁振動給料機在交流供電電壓下的瞬時值電流。它有三部分組成：直流分量、一次諧波分量、高次諧波分量[6]。
直流分量：
一次諧波分量：
二次諧波分量：
總電流有效值：
（4）電磁線的選擇
一般小型振動器的電磁線的電流密度選取j=2A/mm2,并根據(jù)環(huán)境要求選擇電磁線的絕緣強度及層間絕緣材料。
本設計取j=2A/mm2，采用“山”形鐵芯，則
電磁線截面積：
電磁線直徑：
（5）視在功率：
（6）有功功率：
（7）功率因數(shù)：
五、結構設計
5.1殼體機架的設計
殼體是各種機械的基本部件，它主要是起支承作用。機械的其他部件一般固定在殼體上，有些部件是在殼體的導軌面上運動。殼體起的基準的作用，以保證各部件間正確的相對位置，并且使整個機器組成一個整體。在其他部件及工件本身的重量和工作過程中的載荷（包括各種沖擊力）作用下，殼體要有足夠的強度而且變形不超過允許值。此外還應考慮機體的動剛度、阻尼、熱變形、尺寸穩(wěn)定性、疲勞強度等。
殼體設計準則
底座、機架、箱體、基板等零件都屬于殼體機架零件。
機架零件可劃分為四大類：即機座類、機架類、基板類和箱殼類，對機架零件一般可提出下列要求:
(1)工況要求：即任何機架的設計首先必須保證機器的特定工作要求。例如，保證機架上安裝的零部件能順利運轉(zhuǎn)，機架的外形或內(nèi)部結構不致有阻礙運動件通過的突起,設置執(zhí)行某一工況所必需的平臺；保證上下料的要求、人工操作的方便及安全等。
(2)剛度要求：在必須保證特定的外形條件下，對機架的主要要求是剛度。如果基礎部件的剛性不足，則在工作的重力、夾緊力、摩擦力、慣性力和工作載荷等的作用下，就會產(chǎn)生變形，振動或爬行，而影響產(chǎn)品定位精度、加工精度及其它性能。例如機床的零部件中，床身的剛度則決定了機床的生產(chǎn)率和加工產(chǎn)品的精度。
(3)強度要求：對于一般設備的機架，剛度達到要求，同時也能滿足強度的要求
(4)穩(wěn)定性要求：對于細長的或薄壁的受壓結構及受彎-壓結構存在失穩(wěn)問題，某些板殼結構也存在失穩(wěn)問題或局部失穩(wěn)問題。失穩(wěn)對結構會產(chǎn)生很大的破壞，設計時必須校核。
(5)美觀：目前對機器的要求不僅要能完成特定的工作，還要使外形美觀。
(6)其它：如散熱的要求，防腐蝕及特定環(huán)境的要求。
在滿足機架設計準則的前提下，必須根據(jù)機架的不同用途和所處環(huán)境，考慮下列各項要求，并有所偏重。
(1)機架的重量輕，材料選擇合適，成本低。
(2)結構合理，便于制造。
(3)結構應使機架上的零部件安裝、調(diào)整、修理和更換都方便。
(4)結構設計合理，工藝性好，還應使機架本身的內(nèi)應力小，由溫度變化引起的變形應力小。
(5)抗振性能好。
(6)耐腐蝕，使機架結構在服務期限內(nèi)盡量少修理。
(7)有導軌的機架要求機架導軌面受力合理，耐磨性良好。
殼體一般是機器中尺寸最大的部件，它往往與機器的整體布局，機器的造型美觀，操作方便，加工工藝性等都有很大關系。殼體是個鑄件，小型激振器一般采用灰鑄鐵HT20-40，大型激振器一般采用鑄鋼ZG45或球墨鑄鐵QT40-17。以往設計的殼體曾使用過鑄鐵的材料，但鑄鐵容易疲勞，壽命很短，所以本次設計選用鑄鐵材HT200為殼體材料。殼體的尺寸除了應滿足結構設計要求外，還必須按配重的要求來確定其重量，需要時外加配重進行調(diào)整。
圖5-1 殼體底座
5.2減震塊的設計
動給料機安裝在基礎或結構上時，為了使振動慣性力不傳遞或少傳遞給基礎應當采用彈性支撐隔振方法。本設計采用座式橡膠減振塊。
由于粘性阻尼的存在對緩和共振是有效的，而對隔振是不利的。因此，在使用減震塊支撐振動機械時，為了防止在啟動或停車過程進入共振狀態(tài)，則需并用阻尼器。小振幅時，使衰減不起作用，而且不干擾隔振。
座式減震塊由于其結構簡，不受環(huán)境影響，因而在振動給料機中被廣泛使用。
圖5-2 減震塊
5.3 彈簧支架的設計
彈簧支架一主要為支撐彈簧板，由上面的計算知道，彈簧板的傾角為39.48度，所以彈簧支架傾角為90+39.48=129.48度。
圖5-3 彈簧板支架
六、Pro/E三維軟件建模
6.1 Pro/E軟件簡介
Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設計領域占據(jù)重要位置。
Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設計領域占據(jù)重要位置。
1）Pro/Engineer
Pro/Engineer是軟件包，并非模塊，它是該系統(tǒng)的基本部分，其中功能包括參數(shù)化功能定義、實體零件及組裝造型，三維上色，實體或線框造型，完整工程圖的產(chǎn)生及不同視圖展示（三維造型還可移動，放大或縮小和旋轉(zhuǎn)）。Pro/Engineer是一個功能定義系統(tǒng)，即造型是通過各種不同的設計專用功能來實現(xiàn)，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽殼（Shells）等，采用這種手段來建立形體，對于工程師來說是更自然，更直觀，無需采用復雜的幾何設計方式。這系統(tǒng)的參數(shù)比功能是采用符號式的賦予形體尺寸，不象其他系統(tǒng)是直接指定一些固定數(shù)值于形體，這樣工程師可任意建立形體上的尺寸和功能之間的關系，任何一個參數(shù)改變，其也相關的特征也會自動修正。這種功能使得修改更為方便和可令設計優(yōu)化更趨完美。造型不單可以在屏幕上顯示，還可傳送到繪圖機上或一些支持Postscript格式的彩色打印機。Pro/Engineer還可輸出三維和二維圖形給予其他應用軟件，諸如有限元分析及后置處理等，這都是通過標準數(shù)據(jù)交換格式來實現(xiàn)，用戶更可配上 Pro/Engineer軟件的其它模塊或自行利用 C語言編程，以增強軟件的功能。它在單用戶環(huán)境下（沒有任何附加模塊）具有大部分的設計能力，組裝能力（運動分析、人機工程分析）和工程制圖能力（不包括ANSI， ISO， DIN或 JIS標準），并且支持符合工業(yè)標準的繪圖儀（HP，HPGL）和黑白及彩色打印機的二維和三維圖形輸出。Pro/Engineer功能如下：
1．特征驅(qū)動（例如：凸臺、槽、倒角、腔、殼等）；
2．參數(shù)化（參數(shù)=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等）；
3．通過零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數(shù)之間（如表面積等）的關系來進行設計。
4．支持大型、復雜組合件的設計（規(guī)則排列的系列組件，交替排列，Pro/PROGRAM的各種能用零件設計的程序化方法等）。
5．貫穿所有應用的完全相關性（任何一個地方的變動都將引起與之有關的每個地方變動）。其它輔助模塊將進一步提高擴展 Pro/ENGINEER的基本功能。
2）Pro/E機構運動仿真
工程師無需等待物理原型就能測試產(chǎn)品的動力行為。利用 Pro/ENGINEER 機構動力學仿真，您可以虛擬地仿真包含運動元件的系統(tǒng)中的作用力和加速度。而且，您可以綜合考慮諸如彈簧、電動機、摩擦力和重力等動力影響，相應地調(diào)整產(chǎn)品性能。改善檢驗和認證過程并最大程度地提高設計信心，而無需承受制造昂貴原型的負擔。
與設計和分析工具完全集成，從而無需再花費時間、精力和金錢來處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和關聯(lián)的錯誤。
利用Pro/E機構仿真有以下優(yōu)點：
? 可以創(chuàng)建虛擬樣機在桌面計算機中進行測試，從而降低開發(fā)成本 模擬賽車懸架所受到的實際作用力。
? 能夠更快速和更早地將變更反映在產(chǎn)品中，并從桌面計算機測試中即時獲得結果。
? 通過縮短開發(fā)時間率先向市場推出更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。
? 通過對產(chǎn)品壽命進行更準確的估計，從而可降低保修成本。
? 利用具體的動畫式生產(chǎn)指令進行裝配，可以避免代價高昂的制造錯誤。
? 通過利用從虛擬測試中所節(jié)省的時間來評估更多設計構思，從而可開發(fā)出更新穎的產(chǎn)品。
? 在易于學習、直觀明了的用戶界面中工作。
6.2 零件建模
6.2.1料斗建模
料斗建模，利用 “拉伸”命令創(chuàng)建出曲柄主體，創(chuàng)建圓柱。
圖6-1 拉伸
用螺旋掃描命令創(chuàng)建出料道
圖6-2 用螺旋掃描
同樣，采用螺旋掃描，拉伸，旋轉(zhuǎn)等命令創(chuàng)建出其它特征
圖6-3 料筒
6.2.2支架創(chuàng)建
利用拉伸命令，打孔命令創(chuàng)建出支架：
圖6-4 支架
6.2.3 托盤創(chuàng)建
1）利用“拉伸”、旋轉(zhuǎn)、打孔等命令，創(chuàng)建一個托盤：
圖6-5 托盤
6.3 虛擬裝配
應用前述建立的各零件的三維圖型進行虛擬裝配，首先進行子裝配，完成子裝配工作后，進行總裝配。零件裝配好了以后，進行裝配體的干涉檢查，以便確定裝配體中各零件之間是否存在實體邊界沖突(即干涉)、沖突發(fā)生在何處、進而為消除沖突做好準備。一般對零件較多或裝配要求較嚴格的裝配體，應該裝配好—個零件就進行一次裝配檢查，這樣可以及時發(fā)現(xiàn)錯誤，及時修正。
1）裝配彈簧組件
圖6-6 彈簧組件
2）裝配總裝件
圖6-7 總裝圖
第五章 結論
廢舊有色金屬回收利用是節(jié)約能源、減少環(huán)境污染、實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的有效手段。在廢舊有色金屬分選回收之前，需要一套平穩(wěn)的給料裝置。本課題是省科技支撐計劃項目“廢有色金屬復合分選關鍵技術研發(fā)”的一部分，主要目標是設計一個金屬顆粒物的給料裝置，將需要進行分選處理的廢舊有色金屬顆粒按照不同尺寸分成4道，平穩(wěn)地運送到分選識別系統(tǒng)。
在本次設計中，通過多方搜集資料，在紛繁復雜的計算中探究，應用機械原理、機械設計和機械制造知識，根據(jù)廢金屬顆料的特點，擬定了金屬顆粒物的給料裝置的原理方案，采用電磁振動的原理送給料，在送給料的軌道上設計四道“關卡“實現(xiàn)不同規(guī)格的顆粒分類。
通過這次設計，提高了我分析和解決問題的能力，擴寬和深化了學過的知識，掌握了設計的一般程序規(guī)范和方法，培養(yǎng)了我們正確使用機身材料、國家標準、圖冊等工具書的能力。
總的說來，本次設計在嚴謹、求實中完成，這將對我的一生都有啟迪和警示作用。由于本人經(jīng)驗不足，設計中不妥之處在所難免，懇請各位老師和同學提出建議和意見，我會誠懇地接受并在今后的設計中改正。
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