? 连杆筛分机构的设计与运动仿真 连杆筛分机构的设计与运动仿真
闫庭成
(山西焦煤集团 西山煤电股份有限公司 西曲矿，山西 太原 030200)
摘要：应用连杆机构轨迹发生原理，设计了一种连杆筛分机构来代替传统激振器筛分机构，并利用动力学软件ADAMS对该机构进行虚拟样机建模与动力学仿真，获得其运动轨迹曲线。通过分析可知，该机构运动轨迹符合预期要求，验证了连杆筛分机构代替传统激振器筛分机构的方案是可行的。
关键词：连杆机构；筛分；动力学仿真
0 引言
振动筛在煤炭、冶金、矿山等工业领域有着极为广泛的应用。振动筛筛面的运动轨迹决定了物料的运动轨迹，振动筛筛面的运动轨迹主要有直线、圆和椭圆，相对应有直线振动筛和圆振动筛，其中轨迹为椭圆的振动筛更为常见。传统振动筛采用偏心块激振器作为激振源，这种结构较为复杂，故障率高，因此寻求一种基于简单可靠的机构的振动筛来代替传统偏心块激振器振动筛显得极为重要。
1 传统振动筛的基本组成及工作原理
圆振动筛是指筛面的运动轨迹为圆形或椭圆形的振动筛，筛面的运动使得筛面上的物料不断地翻转和振动，实现不同粒径物料的筛分，它具有筛分效率高、处理能力强等特点。
1.1 传统振动筛组成
传统振动筛由激振器、筛箱、弹性支撑等组成，如图1所示。由电机直接驱动相向旋转的2组偏心块激振器产生定向的简谐力，使筛箱作往复振动。这种振动筛的激振器故障率高，检修较为繁琐。
1.2 传统振动筛工作原理
根据不同的筛分需求，实现筛面的运动轨迹，使物料在筛面上作相应的抛掷和翻滚运动，按入料颗粒粒径大小不同而实现不同的运动。粒径大的颗粒质量越大，所具有的动能越大，物料运动也越剧烈，这些大粒度物料颗粒克服筛面上的摩擦力向物料上层运动，最后运动到所入物料的上层；反之，粒径较小的物料颗粒由于其动能小，在物料的抛掷翻转过程中到达物料的下层；最后不同粒径的物料在振动筛筛面上实现分层，从而实现不同粒径物料的筛分。
2 连杆机构
连杆机构具有结构简单、刚度大、承载能力强、惯性低等特点，在各种机械和机构中有着广泛的应用，为此提出了基于连杆机构的筛分机构。其筛分工作原理不同于传统振动筛，主要利用连杆机构可以实现空间任意运动轨迹的原理，将其应用到物料的筛分机构中。
图1 基于激振器的振动筛筛分原理
连杆机构通过改变杆长使连架杆上某点按预定轨迹运动，常用的连杆机构设计方法有作图法和解析法。通过查阅连杆机构的图谱得到的做椭圆运动的铰链四连杆机构如图2所示。图2中，连架杆上E点的轨迹近似为椭圆形，可以取E点做为筛分机构的筛面基准，通过精确求解连杆机构的各参数使得连杆机构E点的运动轨迹与振动筛筛面运动轨迹相重合，从而实现基于连杆机构的振动筛。
图2 铰链四杆机构
3 设计方案及动力学仿真
基于图2所示机构，按设计要求通过解析法确定相关杆件的尺寸，由于计算过程较为复杂，省略详细计算过程，计算得到的杆件尺寸如下：L1=120 mm,L2=280 mm,L3=280 mm,L4=185 mm,L5=280 mm,L6=230 mm。
为了验证设计的合理性，应用动力学软件ADAMS对基于以上参数设计的机构进行动力仿真分析。根据以上的设计方案及相关尺寸在ADAMS中进行连杆机构建模和约束载荷施加，将机架器AB与地面固定约束，曲柄AD与摇杆BC分别与机架AB和连架杆CD添加旋转副，固定杆CE与固定杆DE与连架杆CD为一整体，采用固定约束，给曲杆AD器施加30°/s的转动速度。机构在ADAMS中的约束与运动载荷的施加结果如图3所示。设置相关计算步长与时间，进行仿真求解。
图3 四连杆机构的运动副与运动添加
通过ADAMS中的模拟仿真，得到E点在XY平面内的精确轨迹曲线，如图4所示。通过对比预期设计方案轨迹与机构的仿真轨迹，可以看出机构的运动轨迹与预期设计轨迹基本吻合。
4 结语
筛面的运动轨迹直接影响着筛分设备的整体性能，通过改变连杆机构的杆长可以使连杆机构的运动轨迹与传统振动筛筛面的运动轨迹一致，故连杆机构应用于筛分机构的方案是可行的。根据不同设计要求改变连杆机构的相关参数可实现预期空间的任意轨迹，与传统激振器筛分器相比，连杆筛分机构具有运动轨迹精确稳定、结构简单等特点，具有较高的应用与推广价值。
图4 筛面运动轨迹
参考文献：
[1]梁崇高.平面连杆机构的计算设计.北京：高等教育出版社，1993.
[2]李军，刑俊文，覃文浩，等.ADAMS实例教程.北京：北京理工大学出版社，2002.
[3]马端志,何小特,牛艳奇.四连杆机构运动轨迹对液压支架整体性能的影响.煤矿开采，2009(10)：62-64.
[4]谭晓兰.四位置铰链四杆机构综合与分析的可视化软件系统.机械设计，2004(7):58-60.
文章编号：1672-6413(2016)04-0113-02
收稿日期：2015-10-28；
修订日期：2016-05-12
作者简介：闫庭成(1984-)，男，山西应县人，助理工程师，本科，主要从事选煤方面的技术工作。
中图分类号：TP391.7∶TD452
文献标识码：A
Design and Motion Simulation of Sieve Linkage Mechanism
YAN Ting-cheng
(Shanxi Coking Coal Group Xishan Coal Electricity Co., Ltd., Taiyuan 030200, China)
Abstract： By analyzing the linkage trajectory, we design a sieve which applies a connecting rod mechanism instead of traditional vibrator. The model of sieve linkage mechanism is set up, the dynamic simulation is conducted by ADAMS, and the trajectory curve is obtained through the analysis. The results show the mechanism’s motion trajectory can meet the expected requirements, and verifies the connecting rod sieve mechanism scheme is feasible.
Key words： linkage mechanism; sieve; dynamic simulation
? 连杆筛分机构的设计与运动仿真 连杆筛分机构的设计与运动仿真
闫庭成
(山西焦煤集团 西山煤电股份有限公司 西曲矿，山西 太原 030200)
摘要：应用连杆机构轨迹发生原理，设计了一种连杆筛分机构来代替传统激振器筛分机构，并利用动力学软件ADAMS对该机构进行虚拟样机建模与动力学仿真，获得其运动轨迹曲线。通过分析可知，该机构运动轨迹符合预期要求，验证了连杆筛分机构代替传统激振器筛分机构的方案是可行的。
关键词：连杆机构；筛分；动力学仿真
0 引言
振动筛在煤炭、冶金、矿山等工业领域有着极为广泛的应用。振动筛筛面的运动轨迹决定了物料的运动轨迹，振动筛筛面的运动轨迹主要有直线、圆和椭圆，相对应有直线振动筛和圆振动筛，其中轨迹为椭圆的振动筛更为常见。传统振动筛采用偏心块激振器作为激振源，这种结构较为复杂，故障率高，因此寻求一种基于简单可靠的机构的振动筛来代替传统偏心块激振器振动筛显得极为重要。
1 传统振动筛的基本组成及工作原理
圆振动筛是指筛面的运动轨迹为圆形或椭圆形的振动筛，筛面的运动使得筛面上的物料不断地翻转和振动，实现不同粒径物料的筛分，它具有筛分效率高、处理能力强等特点。
1.1 传统振动筛组成
传统振动筛由激振器、筛箱、弹性支撑等组成，如图1所示。由电机直接驱动相向旋转的2组偏心块激振器产生定向的简谐力，使筛箱作往复振动。这种振动筛的激振器故障率高，检修较为繁琐。
1.2 传统振动筛工作原理
根据不同的筛分需求，实现筛面的运动轨迹，使物料在筛面上作相应的抛掷和翻滚运动，按入料颗粒粒径大小不同而实现不同的运动。粒径大的颗粒质量越大，所具有的动能越大，物料运动也越剧烈，这些大粒度物料颗粒克服筛面上的摩擦力向物料上层运动，最后运动到所入物料的上层；反之，粒径较小的物料颗粒由于其动能小，在物料的抛掷翻转过程中到达物料的下层；最后不同粒径的物料在振动筛筛面上实现分层，从而实现不同粒径物料的筛分。
2 连杆机构
连杆机构具有结构简单、刚度大、承载能力强、惯性低等特点，在各种机械和机构中有着广泛的应用，为此提出了基于连杆机构的筛分机构。其筛分工作原理不同于传统振动筛，主要利用连杆机构可以实现空间任意运动轨迹的原理，将其应用到物料的筛分机构中。
图1 基于激振器的振动筛筛分原理
连杆机构通过改变杆长使连架杆上某点按预定轨迹运动，常用的连杆机构设计方法有作图法和解析法。通过查阅连杆机构的图谱得到的做椭圆运动的铰链四连杆机构如图2所示。图2中，连架杆上E点的轨迹近似为椭圆形，可以取E点做为筛分机构的筛面基准，通过精确求解连杆机构的各参数使得连杆机构E点的运动轨迹与振动筛筛面运动轨迹相重合，从而实现基于连杆机构的振动筛。
图2 铰链四杆机构
3 设计方案及动力学仿真
基于图2所示机构，按设计要求通过解析法确定相关杆件的尺寸，由于计算过程较为复杂，省略详细计算过程，计算得到的杆件尺寸如下：L1=120 mm,L2=280 mm,L3=280 mm,L4=185 mm,L5=280 mm,L6=230 mm。
为了验证设计的合理性，应用动力学软件ADAMS对基于以上参数设计的机构进行动力仿真分析。根据以上的设计方案及相关尺寸在ADAMS中进行连杆机构建模和约束载荷施加，将机架器AB与地面固定约束，曲柄AD与摇杆BC分别与机架AB和连架杆CD添加旋转副，固定杆CE与固定杆DE与连架杆CD为一整体，采用固定约束，给曲杆AD器施加30°/s的转动速度。机构在ADAMS中的约束与运动载荷的施加结果如图3所示。设置相关计算步长与时间，进行仿真求解。
图3 四连杆机构的运动副与运动添加
通过ADAMS中的模拟仿真，得到E点在XY平面内的精确轨迹曲线，如图4所示。通过对比预期设计方案轨迹与机构的仿真轨迹，可以看出机构的运动轨迹与预期设计轨迹基本吻合。
4 结语
筛面的运动轨迹直接影响着筛分设备的整体性能，通过改变连杆机构的杆长可以使连杆机构的运动轨迹与传统振动筛筛面的运动轨迹一致，故连杆机构应用于筛分机构的方案是可行的。根据不同设计要求改变连杆机构的相关参数可实现预期空间的任意轨迹，与传统激振器筛分器相比，连杆筛分机构具有运动轨迹精确稳定、结构简单等特点，具有较高的应用与推广价值。
图4 筛面运动轨迹
参考文献：
[1]梁崇高.平面连杆机构的计算设计.北京：高等教育出版社，1993.
[2]李军，刑俊文，覃文浩，等.ADAMS实例教程.北京：北京理工大学出版社，2002.
[3]马端志,何小特,牛艳奇.四连杆机构运动轨迹对液压支架整体性能的影响.煤矿开采，2009(10)：62-64.
[4]谭晓兰.四位置铰链四杆机构综合与分析的可视化软件系统.机械设计，2004(7):58-60.
文章编号：1672-6413(2016)04-0113-02
收稿日期：2015-10-28；
修订日期：2016-05-12
作者简介：闫庭成(1984-)，男，山西应县人，助理工程师，本科，主要从事选煤方面的技术工作。
中图分类号：TP391.7∶TD452
文献标识码：A
Design and Motion Simulation of Sieve Linkage Mechanism
YAN Ting-cheng
(Shanxi Coking Coal Group Xishan Coal Electricity Co., Ltd., Taiyuan 030200, China)
Abstract： By analyzing the linkage trajectory, we design a sieve which applies a connecting rod mechanism instead of traditional vibrator. The model of sieve linkage mechanism is set up, the dynamic simulation is conducted by ADAMS, and the trajectory curve is obtained through the analysis. The results show the mechanism’s motion trajectory can meet the expected requirements, and verifies the connecting rod sieve mechanism scheme is feasible.
Key words： linkage mechanism; sieve; dynamic simulation