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电磁振动给料机原理

时间 2020-06-29 03:03

  种子定量电子秤电磁振动变速 给料的原理与应用 王绍侠 高刚华 【摘要】 通过对电磁振动给料机基本工作原理的理论分析,论述 了定量电子秤电磁振动给料机变速给料的原理并导出变速给料的实用方 法,同时还简要介绍了 DSCZ-4 型种子定量电子秤应用该原理与方法实 现变速给料的试验结果,证实了用一套电磁振动给料机通过变速给料分 别、 先后完成定量电子秤要求的粗、精两个给料过程的合理性与可行性, 以及采用这种变速给料的方式与机构具有结构简单、体积小、成本较低 和称量斗偏重小等方面的优越性。 叙词: 种子 电子秤 电磁振动 引言 定量电子秤的给料有 4 种方式:电磁振动给料、自重落料、螺旋输 送给料、皮带输送给料。电磁振动给料输送平稳可靠,便于电脑联控, 在中小型定量电子秤中应用最广。一般的做法是用两套电振给料机分别 完成粗、精给料,以达到电子秤对称量速度与精度的要求。这两套给料 机有并排平列及上下叠列两种方式。平列式占据较大空间,同时会形成 称量斗偏重而影响精度;叠列式占据空间更大,有时还需另配备一套给 料机,为该两套给料机供料,所以结构更为复杂。如果一套电振给料机 能分别、先后完成粗、精给料过程,则既可简化结构、缩小体积、降低 成本,又可减小因称量斗偏重所产生的误差。为此,要求该给料机必须 能变速给料。为了实现这个设想,电磁振动给料机应做到两点,一是物 料输送速度能改变,二是给料槽送料截面能改变。后者在结构上、动作 上都不难实现;前者的实现涉及电磁振动给料机的基本原理,必须先从 理论上探索其合理性与可行性。 图1 1 电磁振动给料机作用原理图 电磁振动给料机的输送原理 在电磁力的作用下,给料槽的槽体沿 S 方向作简谐振动,见图 1。 β 为振动角,G 为物料颗粒的重力,Ny 和 Nx 分别为槽体对物料颗粒作 用力的垂直分量和水平分量。槽体的位移、速度与加速度分别为 S=a1(1-cos2π ft) S′=2π fa1sin2π ft S″=4π 2f2a1cos2π ft 式中 a1——槽体沿 S 方向的振幅,m 时间,s f——振动频率,Hz t—— 在物料颗粒随槽体一同运动的阶段,物料颗粒的位移、速度及加速 度与槽体是一致的,所以槽体对物料颗粒作用力的垂直分量与水平分量 分别为 物料产生抛掷运动的条件是 Ny-G≥0 即 (1) 令 K=4π 2f2a1/g,T=Ksinβ 。其中,K 称为机械指数,T 称为抛掷指 数。 这样式(1)可以简化成 GTcos2π ft-G≥0 (2) 当 T<1 时,t 在任何瞬时式(2)都不能成立,所以物料不能产生抛掷 运动。 图2 槽体与物料的垂直位移与槽体的垂直加速度曲线,此时仅能满足 Ny-G=0 的临界条 件。它的意义是物料刚被抛起,就立即原位落回槽体,实际上仍不能作 抛掷运动。 当 T>1 时,GTcos2π ft-G>0 得到满足,物料就可以被连续抛掷。 图 2 中 yG 为物料垂直位移,yR 为槽体的垂直位移,ts 为物料开始被 抛起的时间,ta 为物料落回到 槽体的时间。在式(2)得到满足的 ts 瞬间,物料被抛起并在水平分量 Nx 的作用下沿抛物线轨迹向前运动,在 ta 瞬间落回到槽体,然后在 ts+1/f 的瞬间又被抛掷。ta-ts 为物料空中运动时间,它可以跨越一个或几个槽 体振动周期。令 p 为物料运动周期与槽体振动周期的比值,物料的运动 周期为(p)/(f)(p 为正整数)。令 np 为抛掷时间与槽体振动周期之比(称 为跳跃系数),则有(ta-ts )f=np。理论推导可以得出 T、np 之间的关系 式 图3 物料抛掷跨越(p-1)个槽体振动周期的示意图 图4 跳跃系数 np 与抛掷指数 T 的关系曲线 但此式计算很繁琐,已将此式计算后绘制成曲线 中直接查出近似值,设计时较为方便。根据电磁振动给料机基本理 论公式,物料输送速度可由式(3)或式(4)计算 (3) (4) 式中 η ——修正系数,不同物料在输料槽中输送,具有不同的 η 值, 由试验求得 g——重力加速度,9.8m/s2 np——跳跃系数 f——给料槽振动频率,Hz β ——振动角,一般取 20° 25° 或 a1——槽体振幅,m K——机械指数 由式(3)、(4)可见,输送速度受 f、a1 共同制约,而 f、a1 又通过 相互关联。由此可见,改变电振给料机的频率或振幅,或者 二者同时改变,是实现改变送料速度的途径。 图5 电磁振动给料机结构简图 1.连接叉 2.给料槽 3.电磁铁 4.衔铁 5.基座 6.板弹簧 7.减振弹簧 2 电磁振动给料机的振动原理 电磁振动给料机是一个双质点强迫振动系统, 5 是它的结构简图, 图 它的结构经过简化可以看作是一个双自由度的双质点强迫振动系统。图 6 是该系统运动原理图。图 6 中 m1 称为前质量,包括图 5 中的给料槽、 联接叉、衔铁及给料槽中料重的 20%;m2 为后质量,它包括基座、电磁 铁等;板弹簧的质量一般分摊于 m1 和 m2。系统的工作是利用机械共振 的原理,以较小的功率消耗,产生较大的机械效能。根据双质点振动系 统强迫振动的运动学与动力学的研究,这两个质点的振幅与它们各自的 质量成反比,即有 m1/m2=a2/a1,根据振动力学进一步推导可以论证(本 文从略),这种双质点振动系统的强迫振动的固有频率可以简化成一个 折算质量为 m、 弹簧刚度为 k 的单质点强迫振动系统的固有频率来计算, 如图 7 所示。这个系统的两个重要参数计算方法如下 式中 m——折算质量 k——弹簧刚度 ω 0——系统固有角频率,rad/s 图6 双自由度的双质点强迫振动系统运动原理图 图7 这个系统力的平衡方程式为 单质点强迫振动系统图 mx″+(r+c)x′+kx=Fsin(ω t+φ ) 式中 x——相对位移 r、c——系统的外阻力系数与内阻力系数 F——激振力 ?φ ——起始相位角 ω ——激振角频率 这个方程的特解为 经过移项,上式又可写为 式中 λ ——动力系数 A——相对振幅,m ε ——力与位移的相位角 Xst——在力 F 的作用下,振动系统 弹簧的最大静变形 xst——振动系统弹簧的瞬时变形 由机械振动学可知,有阻尼的单自由度强迫振动系统中,其动力系 数 λ 与调谐值 Z 及衰减系数 b 之间有如下关系 (5) 式中 n——阻尼系数, 数,h=r+c h——与速度成正比的阻力系 b——衰减系数, 图8 动力系数 λ 和调谐值 Z 的关系曲线 是 λ 、Z 的函数曲线,b 是参变数。由图 8 可以得出以下结论: 动力系数 λ 的意义就是双质点振动系统在激振力 F 作用下的相对振 幅 A 与主弹簧在 F 力下的静变形 Xst 之比,即 λ =A/Xst。由图 8 可看出, 在近共振区工作时(ω /ω 0≈1) ,动力系数总是大于 1,即 λ =A/Xst1。 电磁振动给料机利用这种机械共振原理,以较小的激振力得到所需的相 对振幅。为了保证系统工作的稳定性,工作点选在 Z=ω /ω 0 略小于 1 的 位置(一般在 0.9 左右)。 3 电磁振动给料机给料量的调整方法 一套电磁振动给料机分别、先后完成粗、精给料过程,这就要求该 给料机在工作中至少有两种给料量的工作状态可供切换。为此要求该给 料机给料槽的截面可以调整(即改变给料层厚度),同时物料输送速度 也应能调整。 图9 控料机构结构简图 2.连杆 5.支架 3.控料 6.电磁铁 1.给料槽 板 4.弹簧 3.1 给料槽截面的调整 给料槽截面调整不难实现。图 9 是一套控料机构的结构简图。控料 电磁铁的电源由电子秤执行电脑控制其通断,粗、精给料分别对应控料 板大小两种不同开度,完全由执行电脑控制。这样一套控料机构既简单 可靠,又容易由电脑准确联控。 3.2 物料输送速度的调整方法 由前所述,物料输送速度与激振频率 f 成反比,与给料槽的振幅 a1 平方根成正比。f 改变导致振动系统调谐值 Z 的改变,从而工作偏离共 振区,降低工作效能或工作稳定性变差。所以只有调整给料槽单振幅 a1 来调整物料输送速度才是切实可行的。 下面详细阐述通过调整给料槽单振幅 a1 来调整物料输送速度的有关 问题与实现途径。 a1 是振动系统前质量 m1 的单振幅,它与后质量 m2 的单振幅 a2 的关 系为:a1/a2=m2/m1。又如前所述,动力系数 λ =A/Xst,Xst 为在激振力 F 的作用下弹簧的最大静变形,所以 Xst=F/k,因此就有 λ =Ak/F 和 F=Ak/λ 。将式(5)代入 F=Ak/λ 式,则有 (6) 由于有 m1/m2=a2/a1,则折算质量 又因 则有 ,将此式代入式(6), 如果略去阻尼系数,则 (7) 根据电磁力的计算公式,半波整流激磁的激振力应为 (8) 比较式(7)、(8)得 (9) 式中 U——交流电源电压,V w——电磁铁线——系统固有频率,Hz S——磁极总面积,m2 当给料机既定,除 a1、U 以外,所有参数均为常量。由式(9)可见, U与 成正比。而由式(4)可见,物料输送速度 Vcp 与 也成正比。 所以,物料输送速度 Vcp 与交流电源电压 U 成正比。由此可见,调整交 流电源电压即可实现对物料输送速度 Vcp 的调整。 4 DSCZ-4 种子定量电子秤电磁振动给料系统 DSCZ-4 种子定量电子秤是种子计量包装线中关键设备。该系统给 料机按粗给料的给料速度和料层厚度设计它的基本参数,然后根据精给 料的要求,计算精给料时的给料速度和料层厚度,再根据前节的探讨, 大体计算精给料时的电源电压。 4.1 给料机粗给料时的基本参数 取 K=7.5, =20° T=Ksinβ =2.56, β , p=1, 1=3.5631kg, 2=9.7980kg。 m m 给料槽截面上口 0.165m,下口 0.135m,高度 H=0.07m 振动角 β =20° 电磁铁 铁芯截面 S=1.216× -3 m2 10 交流电压 U=220V 线=55.55Hz 前单振幅 a1=0.00075m 后单振幅 a2=0.000273m 取 np=0.83,以稻种为计算物料,取 η =0.85。根据式(3)求出粗给料 的输送速度为 Vcp=0.158m/s。 4.2 精给料的参数确定 精给料需保证在规定的时间内,补足剩余的称量值,这里精度要求 是首先需要保证的。根据 DSCZ-4 定量电子称的主控电脑的采样速度和 称量精度要求,精给料时的给料量在 2s 之内,不大于 0.2kg。以稻种为 例,精给料时给料槽开度(即料层厚度)取 0.015m 为宜。这时输送速度 可以由下式计算 式中 Q——物料单位时间输送量,kg/s,这里取 Q=0.1kg/s R——物料密度,稻种为 550kg/m3 s——料层截面,m2 计算得,Vcp= 0.114m/s。则由式(3)可得 np=0.71。由图 4 查得,当 np=0.71 时,T=1.87 。由 T=Ksinβ ,得 K=5.47(粗给料时取 K=7.5)。 根据 K=4π 2f2a1/g,则 a1=Kg/(4π 2f2)=0.00054m(粗给料时 a1= 0.00075m)。 将 Z=0.9,f=50Hz,f0=55.55Hz,w=1417,m1=3.5631kg, a1=0.00054m,s=1.216× -3,代入式(9)得 U=57.73V。由于计算时忽略阻 10 尼值,所以实际选用时先用调压器从 60V 开始逐渐升压,试验其效果, 最终选用 80V。 5 结论 (1) 调整激振电压以实现电磁振动给料机物料输送速度的调整,在 原理上和实用上是合理可行的。 (2) 电磁振动给料机通过改变激振电压和改变送料截面实现变速给 料是合理可行的。 (3) 用一套变速给料的电磁振动给料机为定量电子秤给料,可以分 别、先后完成粗、精两个给料过程,从而使给料机构结构简化,缩小了 体积,降低了成本,同时减小了因称量斗偏重所产生的误差。 收稿日期: 19980409 王绍侠 农业部南京农业机械化研究所 京市 高刚华 农业部南京农业机械化研究所 参考文献 1 机械工程手册、电机工程手册编辑委员会编辑组.机械工程手册(4 卷 第 21 篇第 2、7 章).北京:机械工业出版社,1982. 2 清华大学力学系 编.机械振动(上册第 2、3 章).北京:机械工业出版 社,1980. 3 [美]谢 F S,摩尔 I Z,享克 R T 等著.机械振动——理论及应用. 沈文均,张景绘 译.北京:国防工业出版社,1984. 4 电磁振动给料机.北京:机械工业出版社,1973. 5 闻邦春, 刘凤翘.机械振动的理论及应用.北京: 机械工业出版社, 1982. 高级工程师, 210014 高级工程师 南 THE PRINCIPLE AND TEST OF VARIABLE FEEDS BY ELECTROMAGNETIC VIBRATION FOR THE SEED ELECTRON BALANCE Wang Shaoxia Gao Ganghua (Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization,Ministry of Agriculture) Abstract Key words Seeds, Electron balance, Electromagnetic vibration

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