基于振动盘分离的橡皮筋料道参数设计与运动分析_李金炜.pdf

收稿日期：基金项目：北京印刷学院印刷装备北京市高等学校工程研究中心与北京印刷学院数字化印刷装备北京市重点实验室联合支持项目高速模切机关键技术研究（）。第 卷 第 期.北 京 印 刷 学 院 学 报 年 月 基于振动盘分离的橡皮筋料道参数设计与运动分析李金炜，蔡吉飞，王富豪（北京印刷学院 机电工程学院，北京）摘 要：在分析橡皮筋和振动盘料道的尺寸关系基础上研究橡皮筋在振动盘上的运动状态，通过分析振动盘结构和输送物料之间的关系，得出橡皮筋与振动盘料道之间的参数关系并以某种尺寸的橡皮筋进行计算，进一步分析橡皮筋在该振动盘上的运动状态，得出橡皮筋的运动曲线以及理想运动状态的约束条件，分析计算该条件下橡皮筋振动盘的固有频率，为设定激振电压频率范围提供参考。在给定的条件下计算橡皮筋在电磁铁通电时保证理想运动状态的条件为加速度 大于.，且小于；在电磁铁断电时保证理想运动状态的条件为橡皮筋的加速度 小于.。振动盘的固有频率为.。为分离橡皮筋的振动盘的设计提供了理论依据。关键词：振动盘；料道参数设计；运动分析中图分类号：.文献标识码：文章编号：（）橡皮筋因其价格便宜，结构简单，使用方便等特点被广泛用于物品的包装捆扎中。橡皮筋和分离橡皮筋的振动盘料道之间的参数关系以及橡皮筋在振动盘上运动状态对橡皮筋的振动盘分离非常重要。林茂等人对振动盘进行理论分析，得到了振动盘固有频率的计算方法，但是没有分析振动盘上物料的工作状态，伍利群研究了电磁振动供料器上工件的理论受力和运动，没有研究不同的输送物料对于振动盘料道几何尺寸的影响。姜海威等人发明了一种橡皮筋振动器，通过对振动盘料道的分段处理，实现最终橡皮筋能够被逐个送出，尤桂林等人发明了一种背心袋制袋机用的橡皮筋振动盘，解决现有振动盘直接放置于制袋机上容易因振动破坏工作状态的问题，但二人没有对橡皮筋和振动盘结构参数的关系以及橡皮筋在振动盘的运动进行研究。橡皮筋对振动盘料道的设计参数的影响以及其在振动盘中运动的研究分析对于橡皮筋振动盘的设计非常重要，本文以此为研究对象进行相关理论计算，为充分掌握振动盘分离橡皮筋技术提供理论依据。振动盘及橡皮筋对振动盘设计的影响.振动盘工作原理振动盘的结构如图 所示，工作时物料沿着料盘的内壁上的料斗向上运输，通过电磁控制器供给电磁铁线圈特定的脉冲电流控制料盘的振动，加上板弹簧的约束，就形成了绕着垂直方向的扭振运动。当要输送的物料放入料斗中后，接通电磁线圈的电源，在电磁力的作用下，料盘开始偏离静平衡位置向某一方向运动，料盘的高频的振动将物料沿着料道向上输送，料道根据特定的要求设计不同的筛选机构，最后从出料口出来的物料的形态是满足要求的。图 振动盘结构.橡皮筋对振动盘的设计影响振动盘输送的物料对振动盘的相关参数有重要影响，如振动盘输送的材料越重，振动盘的上横梁变形越大，输送的材料越轻，横梁变形越小。输送橡皮筋的几何尺寸对最终振动盘料道的几何参数有着重要的影响，正确地把握二者之间的关DOI:10.19461/ki.1004-8626.2023.03.005系，对于设计制造振动盘具有重要意义。在设计制造振动盘时需注意：（）橡皮筋的尺寸会影响振动盘料道的尺寸；（）橡皮筋最终要求逐个分离，互不干扰，要对橡皮筋的筛选机构做出要求；（）当振动盘工作时，橡皮筋的运动状态要求橡皮筋平滑地沿着料道向上滑动，工作状态与橡皮筋的受力有关，橡皮筋的受力和橡皮筋规格以及振动盘尺寸结构有重要关系；（）橡皮筋振动盘工作时的振动频率与电磁脉冲的频率的关系会对工作系统的稳定、噪声等产生影响。只有弄清楚橡皮筋与振动盘之间这些相互的影响关系，才能在设计中考虑这些因素，使得最终的产品符合预期。橡皮筋与振动盘料道主要参数计算和分析.橡皮筋振动盘料道筛选的分析捆扎所用的橡皮筋在自然状态下为圆形，料盘中的橡皮筋在扭振的作用下沿着料道上升，料盘的筛选机构将并排重叠的橡皮筋分开，在外圈的橡皮筋会从 滑落进料斗内被重新输送，在内圈的橡皮筋沿着料道 继续向前运动，筛选机构共有两处，筛选机构处料道宽度会减小，以此来筛选料道中并排重叠的橡皮筋，第一处筛选料道的宽度为橡皮筋厚度的 倍，第二处筛选料道的宽度变为橡皮筋厚度的.倍，如果重叠的橡皮筋在第一次筛选没有被分开，在第二次筛选处重叠的橡皮筋会再次被筛选，外层的橡皮筋掉落进料斗。经过两次筛选的橡皮筋最终来到定位的位置等待夹取，如图 所示。图 橡皮筋筛选机构.橡皮筋振动盘料道主要参数理论计算如图 所示，捆扎的橡皮筋是市场上常见的一种，其 外 径 为，厚 度 为.，粗 细为.，振动盘螺旋料道的圈数为.圈，对图 橡皮筋尺寸于橡皮筋分选使用，设计振动盘料道的螺旋圈数为 圈。.橡皮筋振动盘料道的升角振动盘料道和料斗平面之间的夹角即振动盘料道的升角，影响橡皮筋在振动盘的运动状态，料道的升角增大，橡皮筋的平均运动速度减小，可能会影响橡皮筋向上移动，升角减小，料道的总圈数会增加，整个料斗的尺寸增加，料道的升角一般在，拟先选用。.橡皮筋振动盘料道的螺距目前 常 用 的 振 动 盘 的 顶 盘 直 径 为 ，是小型振动盘，超过 的是大型振动盘。橡皮筋振动盘料道的升距在实际情况中根据物料的运动要求选取不同的参数，在橡皮筋振动盘的设计中根据橡皮筋在料道中的运动，升距 为 .（）其中 为物料在料道上的高度（），为料道的厚度（）。根据橡皮筋的规格确定。.橡皮筋振动盘料道的外径橡皮筋振动盘料道的直径 和料道的升距的关系为 （）式中，是料道的宽度（）；是料斗的厚度（）。料道的宽度根据橡皮筋尺寸确定为，保证送料的效率在橡皮筋进入料道时，可同时容纳最多 个橡皮筋重叠，在经过筛选机构后，并排重叠的橡皮筋会被剔除落入料斗，最后进入定位的橡皮筋保证是单个的无重叠。计算的结果为，可选用外径为的料斗。第 期李金炜，蔡吉飞，王富豪：基于振动盘分离的橡皮筋料道参数设计与运动分析料盘的底部应有一定的凸角，橡皮筋放入料盘中更容易进入料道上，一般凸角的范围可取。橡皮筋在振动盘上运动分析.橡皮筋在振动盘上的运动曲线橡皮筋在振动盘上的运动为沿着料道向上滑动，可以简化成沿着圆柱螺旋线做匀速率的运动，振动盘对橡皮筋进行分离时有顺时针和逆时针两种输送方式，对应圆柱螺旋线有左螺旋线和右螺旋线。橡皮筋在振动盘上的运动轨迹的参数方程为：|（）式中，为角速度，式中对右螺旋线取正号，对左螺旋线取负号。和 是和料斗平面平行的坐标轴，是垂直于料斗平面的坐标轴。对运动进行分解，橡皮筋在，平面的运动为匀速圆周运动，在 轴的运动是匀速直线运动。在，平面的匀速圆周运动的质点的投影做简谐运动。在，平面橡皮筋运动曲线见图：图 橡皮筋在，平面运动曲线在 轴方向速度时间图像见图：图 橡皮筋 轴速度时间图像.橡皮筋受力分析橡皮筋在料道上的受力图见图：为橡皮筋和料道的摩擦力，；为料道对橡皮筋的支撑力，；为橡皮筋重力，；为料道向左下方的加速度，方向与板弹簧中线垂直，；图 橡皮筋受力图 为重力加速度，.；为橡皮筋和料道的静摩擦系数；为料道和料盘平面的夹角，（）；为橡皮筋运动的抛射角，（）。此时运动状态为电磁铁通电，料道在电磁铁产生的振动力的吸引下向左下方以加速度 运动（见图），根据力的平衡可知：|（）（）图 通电时橡皮筋受力.橡皮筋在振动盘运动状态.可能的运动状态橡皮筋在振动盘中的运动状态有沿着料道跳跃、沿着料道滑动两种，方向为沿着料道向上和沿着料道向下两种情况。.理想的运动状态橡皮筋理想的运动状态为沿着料道向上滑动，不发生跳跃。此时橡皮筋的输送稳定，效率高。.橡皮筋理想运动状态的条件.电磁铁通电时橡皮筋的运动分析此时在电磁铁产生的振动力作用下，料斗开始向左下方运动，橡皮筋在惯性力作用下继续向上滑动，若要此时橡皮筋不改变向上滑动的运动状态，需要橡皮筋的惯性力能够克服摩擦力，即 需要大于临界值。北 京 印 刷 学 院 学 报 年根据（）（）得：（）若取，.为橡皮筋和料道之间的静摩擦系数，.。计算得：.，即要 大于.但是 不能太大，当 橡皮筋会发生跳跃，其中 为料道振动频率，为料道振幅。.电磁铁断电时橡皮筋运动分析电磁铁断电时橡皮筋受到向下运动的惯性力，有向下滑动的趋势，但只要 小于某一临界值，橡皮筋就会保持向上运动的状态（见图），根据受力平衡可得 的最大值为：（）代入计算可得 的最大值为.图 断电时橡皮筋受力 振动分析振动盘固有频率的计算：|（）（）|（）振动盘底座为，板弹簧的厚度为 ，根据底座的尺寸板弹簧的长度为，组数为，弹性模量为 .，板弹簧与底座的夹角一般为，根据橡皮筋的抛射角确定夹角为，修正系数为 ，板式弹簧的圆心距在确定振动盘底座和板簧的安装后也确定令，料斗近似为空心圆台，转动惯量为，和分别是料盘上下截面较大和较小的半径，令 ，。计算可得：（.）.（.（）由分析可知在确定振动盘供料器的尺寸后，固有频率的大小只和料斗的质量 和板簧的宽度 有关。对一般的供料器 ，令，令料斗质量.。计算可得：.。对于振动盘给料器，它的最佳工作状态在其调谐值 .之间。式中，为激振力频率；为振动料斗的固有频率。结语基于振动盘的橡皮筋分离过程的研究与分析理论上阐述了橡皮筋的规格对振动盘料道参数的影响，在理论条件下计算了给定橡皮筋数据后的振动盘料道的参数。在此基础上对橡皮筋运动进行了分析，给出了橡皮筋运动曲线，分析了橡皮筋在振动盘分离过程的理想运动状态即沿着料道向上滑动并给出了理想运动状态的约束条件，丰富了橡皮筋与振动盘设计之间的理论支撑，计算了该振动盘的固有频率，为下一步设定激振电压频率范围提供参考，由于实施受到多方面条件的限制，在研究和分析部分中只能参考相关的文献和实际的案例，所以研究设计的内容还不够完善，具体实践需要实际的精确的分析研究，但该研究设计对橡皮筋的振动盘分离的实践操作仍具有重要参考意义。参考文献：林茂，白传悦电磁振动供料器固有频率的计算与测试陕西科技大学学报，（）：伍利群电磁振动供料器工件的受力和运动分析轻工机械，（）：姜海威，洪伟一种皮筋振动器浙江省：，尤桂林，尤泽阳一种背心袋制袋机用橡皮筋震动盘福建省：，杨家武，何璐璐，刘宝全，等基于 的振动盘给料器动态分析现代科学仪器，（）：，：，（）：王宇，谢云斐，何腾鹿，等基于振动盘的法兰自动送料机构第 期李金炜，蔡吉飞，王富豪：基于振动盘分离的橡皮筋料道参数设计与运动分析设计与分析科学技术创新，（）：景涛，冯武卫螺母自动上料及攻丝系统结构设计机电工程，（）：胡兵电磁振动盘的应用探讨机电信息，（）：，（，）：，.，.：；（责任编辑：周宇）北 京 印 刷 学 院 学 报 年