我国的振动筛在运行和维修方面中存在着大量的问题。这些问题突出表现在筛箱断梁、裂帮, 稀油润滑的箱式振动器漏油、齿轮打齿、轴承温升过高、噪声大等问题, 同时伴有其它等故障。这类问题直接影响了振动筛的使用寿命, 严重影响了生产。本文针对这些问题特设计了RM=80型清筛机振动筛，这类振动筛可以很好的解决此类问题，该系列振动筛是大型养路机械设备企业普遍应用的筛分机械，用作物料的筛分、分级之用。根据的是自同步原理，采用的是液压马达驱动，代替强制同步式的齿轮传动，振动轨迹为上下。克服了以往振动筛由于单电机拖动，齿轮强迫传动引起的齿轮润滑，封闭问题，从而提高了整个振动筛的使用寿命。设计分析论述了设计方案，包括振动筛的原理与特点，对物料的运动分析，对振动筛的动力学分析及动力学参数计算，；进行了主要零部件的设计与计算，弹簧的设计计算，轴的强度计算，轴承的选择与计算，然后进行设备维修、安装的设计。最后进行了振动筛的的环保以及经济分析。
关键词： 双轴直线振动筛； 偏心轴； 弹簧 ；液压马达
II
Abstract
China since reform and opening, vibrating screen industry have seen significant development. In particular, the 21st century, exists in all walks of life in the shaker. However, vibrating screen career started late in China, rapid development, therefore, in the vibrating screen operation and maintenance, there are many problems. These problems highlight the performance of the sieve box off beam, crack help, dilute oil lubrication in the box vibrator oil spills, fight gear teeth, bearing temperature rise too high, noise, etc, and accompanied with a jump drive with a belt and other faults. These problems directly affect the life of a shaker, has seriously affected production. ZKB3660 linear vibrating screen can solve such problems, the series of vibrating screen is widely used in screening industrial and mining machinery, used as the material of the screening, grading, washing, using the two-motor direct drive, instead of mandatory synchronous gear drive, vibration track a straight line. Overcome in the past as a single shaker motor drag, caused by the gear drive gear forced lubrication, closed questions, thereby increasing the life of the shaker. Design and Analysis discusses the design, including the classification and characteristics of vibrating screen, the movement of materials analysis, Dynamic analysis of shaker and kinetic parameters, including both the original design parameters, motor design and verification; for a major Parts of the design and calculation of spring design and calculation, shaft strength calculation, bearing selection and calculation, and then proceed to equipment maintenance, installation design. Finally, a vibrating screen of the environmental and economic analysis.
Keywords: Linear；Shaker-style ； Spring motor Eccentric block
目录
1 绪论 ....................................................... 1
1.1 引言 ................................................... 1 1.
2 振动筛国内外的现状及发展趋势 ............................ 3
1.2.1国内振动筛研究现状 ................................. 3
1.2.2国外振动筛研究现状 ................................. 4
1.2.3国内技术发展趋势 ................................... 4
1.2.4国外技术发展趋势 ................................... 4
1.3振动筛的分类及各自的特点 ................................. 5
1.3.1圆运动振动筛 ....................................... 5
1.3.2直线振动筛 ......................................... 5
1.3.3其它类型的振动筛 ................................... 6
2 ZKB3660直线振动筛总体设计 ............................... 8
2.1振动筛的选型及工作原理 ................................... 8
2.2整体方案的确定及结构特点 ................................. 9
2.2.1筛箱 ............................................... 9
2.2.3联轴器 ............................................ 18
2.2.4支撑装置 .......................................... 20
3 ZKB3660直线振动筛的设计计算 ........................... 23
3.1 直线振动筛筛面上物料的运动分析 ......................... 23
3.1.1筛面的运动方程 .................................... 23
3.1.2筛面上物料的运动分析 .............................. 24
3.2.工艺参数的选择 ......................................... 25
3.2.1筛面的长度和宽度 .................................. 25
4 ZKB3660直线振动筛的安装与维护 ......................... 43
4.1直线振动筛的安装与调试 .................................. 43
4.1.1筛分机的工艺配置关系 .............................. 43
4.1.2安装 .............................................. 43
4.1.3试运转 ............................................ 45
V
4.2 直线振动筛的维护与检修 ................................. 46
4.2.1 筛分机的操作 ...................................... 46
4.2.2日常维护、保养 .................................... 46
经济技术分析 ................................................. 50
设计总结 ..................................................... 51
参考文献 ..................................................... 53
致谢 .......................................................... 55
附录一 ........................................................ 56
附录二 ........................................................ 77
摘要
诸如振动筛、振动给料机、振动成型机、捣固机、振动压路机、各
类振动台、激振器等振动机械是各工业部门或科学试验的重要设备。这
类机械是利用振动特性来满足生产中工艺过程和工作过程的要求。工作
过程中，这些复杂的承载条件与长时间的连续工作，其主要结构的零部
件始终承受着恶劣的交变载荷，设备结构的损伤是不可避免的。但是，就
目前企业对振动筛的使用情况来看，国内产品的使用寿命远低于国外的
同类产品。国外大型振动筛采用先进的设计技术和制造技术，生产出了
性能优良的大型筛分机械，其无故障运行时间在3, OOOh以上，大修期在
20, OOOh以上。而国内同类产品的相同技术指标则远低于上述指标。因此
机器设备的运行可靠性和工作寿命就成为需要解决的关键问题。对于大
型重载机械，这个问题尤其突出。如大型振动筛主要结构件的早期疲劳
断裂，就始终是困绕业界的突出问题。采用先进的研发技术，使结构满
足所承受的动态载荷以及合理的动态应力分布，是解决运行可靠性和工
作寿命的有效方法。
目前静强度加运动学分析(或简化的动力学分析) 的传统设计，大
多是采用经验数据和安全系数的设计计算方法，不能准确揭示出结构内
部动态应力分布状况，因此不能保证产品结构的设计合理性，直接影响
产品的使用性能与寿命。
本文作者以大型振动筛为研究对象，利用先进的振动测试手段和动
力学分析理论，将理论建模与实验建模相结合的动态设计方法完整地应
用于大型振动机械动态设计过程。利用有限元分析技术，初步获得原型
振动筛的模态参数和模态振型，利用这些参数，对设计结构进行初步修
改，并作为物理试验模型的设计依据，同时也作为试验测点布置的主要
参考。利用振动测试技术，进行多测点实验建模，获取结构的模态参数
和模态振型; 在对测试数据进行充分分析的基础上，获得振动位移场(间
接获得应力场) 及其它动态特征。这些动态参数可作为理论分析模型修
卫
3. 2. 1直线振动筛的工作原理
直线振动筛又叫双轴惯性振动筛，其工作原理如图3-1所示。激振器两铀上的偏 心质量和偏心距均相等，并且以Y-Y 轴线为对称，Y-Y 轴线通过筛箱的质心。两轴作 同步反向回转时，每一瞬时两轴上偏心质量所产生的离心惯性力，沿x-x 方向的分力 总是互相抵消，而沿Y-Y 方向的分力总是相互叠加，这就形成了单一的Y-Y 方向的 简谐力。该力作用在筛箱上，驱动筛箱作轨迹为直线的往复振动。当双不平衡重的质 量运转到图中(a)和(c)的位置时，所产生的离心惯性力是完全叠加的，激振力达到最 大值; 当转到(b)和(d)的位置时，它们的离心惯性力完全抵消，激振力为零。
在任意时刻t ，双不平衡重所处的位置如图中(e)所示，由此可以求出双不平衡 重产生的激振力随时间变化的函数关系式:
P .=}mo1'。与in c} t
=}.mo1'. !1l与1R}t
二尸5117 w t
(3一1)
式中m —不平衡重的质量和，m=Emo (kg);
尸—不平衡重所产生的激振力幅值伽);
t 一转动时间((s);
:一不平衡重质心回转半径(m),
。—不平衡重的回转角速度(弧度/秒) ，
Pv 一在振动方向上的激振力困) ，
mo 每个偏心块的质量(kg) o
由上式可见，双轴惯性激振器，当作同步反向回转的时候，产生定向的简谐力， 此力通过筛箱的质心，使筛箱作定向往复直线振动。
Po-morcoz
图3-1直线振动筛工作原理图
FIG.3一I Operating principle chart of linear screen
3. 2. 2直线振动筛筛面上物料的运动分析
筛面的运动方程
直线振动筛的筛面是沿振动方向作简谐振动，筛面的位移方程式为:
S=Asin}=Asincdt
式中A 筛面的振幅;
，一一一激振器轴回转相位角，甲二.t;
旬一一一-轴的转动角速度;
卜一一时间。
(3-2)
筛面运动时的位移、速度和加速度分别在平行于筛面的x 方向和垂直于筛面的Y 方向的分量为:
. 4
3.4.
直线振动l 市动刀字分称
直线振动筛力学模型的建立
当分析一个振动机体的特性时，首先要建立它的力学模型，以代表这个系统结构 的动态特性以及外部激振情况。
为了便于分析计算，建立模型时，需要对振动系统作一些简化，忽略次要因素， 其简化原则可归纳为如下几点:
. 质量集中; 实际的振动机体构造是分散的，在建立案中参数模型时，需要 适当的集中，如质量大的，弹性小的简化为不计弹性的集中质量。 . 刚度集中，弹簧产生单位位移所需的力称为弹簧的刚度，在振动系统中，
致谢
论文完成了，虽然仍有不少待完善之处，但它毕竟倾注了我们几年的心血。 我的导师熊诗波教授渊博的学识、严谨的学风将是我毕生财富。论文进行的每一 个环节都倾注了他心血。从研究方法、试验方案的确定，到数据处理的方法选择，都 给予了我们悉心指导，在强调追踪本学科世界前沿、科技为经济建设服务的同时，启 发和鼓励我们进行独创性的工作，这些使我受益匪浅。在熊老师的指导下，在完成论 文的同时，我们还卓有成效地完成了几项重要的纵向和横向科研项目，有些解决了企 业生产中的关键问题。
河北金牛能源股份有限公司邢台矿选煤厂为项目提供了良好的实验条件和实验 场地，为此，特别感谢厂领导、工程技术人员和工人师傅。
我要感谢我的同事杨洁明、程晰、魏晋宏、杜岚松、熊晓燕以及范世凤、张科、 张建伟，没有他们的支持和帮助，我的任务不会顺利完成。
我的那些师弟师妹们给我的全力支持和无私帮助，我永远都不会忘记。 我还要感谢金老师在工作和生活中给予的关心和爱护。
我更要感谢的是我的妻子和女儿，没有她们的宽容、理解和支持，没有她们甘于 清贫的生活方式，没有她们独立自主的生活能力，我这样的年龄，不可能安下心来做 些学问。论文的完成也算是对她们的一个交代吧。
我也要感谢为论文评阅付出心血的专家学者。
结论与展望
振动机械，与其他机电产品的研制过程一样，可分为设计、制造和使用三个阶段， 在整个产品的研制和建造过程中，所遇到技术问题很多与结构动力学有关，这些问题 可依据结构动态分析结果来解决。大型振动机械的噪声与使用寿命等问题可以通过动 态设计结构动态分得到较好的解决。
在研究结构线性特性的基础上，深入开展结构非线性振动及其相关问题的研究， 完善动态设计理论。若没有实验模态分析、振动测试、非线性特性辨识与分析的理论、 技术以及相应的知识与经验积累，即若没有与试验研究紧密结合的动态设计理论、知 识与技术手段，不但很难实现这类机械的创新设计，就连动态性能的改进设计都不可 育旨。
本研究课题表明，动态特性的理论分析与实验分析结果，存在一定程度的非一致 性，这种现象也正说明结构非线性特性的存在。进行非线性动态设计理论的研究以成 为当务之急。
模态实验中，激励能量的选择对实验结果有很大的影响。对于不同的研究目的， 应选择恰当的激励信号与激励方式。
本研究课题结构相似与动力学相似相关性问题的研究表明，对于大型机械系统， 物理模型试验是一种方便、快捷的研究手段，并且其实验研究结果也是准确可靠的。 对于复杂大型机械结构的理论动态分析过程中结构及边界条件的简化，会对分析 结果造成比较大的影响。采用子结构分析技术及其子结构综合分析技术，无疑会提高 分析可靠性和准确性。
动态设计理论的应用以及采用先进的传感器技术、数据采集、分析处理技术应用 于大型机电系统运行过程中的在线监测，对于早期故障预示也不失为一种行之有效的 方法。
本研究课题比较完整地运用动态设计理论，进行了大型振动筛的动态设计，利用 振动筛物理模型和原型，对设计结果进行实际检验和再设计，设计出了性能优良、结 构优美、高可靠性和长寿命的大型直线振动筛。
将结构动态设计理论的完整的应用于大型复杂结构，目前仍然处于探索阶段，其 设计过程繁杂，技术支撑设备价格昂贵，还存在许多待完善之处。相信随着人们的不 断努力，会有简便实用的设计技术和设备来满足结构动态设计的需求，使我们的设计 水平提升到一个新的高度。
6. 4筛阻的结构动力学修改
大型振动筛的筛咀长宽比很大，通过简单结构的筛咀，通过有限元分析以及实验 模态分析结果，在较低频段(30Hz以下) ，有几阶变形较大的模态振型，实践证明， 大型振动筛的筛咀确实存在早期断裂的严重问题。如国内某选煤厂使用四台27M2进 口大型直线振动筛，使用不到两年的时间，就出现了断裂故障。在对其模态参数进行 分析的基础上，进行结构动力学修改，用修改后的结构取代物理模型的原结构。模态 试验分析结果显示，消除了工作频率附近的几阶模态振型，降低了某些振型的变形量。 按照动态设计结果，最后我们设计出的4200 X 7200大型直线振动筛，其三维结 构如图6-4所示。
3. 2. 1直线振动筛的工作原理
直线振动筛又叫双轴惯性振动筛，其工作原理如图3-1所示。激振器两铀上的偏 心质量和偏心距均相等，并且以Y-Y 轴线为对称，Y-Y 轴线通过筛箱的质心。两轴作 同步反向回转时，每一瞬时两轴上偏心质量所产生的离心惯性力，沿x-x 方向的分力 总是互相抵消，而沿Y-Y 方向的分力总是相互叠加，这就形成了单一的Y-Y 方向的 简谐力。该力作用在筛箱上，驱动筛箱作轨迹为直线的往复振动。当双不平衡重的质 量运转到图中(a)和(c)的位置时，所产生的离心惯性力是完全叠加的，激振力达到最 大值; 当转到(b)和(d)的位置时，它们的离心惯性力完全抵消，激振力为零。
在任意时刻t ，双不平衡重所处的位置如图中(e)所示，由此可以求出双不平衡 重产生的激振力随时间变化的函数关系式:
Py }mo1'。与in c} t
=}.mo1'. !1l与1R}t
二尸5117 w t
(3一1)
式中m —不平衡重的质量和，m=Emo (kg);
尸—不平衡重所产生的激振力幅值伽);
t 一转动时间((s);
:一不平衡重质心回转半径(m),
3. 2惯性振动筛的工作原理
振动筛按振动频率是否接近或远离共振频率分为共振筛和惯性振动筛。
振动筛按激振器产生激振力的原理不同，可分为偏心振动筛(也叫半振动筛) 、’惯 性振动筛和电磁振动筛。目前偏心振动筛己很少用，电磁振动筛主要应用于粉末状细粒物料的分级。共振
筛曾一度受到各国普遍重视，发展很快; 但在生产实践中，暴露出结构复杂、调整困
难、故障较多等缺点。
在筛分作业中，大量使用的是惯性振动筛，一般习惯地称之为振动筛。
目前，将振动筛按筛面工作时运动轨迹的特点，分为圆运动振动筛(简称圆振动 筛) 和直线运动振动筛(简称直线振动筛) 。本论文只讨论目前在工业上大量使用的直线 振动筛[54][56][76][77]0
直线振动筛的分类如下所示:
直线振动筛
(按驱动电
机数量分)
单电机驱动直线振动筛
激振器类型分)
双电机驱动直线振动筛
电机是否为振动电机分)
(”{默霎暮卖寡篡
(按王罄默霎矍髯篡
第三章振动筛的工作原理及动力学分析
3. 1振动筛的工作原理
将颗粒大小不同的碎散物料群，多次通过均匀布孔的单层或多层筛面，分成若干 不同级别的过程称为筛分。理论上大于筛孔的颗粒留在筛面上，称为该筛面的筛上物， 小于筛孔(最小有二维小于筛孔尺寸) 的颗粒透过筛孔，称为该筛面的筛下物。
碎散物料的筛分过程，可以看作由两个阶段组成:一是小于筛孔尺寸的细颗粒通 过粗颗粒所组成的物料层到达筛面; 二是细颗粒透过筛孔。要想完成上述两个过程， 必须具备最基本的条件，就是物料和筛面之间要存在着相对运动。为此，筛箱应具有 适当的运动特性，一方面使筛面上的物料层成松散状态; 另一方面，使堵在筛孔上的 粗颗粒闪开，保持细粒透筛之路畅通。
实际的筛分过程是:大量粒度大小不同，粗细混杂的碎散物料进入筛面后，只有 一部分颗粒与筛面接触，而在接触筛面的这部分物料中，不全是小于筛孔的细粒，大 部分小于筛孔尺寸的颗粒，分布在整个料层的各处。由于筛箱的运动，筛面上料层被 松散，使大颗粒本来就存在的较大的间隙被进一步扩大，小颗粒乘机穿过间隙，转移 到下层。由于小颗粒间隙小，大颗粒不能穿过，因此，大颗粒在运动中，位置不断升 高。于是原来杂乱无章排列的颗粒群发生了析离，即按颗粒大小进行了分层，形成小 颗粒在下，粗粒居上的排列规则。到达筛面的细颗粒，小于筛孔者透筛，最终实现了 粗、细粒分离，完成筛分过程。然而，充分的分离是没有的，在筛分时，一般都有一 部分筛下物留在筛上物中。
细粒透筛时，虽然颗粒都小于筛孔，但它们透筛的难易程度不同。和筛孔相比， 颗粒越小，透筛越易，和筛孔尺寸相近的颗粒，透筛就较难，透过筛面下层的大颗粒
间隙就更难[56] [57]0
2. 2. 1概述
机械结构设计是随着科学技术的进步、社会的发展而不断发展的，它由早期的凭 人们的经验进行设计，发展到设计与力学分析相结合，直到现代的结构优化设计。但就 强度而言，仍是基于静力准则的结构设计。目前工程中的机械结构设计大多仍是按静 力准则进行的，然后，再采取抑制振动水平的措施，甚至当产品在使用中出现严重的振动问题后，才采取措施抑制产品的振动水平。实践证明，这种办法耗资巨大，效果并不
理想，事倍功半。因而根据传统的基于静力准则的机械结构设计方法是无法满足现代 产品的设计要求的。对承受动载荷的结构，采用结构动态设计方法是满足现代产品设 计要求的有效方法，通过动态设计达到控制机械结构的振动水平，改善产品的质量，提 高它的安全可靠性等目的，即“优生”。这也是符合国际、国内机械结构设计技术发展 方向的。
结构动态设计乃指在设计阶段，根据结构工作的动力学环境，按照功能、强度等方 面的要求对结构进行设计，以使它具有良好的动态特性，达到控制产品振动水平的目 的。它有别于传统的基于静力准则的结构设计方法。这里将结构动态设计分为两类: . 第一类为结构振动特性设计。振动特性是指结构的固有频率、固有振型等。通过 设计，在结构满足静强度等要求的同时，使该结构的某阶或某几阶固有频率满足给 定值，有时除固有频率设计要求外，还有固有振型或振型节线位置设计要求。 . 第二类为结构振动响应设计，它要求设计的结构在满足静强度、固有特性等要求的 同时，还应满足振动响应(包括应力、应变、位移、速度、加速度) 的要求。
结构动态设计研究工作具有很强的工程背景。由于工业发展的需要，国际上工业 发达国家开展这一研究工作比国内早，约始于上世纪70年代初。但从发表的文献来看， 研究工作大多集中在带有频率要求的结构动态设计，基本上是设计方法与原理的研究 以及简单例题的验证，很少见到经过试验验证的结构动态设计实例的报导[45][42-44]0
第二章国内外大型振动机械与振动筛动态设计方法研究概况
2. 1动态设计的理论建模与实验建模
振动机械等大型机械的动态设计方法，越来越受到人们的重视，结构动力学分析 理论和与之相关的先进的试验测试手段都得到了长足的发展。尤其是理论建模和试验 建模方法的研究异常活跃，并取得了可用于动态设计的可喜成果。
有限元分析是利用数值计算方法对系统进行理论建模的强大工具，除了对结构的 形状复杂、载荷与支承也复杂的零部件进行应力分析外，结构动力学分析同样也可以 借助于有限元方法来进行。这是结构动态设计的一个重要组成部分。近些年来，有不 少新的有限元算法问世，为动态设计提供了强大的理论工具。
小波有限元的含义是在有限元的插值函数中引入小波项插值函数，它主要应用于 分析具有大的梯度及具突变性质的问题，若对普通问题小波有限元并无重大的实际意 义。小波有限元法由于采用小波函数来构造其插值函数，因此它继承了小波分析多分 辨率的特性，可以对大的梯度及具突变性质的问题给出较高分辨率的分析，这是其最
大的优点。利用非协调分析及分片试验确定了解的数值稳定性及收敛性，同时也给出 了插值函数的构造方法，加之具有紧支集的正交小波基函数是极易构造的，而且计算 也相对较容易(例如Daubechies 系列小波) ，因此这将是分析大梯度及具突变性质问题 的有力工具。
20多年来，计算力学中的样条有限元法已获得了长足的发展; 在弹塑性力学、
固体力学、流体力学、岩土力学、地基与基础、结构动静力学、厚薄板壳、叠层板壳、 加筋板壳、高层建筑结构、线性与非线性问题、动力学中的多输入与多输出和时变与 时不变系统等问题，都得到了应用与发展。其次，从单变量发展到多变量问题; 从规 则区域发展到非规则区域问题:从静力问题发展到振动，稳定与动力响应问题:从结 构问题发展到流体等非结构问题; 从线性发展到非线性问题等。到目前为止，根据不 完全的资料初步统计，在国内外期刊与学术会议上，大约发表了200余篇有关样条有 限元法的论文; 在国内己出版了有关样条有限元法方面的书籍和相应的计算程序。 众所周知，在工程物理与各科学与技术领域中的问题，其数学模型大多可以归结 为偏微分方程(组) 的边初值问题，若能找到相应的变分原理，特别是广义变分原理， 就可以建立与应用多变量样条有限元法直接求解各种问题的多类场变量的近似值，这 是很有发展前景的。
对暂态历程问题，沿空间域可采用有限元、样条元等离散技术; 沿时间域采用解
析的状态空间法，还可以采用精细算法与平行算法，使计算精度与效率得到极大的提 局。
对于两类场变量(应力与位移) 的结构动静力响应的统一问题，基干混合变分原 理与状态对均有较高的计算精度。对多输入与多输出，时变与时不变，线性与非线性 等系统都将有发展前景。
随着计算数学中的多元样条函数理论研究的进展，应用多元样条构造任意单元形 体的形函数，使样条有限元发展到复杂结构上的应用，可望不久的将来能获得突破性 进展，从而使得计算力学中的样条有限元法进一步深入发展，前景令人鼓舞。
微分方程数值解法是计算数学最活跃的分支之一，有限元方法因在求解微分方程 的有效性、实用性，而长期受到计算数学和工程界的喜爱. 在处理非奇异的偏微分方 程方面(尤其是椭圆和抛物型方程) ，有限元方法可以说是尽善尽美了。但是对奇异 情形却有许多不尽人意之处。例如现在处理奇异情形的最常用方法—局部加密网格 法，一般要预先知道解的奇异程度，另外当网格在奇点周围逐步加密时，容易破坏网 格剖分单元的拟一致性，这在计算上是不利的。对给定的微分方程边值问题，在不知 道其解的奇异度和奇异位置的情况下，利用小波变换由计算机自动将解的奇异位置和 奇异度检测出来; 然后根据检测出的奇异情况，自动引入一奇异有限元基函数(局部 网格加密法所引入的基是分片多项式) ，通过奇性抵消建立一有效的奇异有限元法。 这种方法的优点是:除了不要预先知道解的奇异位置和奇异度(只要求解的奇性范 围) ，还可对求解区域使用尽可能均匀的剖分网格(这是因为它不是通过加密网格而 是通过选取适当的奇异有限元空间来处理奇性的) 。因而是一种具有较重要的理论和 实用价值的新方法[63]j64][67][83]0
所谓振动模态分析法，就是利用系统固有模态的正交性，以系统的各阶模态向量 所组成的模态矩阵作为变换矩阵，对通常选取的物理坐标进行线性交换，使得振动系 统以物理坐标和物理参数所描述的、互相藕合的运动方程组，能够变为一组彼此独立 的方程(每个独立方程只含一个独立的模态坐标) 。这个用模态坐标和摸态参数所描述 的各个独立方程，称为模态方程。模态分析实质上是一种坐标变换，其目的是为了解 除方程的藕合。便于求解。由于坐标变换是线性变换，因而系统在原有物理坐标系中，
对于任意激励的响应，便可视为系统各阶模态的线性组合，故模态分析法，又称为模 态叠加法。而各阶模态在叠加中所占的比重或加权系数，则取决于各阶的模态坐标响 应。一般说来，高阶模态比低阶模态的加权系数要小得多，通常只需要选取前n 阶模态进行叠加，即可达到足够的精度。由此可知:模态分析的主要优点就在于，它能用
较少的运动方程或自由度数，直观、简明而又相当精确地去反映一个比较复杂结构系 统的动态特性，从而大大减少测量、分析及计算工作量。
模态分析的首要任务是求出系统各阶模态参数(例如系统的固有频率和振型; 模 态质量或模态刚度，以及模态阻尼等等) 。尽管实际选取的模态阶数不是很多，但是 在处理大型复杂结构时，真正要通过理论建模与分析比较精确地完全计算出这些模态 参数，也是极其困难的。这种方法只有与实验分析法相结合，才能充分发挥模态分析 的优越性。
机械阻抗(或机械导纳) 测试技术与FFT 分析技术的迅速发展，为试验模态参数 的识别创造了极为方便和有利的条件。近年来新的模态参数识别方法不断涌现。模态 参数识别已成为现代模态分析不可缺少的重要内容之一。
按照模态向量是实数还是复数，振动模态可分为两大类:即实模态与复模态。无 阻尼系统和比例阻尼系统的模态均为实模态，一般阻尼系统的模态为复模态。
模态分析方法是把复杂的实际结构简化成模态模型，来进行系统的参数识别(系统识 别) ，从而大大简化系统的数学运算。通过实验测得实际响应来寻求相应的模型或调 整预想的模型参数，使其成为实际结构得最佳描述[[45]}46][48][61][98] [99]0 实验模态分析有着广泛应用，主要用在:
用于振动测量和结构动力学分析。可测得比较精确得固有频率、模态振型、模态 阻尼、模态质量和模态刚度。
可用模态实验结果去指导有限元理论模型的修正，使计算模型更趋完善和合理。 用来进行结构动力学修改、灵敏度分析和反问题的计算。
用来进行响应计算和载荷识别。
引言
各工业部门广泛使用着各种振动机械，例如各类振动筛、振动给料机、振动成型 机、捣固机、振动压路机、各类振动台、激振器等。这类机械首先要完成工艺过程和 工作过程等振动要求，例如对振动频率(或频带) 、振幅(振动位移或速度、加速度 幅值) 的要求。如汽车振动试验台的载荷激励信号应该真实再现路面所加给汽车的作 用载荷。激励信号可以采用两种方法模拟，一种是直接采用现场测得信号的时域模拟， 一种是采用频域模拟。时域模拟方法的激励信号中往往含有干扰信号以及试验台传递 特性的影响，这种方法往往不能准确再现现场实际。频域模拟是在幅值域、频率域和 相位域几个方面要求与模拟信号等价，通过谱均衡试验，使激励信号较好地复现现场 真实信号。汽车振动试验台所进行的这类试验就是所谓的环境模拟试验。另外如振动 筛是利用筛体的振动特性完成对材料的选别、分级、脱介和脱水等工艺环节。对振动 筛的基本要求是满足生产率、提供合格的产品。除了结构参数之外，其频率和振幅是 合格振动筛的基本参数。
振动机械除了满足工艺过程和工作过程的要求之外，低噪声和长寿命也应当满足 的基本要求。我们知道，这类机械的各主要构件和零件要长期承受交变载荷，于是包 括疲劳失效在内的各种类型的损伤和破坏就成为影响机器使用性能和使用寿命的主 要因素。因此，利用动力学分析和动力学设计方法，使机器的动态载荷和关键零部件
的动应力处于合理的范围之内，是本研究课题的主要任务。
本文以大型直线振动筛为对象，研究机械结构的动态设计问题。大型振动筛是典 型的振动机械，对其进行动力学分析和动态设计，不仅具有理论研究价值，而且也具 有重要的工程意义。
为了满足大型和特大型洗煤厂的需求，产品的规格也在向大型化和超大型化发 展。国外大型振动筛采用先进的设计技术和制造技术，生产出了性能优良的大型筛分 机械，其无故障运行时间在3, OOOh以上，大修期在20, OOOh以上。受到用户的欢迎， 占领了国内几乎全部的大型振动筛的市场。表1-1面是生产大型振动筛的几个著名生 产厂商。
２．国内振动筛分机械的发展现状
由于工业基础差。研究能力和制造水平落后，在近５０年，我国筛分
机械走过从无到有，从小到大。从落后到先进的发展过程。总体上可分
为四个阶段。
（１）进口设备阶段
解放以前，我国在选煤、采矿行业主要依靠人力来完成相应的工
作。在少数一些选煤厂和选矿厂主要采用一些固定筛和摇动筛。这些设
备完全依靠进口。解放后，随着新中国经济的发展的推动，开始在相关
行业推广应用筛分机械。并在大部分洗煤厂、采矿厂和采石场使用一些
慢速的摇动筛和老式的振动筛，并开始使用小型的直线振动筛。
（２）仿制阶段
从５０年代到６０年代，我国开始从前苏联和波兰等欧洲一些国家
进口各种筛分机械。这期间，组织全国相关单位，测绘仿制了前苏联的
ｒ
ｙｎ系列圆振动筛、Ｂ
Ｋ
Ｔ系列摇动筛。波兰的ｗＫ一１５圆振
动筛、
ＣＪＭ一２ｌ型摇动筛和ＷＰｌ、ＷＰ２型吊式直线振动筛阿。研制出国产ｓｚｚ
系列的自定中心筛、Ｓｚ系列的惯性筛和ＳＳｚ系列的直线筛。这些筛分
机械仿制成功以后的发展初步奠定了基础，并培养了我国第一批技术
人员。
（３）引进提高阶段四
６０年代初开始采用一些前苏联和波兰引进的快速的摇动筛、脱水
筛和振动筛技术。从７０年代到８０年代，我国从美国引进Ｒ
・
ｓ公司的
ＴＡＢＯＲ振动笳技术。从日本神户制钢所引进ＨＬＷ型振动筛技术，从德
国ＫＨＤ公司引进ＵＳＫ和ｕｓＬ型振动筛。进入改革开放的快速发
展的
时期．我国筛分机的发展也进入了一个新的阶段。在吸收成功研制了
ＹＡ系列圆振动筛、ＺＫＸ系列直线振动筛、ｚＫ系歹ｑ振动筛。完成振动概
率筛系列、旋转概率筛系列，完成了箱式激振器等厚筛系列、重型冷热
矿筛系列、驰张筛，粉料直线振动筛、琴弦筛、旋流振动筛、立式圆筒筛
的研制也取得成功。国外振动筛产品和制造技术的引进．提高了我国筛
分机械设计制造人员技术水平，使他们从中学习到先进国家设计制造
振动筛的理论、方法、设计技术和制造工艺。
（４）自行研制阶段
我国制定了第一个煤用单、双轴振动筛系列型谱，自主进行了ＺＤＭ
（ＤＤＭ）系列单轴振动筛和ＺｓＭＯ）ＳＭ）系列双轴振动筛的产品设计工作。
并投人生产制造。基本上满足了当时国内中、小型选煤厂建设的需要。
在此基础上，通过采用自同步理论、块偏心振动器、复合弹簧、环槽铆钉
等先进技术，
相继开发了２ＺＫＢ２１６３直线振动筛，
ＹＫｌ５４５和２
ＹＫ２１４５
圆振动筛、ＹＨｌ８３６重型振动筛、ｒＱｌ２２４复合振动筛等４种基型新 系列
振动筛。又相继开发ＹＫ和ＺＫＢ自同步直线振动筛系列、香蕉筛系列、
重型冷热矿筛系列、博厚筛、高频振动筛系列。这些设备成功研制，标志
着我国筛分机械走上了独立发展的道路。
目前，在国内振动筛研究成果有：
中国矿业大学等单位为东滩煤矿，研制了据称是国内筛面宽度尺
寸最大的ＺＤＳ２４６０型自同步等厚筛，其筛面宽度为２４００嘲，筛分能力
为１０００
ｔ／ｈ。该设备筛面分为两段，筛分效率达到９０％以上。
鞍山重型机器股份有限公司与沈阳理工大学联合研制世界最大的
大型香蕉筛，该筛面３９．５６ｍ２。高５米，重４０吨，最大处理能力为２５００ｔ／Ｉｌ。
年可筛分上千万吨。产品性能、筛分面积、工作效率在世界同类产品中
居于前列。该产品不但替代了进口，而且打破了国外垄断该大型设备的
历史。
新乡威猛集团将１２台２ｍ×３ｍ的节肢筛组合在一起，组成了目前
国内面积最大的７２
ｍ２节肢振动筛，用于选煤系统的分级和脱水、脱介．
效果很好。
目前，全国筛分机械制造企业已多达３００余家，能够完成５０多个
系列近１
０００种规格产品。逐渐缩短与国外企业的差距，甚至在部分产
品已经超越国外企业。达到国际先进水平。
在振动理论的研究上，东北大学的闻邦椿院士提出系统的研究理
论。在振动筛分机械设计与制造方面，洛阳矿山机械研究院王峰商工提
出实际的解决方案。在筛分理论上，中国矿业大学赵跃民教授提出细粒
难筛物料筛分机械的筛分机理和解决途径。这些理论与实践的成功研
究为我国振动机械的研制与开发奠定坚实的理论基础。
３．振动筛分机械的发展趋势
综合国内外筛分机械状况，筛分机械在未来将朝以下几个方向发
展：
（ｔ）大型化
现代工业的
我国的振动筛在运行和维修方面中存在着大量的问题。这些问题突出表现在筛箱断梁、裂帮, 稀油润滑的箱式振动器漏油、齿轮打齿、轴承温升过高、噪声大等问题, 同时伴有其它等故障。这类问题直接影响了振动筛的使用寿命, 严重影响了生产。本文针对这些问题特设计了RM=80型清筛机振动筛，这类振动筛可以很好的解决此类问题，该系列振动筛是大型养路机械设备企业普遍应用的筛分机械，用作物料的筛分、分级之用。根据的是自同步原理，采用的是液压马达驱动，代替强制同步式的齿轮传动，振动轨迹为上下。克服了以往振动筛由于单电机拖动，齿轮强迫传动引起的齿轮润滑，封闭问题，从而提高了整个振动筛的使用寿命。设计分析论述了设计方案，包括振动筛的原理与特点，对物料的运动分析，对振动筛的动力学分析及动力学参数计算，；进行了主要零部件的设计与计算，弹簧的设计计算，轴的强度计算，轴承的选择与计算，然后进行设备维修、安装的设计。最后进行了振动筛的的环保以及经济分析。
关键词： 双轴直线振动筛； 偏心轴； 弹簧 ；液压马达
II
Abstract
China since reform and opening, vibrating screen industry have seen significant development. In particular, the 21st century, exists in all walks of life in the shaker. However, vibrating screen career started late in China, rapid development, therefore, in the vibrating screen operation and maintenance, there are many problems. These problems highlight the performance of the sieve box off beam, crack help, dilute oil lubrication in the box vibrator oil spills, fight gear teeth, bearing temperature rise too high, noise, etc, and accompanied with a jump drive with a belt and other faults. These problems directly affect the life of a shaker, has seriously affected production. ZKB3660 linear vibrating screen can solve such problems, the series of vibrating screen is widely used in screening industrial and mining machinery, used as the material of the screening, grading, washing, using the two-motor direct drive, instead of mandatory synchronous gear drive, vibration track a straight line. Overcome in the past as a single shaker motor drag, caused by the gear drive gear forced lubrication, closed questions, thereby increasing the life of the shaker. Design and Analysis discusses the design, including the classification and characteristics of vibrating screen, the movement of materials analysis, Dynamic analysis of shaker and kinetic parameters, including both the original design parameters, motor design and verification; for a major Parts of the design and calculation of spring design and calculation, shaft strength calculation, bearing selection and calculation, and then proceed to equipment maintenance, installation design. Finally, a vibrating screen of the environmental and economic analysis.
Keywords: Linear；Shaker-style ； Spring motor Eccentric block
目录
1 绪论 ....................................................... 1
1.1 引言 ................................................... 1 1.
2 振动筛国内外的现状及发展趋势 ............................ 3
1.2.1国内振动筛研究现状 ................................. 3
1.2.2国外振动筛研究现状 ................................. 4
1.2.3国内技术发展趋势 ................................... 4
1.2.4国外技术发展趋势 ................................... 4
1.3振动筛的分类及各自的特点 ................................. 5
1.3.1圆运动振动筛 ....................................... 5
1.3.2直线振动筛 ......................................... 5
1.3.3其它类型的振动筛 ................................... 6
2 ZKB3660直线振动筛总体设计 ............................... 8
2.1振动筛的选型及工作原理 ................................... 8
2.2整体方案的确定及结构特点 ................................. 9
2.2.1筛箱 ............................................... 9
2.2.3联轴器 ............................................ 18
2.2.4支撑装置 .......................................... 20
3 ZKB3660直线振动筛的设计计算 ........................... 23
3.1 直线振动筛筛面上物料的运动分析 ......................... 23
3.1.1筛面的运动方程 .................................... 23
3.1.2筛面上物料的运动分析 .............................. 24
3.2.工艺参数的选择 ......................................... 25
3.2.1筛面的长度和宽度 .................................. 25
4 ZKB3660直线振动筛的安装与维护 ......................... 43
4.1直线振动筛的安装与调试 .................................. 43
4.1.1筛分机的工艺配置关系 .............................. 43
4.1.2安装 .............................................. 43
4.1.3试运转 ............................................ 45
V
4.2 直线振动筛的维护与检修 ................................. 46
4.2.1 筛分机的操作 ...................................... 46
4.2.2日常维护、保养 .................................... 46
经济技术分析 ................................................. 50
设计总结 ..................................................... 51
参考文献 ..................................................... 53
致谢 .......................................................... 55
附录一 ........................................................ 56
附录二 ........................................................ 77
摘要
诸如振动筛、振动给料机、振动成型机、捣固机、振动压路机、各
类振动台、激振器等振动机械是各工业部门或科学试验的重要设备。这
类机械是利用振动特性来满足生产中工艺过程和工作过程的要求。工作
过程中，这些复杂的承载条件与长时间的连续工作，其主要结构的零部
件始终承受着恶劣的交变载荷，设备结构的损伤是不可避免的。但是，就
目前企业对振动筛的使用情况来看，国内产品的使用寿命远低于国外的
同类产品。国外大型振动筛采用先进的设计技术和制造技术，生产出了
性能优良的大型筛分机械，其无故障运行时间在3, OOOh以上，大修期在
20, OOOh以上。而国内同类产品的相同技术指标则远低于上述指标。因此
机器设备的运行可靠性和工作寿命就成为需要解决的关键问题。对于大
型重载机械，这个问题尤其突出。如大型振动筛主要结构件的早期疲劳
断裂，就始终是困绕业界的突出问题。采用先进的研发技术，使结构满
足所承受的动态载荷以及合理的动态应力分布，是解决运行可靠性和工
作寿命的有效方法。
目前静强度加运动学分析(或简化的动力学分析) 的传统设计，大
多是采用经验数据和安全系数的设计计算方法，不能准确揭示出结构内
部动态应力分布状况，因此不能保证产品结构的设计合理性，直接影响
产品的使用性能与寿命。
本文作者以大型振动筛为研究对象，利用先进的振动测试手段和动
力学分析理论，将理论建模与实验建模相结合的动态设计方法完整地应
用于大型振动机械动态设计过程。利用有限元分析技术，初步获得原型
振动筛的模态参数和模态振型，利用这些参数，对设计结构进行初步修
改，并作为物理试验模型的设计依据，同时也作为试验测点布置的主要
参考。利用振动测试技术，进行多测点实验建模，获取结构的模态参数
和模态振型; 在对测试数据进行充分分析的基础上，获得振动位移场(间
接获得应力场) 及其它动态特征。这些动态参数可作为理论分析模型修
卫
3. 2. 1直线振动筛的工作原理
直线振动筛又叫双轴惯性振动筛，其工作原理如图3-1所示。激振器两铀上的偏 心质量和偏心距均相等，并且以Y-Y 轴线为对称，Y-Y 轴线通过筛箱的质心。两轴作 同步反向回转时，每一瞬时两轴上偏心质量所产生的离心惯性力，沿x-x 方向的分力 总是互相抵消，而沿Y-Y 方向的分力总是相互叠加，这就形成了单一的Y-Y 方向的 简谐力。该力作用在筛箱上，驱动筛箱作轨迹为直线的往复振动。当双不平衡重的质 量运转到图中(a)和(c)的位置时，所产生的离心惯性力是完全叠加的，激振力达到最 大值; 当转到(b)和(d)的位置时，它们的离心惯性力完全抵消，激振力为零。
在任意时刻t ，双不平衡重所处的位置如图中(e)所示，由此可以求出双不平衡 重产生的激振力随时间变化的函数关系式:
P .=}mo1'。与in c} t
=}.mo1'. !1l与1R}t
二尸5117 w t
(3一1)
式中m —不平衡重的质量和，m=Emo (kg);
尸—不平衡重所产生的激振力幅值伽);
t 一转动时间((s);
:一不平衡重质心回转半径(m),
。—不平衡重的回转角速度(弧度/秒) ，
Pv 一在振动方向上的激振力困) ，
mo 每个偏心块的质量(kg) o
由上式可见，双轴惯性激振器，当作同步反向回转的时候，产生定向的简谐力， 此力通过筛箱的质心，使筛箱作定向往复直线振动。
Po-morcoz
图3-1直线振动筛工作原理图
FIG.3一I Operating principle chart of linear screen
3. 2. 2直线振动筛筛面上物料的运动分析
筛面的运动方程
直线振动筛的筛面是沿振动方向作简谐振动，筛面的位移方程式为:
S=Asin}=Asincdt
式中A 筛面的振幅;
，一一一激振器轴回转相位角，甲二.t;
旬一一一-轴的转动角速度;
卜一一时间。
(3-2)
筛面运动时的位移、速度和加速度分别在平行于筛面的x 方向和垂直于筛面的Y 方向的分量为:
. 4
3.4.
直线振动l 市动刀字分称
直线振动筛力学模型的建立
当分析一个振动机体的特性时，首先要建立它的力学模型，以代表这个系统结构 的动态特性以及外部激振情况。
为了便于分析计算，建立模型时，需要对振动系统作一些简化，忽略次要因素， 其简化原则可归纳为如下几点:
. 质量集中; 实际的振动机体构造是分散的，在建立案中参数模型时，需要 适当的集中，如质量大的，弹性小的简化为不计弹性的集中质量。 . 刚度集中，弹簧产生单位位移所需的力称为弹簧的刚度，在振动系统中，
致谢
论文完成了，虽然仍有不少待完善之处，但它毕竟倾注了我们几年的心血。 我的导师熊诗波教授渊博的学识、严谨的学风将是我毕生财富。论文进行的每一 个环节都倾注了他心血。从研究方法、试验方案的确定，到数据处理的方法选择，都 给予了我们悉心指导，在强调追踪本学科世界前沿、科技为经济建设服务的同时，启 发和鼓励我们进行独创性的工作，这些使我受益匪浅。在熊老师的指导下，在完成论 文的同时，我们还卓有成效地完成了几项重要的纵向和横向科研项目，有些解决了企 业生产中的关键问题。
河北金牛能源股份有限公司邢台矿选煤厂为项目提供了良好的实验条件和实验 场地，为此，特别感谢厂领导、工程技术人员和工人师傅。
我要感谢我的同事杨洁明、程晰、魏晋宏、杜岚松、熊晓燕以及范世凤、张科、 张建伟，没有他们的支持和帮助，我的任务不会顺利完成。
我的那些师弟师妹们给我的全力支持和无私帮助，我永远都不会忘记。 我还要感谢金老师在工作和生活中给予的关心和爱护。
我更要感谢的是我的妻子和女儿，没有她们的宽容、理解和支持，没有她们甘于 清贫的生活方式，没有她们独立自主的生活能力，我这样的年龄，不可能安下心来做 些学问。论文的完成也算是对她们的一个交代吧。
我也要感谢为论文评阅付出心血的专家学者。
结论与展望
振动机械，与其他机电产品的研制过程一样，可分为设计、制造和使用三个阶段， 在整个产品的研制和建造过程中，所遇到技术问题很多与结构动力学有关，这些问题 可依据结构动态分析结果来解决。大型振动机械的噪声与使用寿命等问题可以通过动 态设计结构动态分得到较好的解决。
在研究结构线性特性的基础上，深入开展结构非线性振动及其相关问题的研究， 完善动态设计理论。若没有实验模态分析、振动测试、非线性特性辨识与分析的理论、 技术以及相应的知识与经验积累，即若没有与试验研究紧密结合的动态设计理论、知 识与技术手段，不但很难实现这类机械的创新设计，就连动态性能的改进设计都不可 育旨。
本研究课题表明，动态特性的理论分析与实验分析结果，存在一定程度的非一致 性，这种现象也正说明结构非线性特性的存在。进行非线性动态设计理论的研究以成 为当务之急。
模态实验中，激励能量的选择对实验结果有很大的影响。对于不同的研究目的， 应选择恰当的激励信号与激励方式。
本研究课题结构相似与动力学相似相关性问题的研究表明，对于大型机械系统， 物理模型试验是一种方便、快捷的研究手段，并且其实验研究结果也是准确可靠的。 对于复杂大型机械结构的理论动态分析过程中结构及边界条件的简化，会对分析 结果造成比较大的影响。采用子结构分析技术及其子结构综合分析技术，无疑会提高 分析可靠性和准确性。
动态设计理论的应用以及采用先进的传感器技术、数据采集、分析处理技术应用 于大型机电系统运行过程中的在线监测，对于早期故障预示也不失为一种行之有效的 方法。
本研究课题比较完整地运用动态设计理论，进行了大型振动筛的动态设计，利用 振动筛物理模型和原型，对设计结果进行实际检验和再设计，设计出了性能优良、结 构优美、高可靠性和长寿命的大型直线振动筛。
将结构动态设计理论的完整的应用于大型复杂结构，目前仍然处于探索阶段，其 设计过程繁杂，技术支撑设备价格昂贵，还存在许多待完善之处。相信随着人们的不 断努力，会有简便实用的设计技术和设备来满足结构动态设计的需求，使我们的设计 水平提升到一个新的高度。
6. 4筛阻的结构动力学修改
大型振动筛的筛咀长宽比很大，通过简单结构的筛咀，通过有限元分析以及实验 模态分析结果，在较低频段(30Hz以下) ，有几阶变形较大的模态振型，实践证明， 大型振动筛的筛咀确实存在早期断裂的严重问题。如国内某选煤厂使用四台27M2进 口大型直线振动筛，使用不到两年的时间，就出现了断裂故障。在对其模态参数进行 分析的基础上，进行结构动力学修改，用修改后的结构取代物理模型的原结构。模态 试验分析结果显示，消除了工作频率附近的几阶模态振型，降低了某些振型的变形量。 按照动态设计结果，最后我们设计出的4200 X 7200大型直线振动筛，其三维结 构如图6-4所示。
3. 2. 1直线振动筛的工作原理
直线振动筛又叫双轴惯性振动筛，其工作原理如图3-1所示。激振器两铀上的偏 心质量和偏心距均相等，并且以Y-Y 轴线为对称，Y-Y 轴线通过筛箱的质心。两轴作 同步反向回转时，每一瞬时两轴上偏心质量所产生的离心惯性力，沿x-x 方向的分力 总是互相抵消，而沿Y-Y 方向的分力总是相互叠加，这就形成了单一的Y-Y 方向的 简谐力。该力作用在筛箱上，驱动筛箱作轨迹为直线的往复振动。当双不平衡重的质 量运转到图中(a)和(c)的位置时，所产生的离心惯性力是完全叠加的，激振力达到最 大值; 当转到(b)和(d)的位置时，它们的离心惯性力完全抵消，激振力为零。
在任意时刻t ，双不平衡重所处的位置如图中(e)所示，由此可以求出双不平衡 重产生的激振力随时间变化的函数关系式:
Py }mo1'。与in c} t
=}.mo1'. !1l与1R}t
二尸5117 w t
(3一1)
式中m —不平衡重的质量和，m=Emo (kg);
尸—不平衡重所产生的激振力幅值伽);
t 一转动时间((s);
:一不平衡重质心回转半径(m),
3. 2惯性振动筛的工作原理
振动筛按振动频率是否接近或远离共振频率分为共振筛和惯性振动筛。
振动筛按激振器产生激振力的原理不同，可分为偏心振动筛(也叫半振动筛) 、’惯 性振动筛和电磁振动筛。目前偏心振动筛己很少用，电磁振动筛主要应用于粉末状细粒物料的分级。共振
筛曾一度受到各国普遍重视，发展很快; 但在生产实践中，暴露出结构复杂、调整困
难、故障较多等缺点。
在筛分作业中，大量使用的是惯性振动筛，一般习惯地称之为振动筛。
目前，将振动筛按筛面工作时运动轨迹的特点，分为圆运动振动筛(简称圆振动 筛) 和直线运动振动筛(简称直线振动筛) 。本论文只讨论目前在工业上大量使用的直线 振动筛[54][56][76][77]0
直线振动筛的分类如下所示:
直线振动筛
(按驱动电
机数量分)
单电机驱动直线振动筛
激振器类型分)
双电机驱动直线振动筛
电机是否为振动电机分)
(”{默霎暮卖寡篡
(按王罄默霎矍髯篡
第三章振动筛的工作原理及动力学分析
3. 1振动筛的工作原理
将颗粒大小不同的碎散物料群，多次通过均匀布孔的单层或多层筛面，分成若干 不同级别的过程称为筛分。理论上大于筛孔的颗粒留在筛面上，称为该筛面的筛上物， 小于筛孔(最小有二维小于筛孔尺寸) 的颗粒透过筛孔，称为该筛面的筛下物。
碎散物料的筛分过程，可以看作由两个阶段组成:一是小于筛孔尺寸的细颗粒通 过粗颗粒所组成的物料层到达筛面; 二是细颗粒透过筛孔。要想完成上述两个过程， 必须具备最基本的条件，就是物料和筛面之间要存在着相对运动。为此，筛箱应具有 适当的运动特性，一方面使筛面上的物料层成松散状态; 另一方面，使堵在筛孔上的 粗颗粒闪开，保持细粒透筛之路畅通。
实际的筛分过程是:大量粒度大小不同，粗细混杂的碎散物料进入筛面后，只有 一部分颗粒与筛面接触，而在接触筛面的这部分物料中，不全是小于筛孔的细粒，大 部分小于筛孔尺寸的颗粒，分布在整个料层的各处。由于筛箱的运动，筛面上料层被 松散，使大颗粒本来就存在的较大的间隙被进一步扩大，小颗粒乘机穿过间隙，转移 到下层。由于小颗粒间隙小，大颗粒不能穿过，因此，大颗粒在运动中，位置不断升 高。于是原来杂乱无章排列的颗粒群发生了析离，即按颗粒大小进行了分层，形成小 颗粒在下，粗粒居上的排列规则。到达筛面的细颗粒，小于筛孔者透筛，最终实现了 粗、细粒分离，完成筛分过程。然而，充分的分离是没有的，在筛分时，一般都有一 部分筛下物留在筛上物中。
细粒透筛时，虽然颗粒都小于筛孔，但它们透筛的难易程度不同。和筛孔相比， 颗粒越小，透筛越易，和筛孔尺寸相近的颗粒，透筛就较难，透过筛面下层的大颗粒
间隙就更难[56] [57]0
2. 2. 1概述
机械结构设计是随着科学技术的进步、社会的发展而不断发展的，它由早期的凭 人们的经验进行设计，发展到设计与力学分析相结合，直到现代的结构优化设计。但就 强度而言，仍是基于静力准则的结构设计。目前工程中的机械结构设计大多仍是按静 力准则进行的，然后，再采取抑制振动水平的措施，甚至当产品在使用中出现严重的振动问题后，才采取措施抑制产品的振动水平。实践证明，这种办法耗资巨大，效果并不
理想，事倍功半。因而根据传统的基于静力准则的机械结构设计方法是无法满足现代 产品的设计要求的。对承受动载荷的结构，采用结构动态设计方法是满足现代产品设 计要求的有效方法，通过动态设计达到控制机械结构的振动水平，改善产品的质量，提 高它的安全可靠性等目的，即“优生”。这也是符合国际、国内机械结构设计技术发展 方向的。
结构动态设计乃指在设计阶段，根据结构工作的动力学环境，按照功能、强度等方 面的要求对结构进行设计，以使它具有良好的动态特性，达到控制产品振动水平的目 的。它有别于传统的基于静力准则的结构设计方法。这里将结构动态设计分为两类: . 第一类为结构振动特性设计。振动特性是指结构的固有频率、固有振型等。通过 设计，在结构满足静强度等要求的同时，使该结构的某阶或某几阶固有频率满足给 定值，有时除固有频率设计要求外，还有固有振型或振型节线位置设计要求。 . 第二类为结构振动响应设计，它要求设计的结构在满足静强度、固有特性等要求的 同时，还应满足振动响应(包括应力、应变、位移、速度、加速度) 的要求。
结构动态设计研究工作具有很强的工程背景。由于工业发展的需要，国际上工业 发达国家开展这一研究工作比国内早，约始于上世纪70年代初。但从发表的文献来看， 研究工作大多集中在带有频率要求的结构动态设计，基本上是设计方法与原理的研究 以及简单例题的验证，很少见到经过试验验证的结构动态设计实例的报导[45][42-44]0
第二章国内外大型振动机械与振动筛动态设计方法研究概况
2. 1动态设计的理论建模与实验建模
振动机械等大型机械的动态设计方法，越来越受到人们的重视，结构动力学分析 理论和与之相关的先进的试验测试手段都得到了长足的发展。尤其是理论建模和试验 建模方法的研究异常活跃，并取得了可用于动态设计的可喜成果。
有限元分析是利用数值计算方法对系统进行理论建模的强大工具，除了对结构的 形状复杂、载荷与支承也复杂的零部件进行应力分析外，结构动力学分析同样也可以 借助于有限元方法来进行。这是结构动态设计的一个重要组成部分。近些年来，有不 少新的有限元算法问世，为动态设计提供了强大的理论工具。
小波有限元的含义是在有限元的插值函数中引入小波项插值函数，它主要应用于 分析具有大的梯度及具突变性质的问题，若对普通问题小波有限元并无重大的实际意 义。小波有限元法由于采用小波函数来构造其插值函数，因此它继承了小波分析多分 辨率的特性，可以对大的梯度及具突变性质的问题给出较高分辨率的分析，这是其最
大的优点。利用非协调分析及分片试验确定了解的数值稳定性及收敛性，同时也给出 了插值函数的构造方法，加之具有紧支集的正交小波基函数是极易构造的，而且计算 也相对较容易(例如Daubechies 系列小波) ，因此这将是分析大梯度及具突变性质问题 的有力工具。
20多年来，计算力学中的样条有限元法已获得了长足的发展; 在弹塑性力学、
固体力学、流体力学、岩土力学、地基与基础、结构动静力学、厚薄板壳、叠层板壳、 加筋板壳、高层建筑结构、线性与非线性问题、动力学中的多输入与多输出和时变与 时不变系统等问题，都得到了应用与发展。其次，从单变量发展到多变量问题; 从规 则区域发展到非规则区域问题:从静力问题发展到振动，稳定与动力响应问题:从结 构问题发展到流体等非结构问题; 从线性发展到非线性问题等。到目前为止，根据不 完全的资料初步统计，在国内外期刊与学术会议上，大约发表了200余篇有关样条有 限元法的论文; 在国内己出版了有关样条有限元法方面的书籍和相应的计算程序。 众所周知，在工程物理与各科学与技术领域中的问题，其数学模型大多可以归结 为偏微分方程(组) 的边初值问题，若能找到相应的变分原理，特别是广义变分原理， 就可以建立与应用多变量样条有限元法直接求解各种问题的多类场变量的近似值，这 是很有发展前景的。
对暂态历程问题，沿空间域可采用有限元、样条元等离散技术; 沿时间域采用解
析的状态空间法，还可以采用精细算法与平行算法，使计算精度与效率得到极大的提 局。
对于两类场变量(应力与位移) 的结构动静力响应的统一问题，基干混合变分原 理与状态对均有较高的计算精度。对多输入与多输出，时变与时不变，线性与非线性 等系统都将有发展前景。
随着计算数学中的多元样条函数理论研究的进展，应用多元样条构造任意单元形 体的形函数，使样条有限元发展到复杂结构上的应用，可望不久的将来能获得突破性 进展，从而使得计算力学中的样条有限元法进一步深入发展，前景令人鼓舞。
微分方程数值解法是计算数学最活跃的分支之一，有限元方法因在求解微分方程 的有效性、实用性，而长期受到计算数学和工程界的喜爱. 在处理非奇异的偏微分方 程方面(尤其是椭圆和抛物型方程) ，有限元方法可以说是尽善尽美了。但是对奇异 情形却有许多不尽人意之处。例如现在处理奇异情形的最常用方法—局部加密网格 法，一般要预先知道解的奇异程度，另外当网格在奇点周围逐步加密时，容易破坏网 格剖分单元的拟一致性，这在计算上是不利的。对给定的微分方程边值问题，在不知 道其解的奇异度和奇异位置的情况下，利用小波变换由计算机自动将解的奇异位置和 奇异度检测出来; 然后根据检测出的奇异情况，自动引入一奇异有限元基函数(局部 网格加密法所引入的基是分片多项式) ，通过奇性抵消建立一有效的奇异有限元法。 这种方法的优点是:除了不要预先知道解的奇异位置和奇异度(只要求解的奇性范 围) ，还可对求解区域使用尽可能均匀的剖分网格(这是因为它不是通过加密网格而 是通过选取适当的奇异有限元空间来处理奇性的) 。因而是一种具有较重要的理论和 实用价值的新方法[63]j64][67][83]0
所谓振动模态分析法，就是利用系统固有模态的正交性，以系统的各阶模态向量 所组成的模态矩阵作为变换矩阵，对通常选取的物理坐标进行线性交换，使得振动系 统以物理坐标和物理参数所描述的、互相藕合的运动方程组，能够变为一组彼此独立 的方程(每个独立方程只含一个独立的模态坐标) 。这个用模态坐标和摸态参数所描述 的各个独立方程，称为模态方程。模态分析实质上是一种坐标变换，其目的是为了解 除方程的藕合。便于求解。由于坐标变换是线性变换，因而系统在原有物理坐标系中，
对于任意激励的响应，便可视为系统各阶模态的线性组合，故模态分析法，又称为模 态叠加法。而各阶模态在叠加中所占的比重或加权系数，则取决于各阶的模态坐标响 应。一般说来，高阶模态比低阶模态的加权系数要小得多，通常只需要选取前n 阶模态进行叠加，即可达到足够的精度。由此可知:模态分析的主要优点就在于，它能用
较少的运动方程或自由度数，直观、简明而又相当精确地去反映一个比较复杂结构系 统的动态特性，从而大大减少测量、分析及计算工作量。
模态分析的首要任务是求出系统各阶模态参数(例如系统的固有频率和振型; 模 态质量或模态刚度，以及模态阻尼等等) 。尽管实际选取的模态阶数不是很多，但是 在处理大型复杂结构时，真正要通过理论建模与分析比较精确地完全计算出这些模态 参数，也是极其困难的。这种方法只有与实验分析法相结合，才能充分发挥模态分析 的优越性。
机械阻抗(或机械导纳) 测试技术与FFT 分析技术的迅速发展，为试验模态参数 的识别创造了极为方便和有利的条件。近年来新的模态参数识别方法不断涌现。模态 参数识别已成为现代模态分析不可缺少的重要内容之一。
按照模态向量是实数还是复数，振动模态可分为两大类:即实模态与复模态。无 阻尼系统和比例阻尼系统的模态均为实模态，一般阻尼系统的模态为复模态。
模态分析方法是把复杂的实际结构简化成模态模型，来进行系统的参数识别(系统识 别) ，从而大大简化系统的数学运算。通过实验测得实际响应来寻求相应的模型或调 整预想的模型参数，使其成为实际结构得最佳描述[[45]}46][48][61][98] [99]0 实验模态分析有着广泛应用，主要用在:
用于振动测量和结构动力学分析。可测得比较精确得固有频率、模态振型、模态 阻尼、模态质量和模态刚度。
可用模态实验结果去指导有限元理论模型的修正，使计算模型更趋完善和合理。 用来进行结构动力学修改、灵敏度分析和反问题的计算。
用来进行响应计算和载荷识别。
引言
各工业部门广泛使用着各种振动机械，例如各类振动筛、振动给料机、振动成型 机、捣固机、振动压路机、各类振动台、激振器等。这类机械首先要完成工艺过程和 工作过程等振动要求，例如对振动频率(或频带) 、振幅(振动位移或速度、加速度 幅值) 的要求。如汽车振动试验台的载荷激励信号应该真实再现路面所加给汽车的作 用载荷。激励信号可以采用两种方法模拟，一种是直接采用现场测得信号的时域模拟， 一种是采用频域模拟。时域模拟方法的激励信号中往往含有干扰信号以及试验台传递 特性的影响，这种方法往往不能准确再现现场实际。频域模拟是在幅值域、频率域和 相位域几个方面要求与模拟信号等价，通过谱均衡试验，使激励信号较好地复现现场 真实信号。汽车振动试验台所进行的这类试验就是所谓的环境模拟试验。另外如振动 筛是利用筛体的振动特性完成对材料的选别、分级、脱介和脱水等工艺环节。对振动 筛的基本要求是满足生产率、提供合格的产品。除了结构参数之外，其频率和振幅是 合格振动筛的基本参数。
振动机械除了满足工艺过程和工作过程的要求之外，低噪声和长寿命也应当满足 的基本要求。我们知道，这类机械的各主要构件和零件要长期承受交变载荷，于是包 括疲劳失效在内的各种类型的损伤和破坏就成为影响机器使用性能和使用寿命的主 要因素。因此，利用动力学分析和动力学设计方法，使机器的动态载荷和关键零部件
的动应力处于合理的范围之内，是本研究课题的主要任务。
本文以大型直线振动筛为对象，研究机械结构的动态设计问题。大型振动筛是典 型的振动机械，对其进行动力学分析和动态设计，不仅具有理论研究价值，而且也具 有重要的工程意义。
为了满足大型和特大型洗煤厂的需求，产品的规格也在向大型化和超大型化发 展。国外大型振动筛采用先进的设计技术和制造技术，生产出了性能优良的大型筛分 机械，其无故障运行时间在3, OOOh以上，大修期在20, OOOh以上。受到用户的欢迎， 占领了国内几乎全部的大型振动筛的市场。表1-1面是生产大型振动筛的几个著名生 产厂商。
２．国内振动筛分机械的发展现状
由于工业基础差。研究能力和制造水平落后，在近５０年，我国筛分
机械走过从无到有，从小到大。从落后到先进的发展过程。总体上可分
为四个阶段。
（１）进口设备阶段
解放以前，我国在选煤、采矿行业主要依靠人力来完成相应的工
作。在少数一些选煤厂和选矿厂主要采用一些固定筛和摇动筛。这些设
备完全依靠进口。解放后，随着新中国经济的发展的推动，开始在相关
行业推广应用筛分机械。并在大部分洗煤厂、采矿厂和采石场使用一些
慢速的摇动筛和老式的振动筛，并开始使用小型的直线振动筛。
（２）仿制阶段
从５０年代到６０年代，我国开始从前苏联和波兰等欧洲一些国家
进口各种筛分机械。这期间，组织全国相关单位，测绘仿制了前苏联的
ｒ
ｙｎ系列圆振动筛、Ｂ
Ｋ
Ｔ系列摇动筛。波兰的ｗＫ一１５圆振
动筛、
ＣＪＭ一２ｌ型摇动筛和ＷＰｌ、ＷＰ２型吊式直线振动筛阿。研制出国产ｓｚｚ
系列的自定中心筛、Ｓｚ系列的惯性筛和ＳＳｚ系列的直线筛。这些筛分
机械仿制成功以后的发展初步奠定了基础，并培养了我国第一批技术
人员。
（３）引进提高阶段四
６０年代初开始采用一些前苏联和波兰引进的快速的摇动筛、脱水
筛和振动筛技术。从７０年代到８０年代，我国从美国引进Ｒ
・
ｓ公司的
ＴＡＢＯＲ振动笳技术。从日本神户制钢所引进ＨＬＷ型振动筛技术，从德
国ＫＨＤ公司引进ＵＳＫ和ｕｓＬ型振动筛。进入改革开放的快速发
展的
时期．我国筛分机的发展也进入了一个新的阶段。在吸收成功研制了
ＹＡ系列圆振动筛、ＺＫＸ系列直线振动筛、ｚＫ系歹ｑ振动筛。完成振动概
率筛系列、旋转概率筛系列，完成了箱式激振器等厚筛系列、重型冷热
矿筛系列、驰张筛，粉料直线振动筛、琴弦筛、旋流振动筛、立式圆筒筛
的研制也取得成功。国外振动筛产品和制造技术的引进．提高了我国筛
分机械设计制造人员技术水平，使他们从中学习到先进国家设计制造
振动筛的理论、方法、设计技术和制造工艺。
（４）自行研制阶段
我国制定了第一个煤用单、双轴振动筛系列型谱，自主进行了ＺＤＭ
（ＤＤＭ）系列单轴振动筛和ＺｓＭＯ）ＳＭ）系列双轴振动筛的产品设计工作。
并投人生产制造。基本上满足了当时国内中、小型选煤厂建设的需要。
在此基础上，通过采用自同步理论、块偏心振动器、复合弹簧、环槽铆钉
等先进技术，
相继开发了２ＺＫＢ２１６３直线振动筛，
ＹＫｌ５４５和２
ＹＫ２１４５
圆振动筛、ＹＨｌ８３６重型振动筛、ｒＱｌ２２４复合振动筛等４种基型新 系列
振动筛。又相继开发ＹＫ和ＺＫＢ自同步直线振动筛系列、香蕉筛系列、
重型冷热矿筛系列、博厚筛、高频振动筛系列。这些设备成功研制，标志
着我国筛分机械走上了独立发展的道路。
目前，在国内振动筛研究成果有：
中国矿业大学等单位为东滩煤矿，研制了据称是国内筛面宽度尺
寸最大的ＺＤＳ２４６０型自同步等厚筛，其筛面宽度为２４００嘲，筛分能力
为１０００
ｔ／ｈ。该设备筛面分为两段，筛分效率达到９０％以上。
鞍山重型机器股份有限公司与沈阳理工大学联合研制世界最大的
大型香蕉筛，该筛面３９．５６ｍ２。高５米，重４０吨，最大处理能力为２５００ｔ／Ｉｌ。
年可筛分上千万吨。产品性能、筛分面积、工作效率在世界同类产品中
居于前列。该产品不但替代了进口，而且打破了国外垄断该大型设备的
历史。
新乡威猛集团将１２台２ｍ×３ｍ的节肢筛组合在一起，组成了目前
国内面积最大的７２
ｍ２节肢振动筛，用于选煤系统的分级和脱水、脱介．
效果很好。
目前，全国筛分机械制造企业已多达３００余家，能够完成５０多个
系列近１
０００种规格产品。逐渐缩短与国外企业的差距，甚至在部分产
品已经超越国外企业。达到国际先进水平。
在振动理论的研究上，东北大学的闻邦椿院士提出系统的研究理
论。在振动筛分机械设计与制造方面，洛阳矿山机械研究院王峰商工提
出实际的解决方案。在筛分理论上，中国矿业大学赵跃民教授提出细粒
难筛物料筛分机械的筛分机理和解决途径。这些理论与实践的成功研
究为我国振动机械的研制与开发奠定坚实的理论基础。
３．振动筛分机械的发展趋势
综合国内外筛分机械状况，筛分机械在未来将朝以下几个方向发
展：
（ｔ）大型化
现代工业的