机械式动筛排矸机传动机构优化及运动仿真分析
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作者: 汪鑫 张恕远
【摘 要】 机械式动筛排矸机传动机构急回特性与机械式动筛排矸机筛分效果有着非常紧密的联系，但其分晒影响因素众多，为有效加强筛分效果，主要对传动机构进行了研究，建立了传动机构的运动学模型，然后进行了多目标优化设计，并对优化前后传动机构进行运动仿真分析，使分筛机构降低冲击，加强筛分功能。
【关键词】 动筛排矸机 传动机构 优化设计
0 引言
伴随着我国对选煤装备煤矸筛分精度的精细化，对机械式动筛排矸机传动机构运动学分析和优化设计需要更进一步的提升。机械式动筛排矸机受多方面的影响，涉及的内容是非常广泛的，为了提高机械式动筛排矸机的筛分效果，对机械式动筛排矸机的传动机构进行运动分析，并进行结构参数优化设计分析。
1 机械式动筛排矸机传动机构的运动分析与优化设计
1.1 跳汰曲线硏究
探讨机械式动筛排矸机必须要认真分析机械式动筛排矸机的跳汰曲线，它直接决定着物料水中的运动形式，直接决定了物料的筛分效果。机械式动筛排矸机筛床的速度曲线是正弦或调整后的正弦曲线，为有利于解决问题，把正弦曲线当做篩床速度曲线来研究，设置曲柄长度为l2，则筛床的运动速度和加速度如下式表示：
（1）
式中：ω—曲柄的角速度，rad/s；t一运动时间，S
在式（1）中，我们可以发现：曲柄的长度l2和角速度ω与运动速度v成正比关系；此外，运动加速度和曲柄的长度平方成正比，而且与角速度的平方成正比。对速度方程积分我们可以计算出筛床入料端的位移：
（2）
参照机械式动筛排矸机的具体原理：工作准备时t=0，筛床位于最低端，入料端位移s=0，可以得到：
（3）
由式（2）、（3）我们可以计算出筛床入料端的位移取决于以下几方面：曲柄的长度、机械式动筛排矸机运动时间两方面，入料端的最大位移Smax=2l2，是曲柄长度的2倍。
1.2 传动机构优化数学模型
动筛排矸机分选效果主要是通过入选物料特性来确定的，还直接和筛体的振幅、频率以及筛体的急回特性有着关系。在物料、振幅、频率一定的情况下，筛体急回特性是高或者低，直接影响了动筛分选效果的好坏。行程速比为主要的参数，它的值越高急回特性就会比较的明显。LTD20/4.0型动筛排矸机的传动机构行程速比系数k=1.2，可以实现动筛排矸机分选的目的，假设要加强分选效果时，必须在一个固定的参考值内提提升k值。因此，笔者在以传动机构的行程速比系数为目标函数f（x）。
行程速比和各个杆关系为
（4）
式中θ———筛床运动时转过的角度
在实际工程中，比较常见的急回运动，k的参考值选取的范围是[1，3]，所以，设定m=1，M=2，接下来确定的优化目标函数为
（5）
注意到动筛排矸机的优化设计目标和其工作内容的前提下，采取曲柄AB、连杆BC、V形摆杆CD、DE、机架AD、吊杆EF、V形摆杆夹角、机架AD与DG的夹角为设计变量，可以看出，由于筛床已知故不作为设计变量
（6）
建立目标函数的约束条件必须要注意以下几个方面：铰链四杆机构的曲柄存在条件、设计量的边界条件、最小传动角条件以及动筛振幅范围条件。通过以上内容，约束条件可建立
（7）
式中γ———传动机构的最小传动角。
选择Matlab优化工具箱，通过迭代运算，完成优化后的结果为
2 传动机构运动仿真
2.1 仿真环境
SimMechanics是机构系统建模与分析系统，它是以牛顿动力学中力和转矩等基本概念为基础，可以对各种运动副连接的刚体进行建模与仿真，去分析和设计机构系统。而且，SimMechanics没有必要确立运动数学模型，也不用去进行编程，就能迅速的取得机构的运动仿真模型。
2.2 传动机构仿真模型的建立
动筛排矸机传动机构可分为两个部分，分别为曲柄摇杆机构ABCD与双摇杆机构DEFG串联形成的，曲柄AB为原动件，以A点为中心，按照w的角速度做匀速运动，带动杆FG的高低反复运动。参考机构简图，并以此来确立模型。在确立SimMechanics运动仿真模型。当模型建设完成后，进行每个构件旋转副设置、刚体参数设置和旋转副检测设置。按照曲柄以269rad/s转动一周的时间约为0.233s，来确定仿真时间为0.48s。
动筛排矸机传动机构可分为两个部分，分别为曲柄摇杆机构ABCD与双摇杆机构DEFG串联形成的，曲柄AB为原动件，以A点为中心，按照w的角速度做匀速运动，带动杆FG的高低反复运动。参考机构简图，并以此来确立模型，按固定端（GA）—运动副（A）—刚体（AB）—运动副（B）—刚体（BC）——刚体（FG）运动副（G）—固定端（GG）模式进行建模。在确立图1所示的SimMechanics运动仿真模型。当模型建设完成后，进行每个构件旋转副设置、刚体参数设置和旋转副检测设置。按照曲柄以269rad/s转动一周的时间约为0.233s，来确定仿真时间为0.48s。
通过以上分析可知动筛排矸机工作情形：筛床慢慢的提高，将煤和矸石提升到一个合适的程度，接着筛床快速掉下，使得煤和矸石和筛床分开，煤和矸石的下落要低于筛床的下降速度，因此，这样可以停在水里一段的时间。但是，由于煤和矸石密度是不一样的，直接影响着下降速度的差别，从而可以达到煤和矸石的分层。
另外通过分析优化前后筛床的运动规律，可以分析到优化后筛床会有更长的上升运动的时间，从而减小了下落的运动时间。另外筛床的角速度在上升时达到的最小值的绝对值要比下降运动时角速度最大值小的多，在优化后结果更加显著。通过以上分析看出，物料可以用较快的速度脱离筛床，在优化后筛床运动更可以用作物料分层，有着明显的优势。优化后角加速度局部有些降低，这样直接避免机械冲击并加强设备可靠性能，并延长机械的使用时间。因此，优化后有效地加强了筛分功能，提高了性能，并对传动性能没有直接影响。
3 结论
通过对机械式动筛传动机构进行了优化设计和运动仿真，更加直观有效的明白了动筛排矸机工作时的运动原理，通过优化设计对比，从运动曲线中可以看到优化后的优势是比较显著的，优化后的机构满足相应的要求。因为影响动筛筛分效果有着多方面的原因，仅仅地提升急回特性并达不到全面有效地提高筛分效率，还有必要把工况等各方面的原因考虑在内，对传动机构进行设计，设计出更合理的机构参数，来加强选煤效率。
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