變速振動(dòng)落砂機(jī)
非輸送式振動(dòng)落砂機(jī)是單件多品種砂型鑄造生產(chǎn)過程中鑄件和型砂的分離設(shè)備。振動(dòng)落砂設(shè)備有單質(zhì)體和雙質(zhì)體2種振動(dòng)類別，大多數(shù)鑄造車間目前普遍采用的是單質(zhì)體振動(dòng)落砂設(shè)備。單質(zhì)體振動(dòng)落砂設(shè)備主要存在4個(gè)問題：(1)需要大功率振動(dòng)電機(jī)進(jìn)行激振。當(dāng)機(jī)器額定負(fù)載為20噸時(shí)，需要振動(dòng)電機(jī)功率高達(dá)18×2千瓦；(2)振動(dòng)電機(jī)直接和振動(dòng)工作臺(tái)連接，在鑄件撞擊力和電機(jī)激振力合成作用下，機(jī)體焊接處易開裂；(3)主振彈簧直接和基礎(chǔ)連接，對(duì)基礎(chǔ)的沖擊大；(4)當(dāng)落砂溫度偏高時(shí)，砂斗的熱量傳導(dǎo)至電機(jī)，惡化電機(jī)工作狀態(tài)。
解決上述問題的有效途徑是采用雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)。雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)早已面市，但市場(chǎng)反映并不熱烈。《鑄造設(shè)備選用手冊(cè)》(機(jī)械工業(yè)出版社，1990)第242頁(yè)對(duì)雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)有評(píng)價(jià)，認(rèn)為“雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)存在相對(duì)單質(zhì)體落砂機(jī)撞擊力及落砂效率低些，所占空間高，參數(shù)調(diào)整較復(fù)雜等缺點(diǎn)”。用戶反映雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)生產(chǎn)效率不高，主振彈簧容易折斷。綜合兩方面的意見，推廣雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)需要解決4個(gè)問題：(1)生產(chǎn)效率問題，(2)主振彈簧易折斷問題，(3)降低設(shè)備高度問題，(4)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整困難問題。
一、關(guān)于生產(chǎn)效率問題
雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)有共振和非共振2種工作狀態(tài)。根據(jù)筆者的實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為當(dāng)雙質(zhì)體振動(dòng)落砂設(shè)備在非共振狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，生產(chǎn)效率明顯低于單質(zhì)體，但當(dāng)進(jìn)入共振狀態(tài)時(shí)，生產(chǎn)效率明顯高于單質(zhì)體。還有，雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)在共振狀態(tài)下運(yùn)行，電機(jī)功率僅需單質(zhì)體的30％。再有，單質(zhì)體對(duì)于20噸以下的小噸位負(fù)載還能湊合使用，對(duì)于20噸以上的大噸位就不堪勝任，共振態(tài)雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)則額定負(fù)載越大比較優(yōu)勢(shì)越明顯。在節(jié)能高效大噸位的市場(chǎng)需求面前，共振態(tài)雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)應(yīng)該得到青睞。
研制共振態(tài)雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)，必須認(rèn)識(shí)到雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)的工作特性具有以下2個(gè)顯著特點(diǎn)：(1)負(fù)載和落砂機(jī)臺(tái)面的重量比特別大。負(fù)載和落砂機(jī)臺(tái)面的重量比一般為2．O左右；(2)負(fù)載的變化范圍特別大。振動(dòng)落砂機(jī)屬于間歇作業(yè)設(shè)備，負(fù)載的變化范圍是0到額定負(fù)載之間。
由于存在上述這兩個(gè)工作特性，研制共振態(tài)雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)必須解決以下2個(gè)問題：(1)在空載運(yùn)行時(shí)的振幅穩(wěn)定性問題。振動(dòng)機(jī)械在共振狀態(tài)運(yùn)行，振幅對(duì)阻尼的變化很敏感。負(fù)載的變化意味著阻尼的變化，空載時(shí)，振動(dòng)落砂機(jī)阻尼很小，若不采取必要的技術(shù)措施，振幅將極不穩(wěn)定，理論分析表明，當(dāng)阻尼接近0時(shí)，振幅趨向無窮大；(2)負(fù)載變化時(shí)共振狀態(tài)的穩(wěn)定性問題。負(fù)載變化導(dǎo)致結(jié)合質(zhì)量和阻尼發(fā)生變化，導(dǎo)致落砂機(jī)固有頻率被改變，如果結(jié)合質(zhì)量和阻尼變化引起固有頻率改變值比較大，雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)就不能保持穩(wěn)定的共振狀態(tài)。
到目前為止，主要有3種類型的雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)面市：(1)采用差動(dòng)彈簧結(jié)構(gòu)的雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)(以下簡(jiǎn)稱差動(dòng)彈簧落砂機(jī))；(2)采用既可拉伸又可壓縮的彈簧作主振彈簧的雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)(以下簡(jiǎn)稱拉壓彈簧落砂機(jī))：(3)采用變頻控制的雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)(以下簡(jiǎn)稱變頻落砂機(jī))。
在上述3種落砂機(jī)中，差動(dòng)彈簧落砂機(jī)面市較早，市場(chǎng)占有率較高，已成為雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)的代表產(chǎn)品。差動(dòng)彈簧落砂機(jī)結(jié)構(gòu)可參閱《鑄造設(shè)備選用手冊(cè)》。差動(dòng)彈簧落砂機(jī)的特征是差動(dòng)彈簧組。差動(dòng)彈簧組由數(shù)十根差動(dòng)彈簧并聯(lián)而成。差動(dòng)彈簧的結(jié)構(gòu)是在1根螺桿上套2個(gè)彈簧，2個(gè)彈簧之間用1個(gè)套筒擋圈隔開，套筒擋圈和落砂機(jī)工作臺(tái)面固結(jié)。差動(dòng)彈簧垂直放置，套筒擋圈下部的彈簧起主振彈簧作用，套筒擋圈上部的彈簧起阻尼彈簧作用。采用差動(dòng)彈簧組的目的是控制主振彈簧的振幅，其作用機(jī)理可被描述為：主振彈簧變形量和載荷大小有關(guān)，載荷小，主振彈簧占用較大的螺栓長(zhǎng)度，在螺栓定位長(zhǎng)度不變的情況下，
擠占阻尼彈簧長(zhǎng)度空間，使阻尼彈簧承壓并產(chǎn)生較大的阻礙主振彈簧繼續(xù)伸長(zhǎng)的阻力；當(dāng)載荷大時(shí)，主振彈簧占用較小的螺栓長(zhǎng)度，阻尼彈簧產(chǎn)生較小的阻礙主振彈簧繼續(xù)伸長(zhǎng)的阻力。阻尼彈簧隨載荷大小的變化而變化的阻力控制和穩(wěn)定工作臺(tái)面的振幅。差動(dòng)彈簧落砂機(jī)很難成為共振態(tài)雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)，原因是：(1)設(shè)計(jì)共振態(tài)雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)必須計(jì)算落砂機(jī)的固有頻率，固有頻率和差動(dòng)彈簧的剛度及阻尼有關(guān)，而差動(dòng)彈簧的剛度和阻尼又和螺栓螺母的預(yù)緊力有關(guān)，因此，固有頻率計(jì)算有難度，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試也有難度；(2)差動(dòng)彈簧在套筒擋圈處有碰撞現(xiàn)象，如進(jìn)入共振狀態(tài)，碰撞現(xiàn)象將更嚴(yán)重；(3)差動(dòng)彈簧控制的是主振彈簧的振幅，隔振彈簧不在控制范圍內(nèi)，用matlab仿真可以顯示，在共振情況下，在阻尼很小時(shí)(相當(dāng)于空載情況)，主振彈簧的振幅趨向無窮大，隔振彈簧的振幅也趨向無窮大。由于上述3個(gè)方面的原因，差動(dòng)彈簧落砂機(jī)一般不被設(shè)計(jì)成為共振態(tài)落砂機(jī)。
拉壓彈簧落砂機(jī)是差動(dòng)彈簧落砂機(jī)的改進(jìn)型。拉壓彈簧替代差動(dòng)彈簧有2點(diǎn)好處：(1)拉壓彈簧具有確定的剛度值，使固有頻率計(jì)算很方便，調(diào)試也很方便；(2)拉壓彈簧上下端面被螺栓緊固，消除了撞擊想象。拉壓彈簧控制和穩(wěn)定振幅的機(jī)理可被描述為：拉壓彈簧在高度方向存在振幅平衡位置和拉壓特性轉(zhuǎn)換位置，當(dāng)工作臺(tái)面在慣性作用下進(jìn)入主振彈簧拉力區(qū)，主振彈簧的拉力阻礙工作臺(tái)面繼續(xù)向上位移。拉壓彈簧落砂機(jī)可被設(shè)計(jì)成為近共振態(tài)落砂機(jī)，其落砂效果和節(jié)電效果明顯優(yōu)于差動(dòng)彈簧落砂機(jī)。需要指出的是，拉壓彈簧落砂機(jī)還不能成為完整意義上的共振態(tài)落砂機(jī)，因?yàn)樨?fù)載變化導(dǎo)致結(jié)合質(zhì)量和阻尼發(fā)生變化，導(dǎo)
致落砂機(jī)固有頻率被改變，即使拉壓彈簧落砂機(jī)被設(shè)計(jì)成為共振態(tài)落砂機(jī)，共振狀態(tài)也不能被保持。
變頻落砂機(jī)是拉壓彈簧落砂機(jī)的改進(jìn)型。在拉壓彈簧落砂機(jī)上增加振幅測(cè)量測(cè)控系統(tǒng)和振動(dòng)電機(jī)變頻器就被升級(jí)成為變頻落砂機(jī)。變頻落砂機(jī)的運(yùn)行機(jī)理是：用振幅測(cè)量?jī)x對(duì)工作臺(tái)面進(jìn)行振幅實(shí)時(shí)測(cè)量，當(dāng)振幅偏大時(shí)，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，使電機(jī)轉(zhuǎn)速偏離振動(dòng)落砂機(jī)主振型固有頻率，使振幅變小；當(dāng)振幅偏小時(shí)，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，使電機(jī)轉(zhuǎn)速接近振動(dòng)落砂機(jī)主振型固有頻率，電機(jī)轉(zhuǎn)速接近振動(dòng)落砂機(jī)主振型固有頻率將使落砂機(jī)的振幅變大。變頻落砂機(jī)是共振態(tài)落砂機(jī)，落砂效果和節(jié)電效果可以達(dá)到理想化的水平。但是，變頻落砂機(jī)大幅度增加制造成本，增加機(jī)器的復(fù)雜性，增加維修保養(yǎng)的技術(shù)難度。
二、關(guān)于主振彈簧易折斷問題
雙質(zhì)體落砂機(jī)的主振彈簧易折斷原因有：l、彈簧疲勞強(qiáng)度計(jì)算表明，彈簧的工作狀況可用**大工作應(yīng)力和**小工作應(yīng)力的差值來表示，差值越大，工作狀況越差，越需要大的安全系數(shù)。雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)的工作臺(tái)面和振動(dòng)體處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，工作臺(tái)面的動(dòng)能和振動(dòng)體的功能幾乎同時(shí)作用于主振彈簧，轉(zhuǎn)化為主振彈簧的勢(shì)能，主振彈簧獲得勢(shì)能后又同
時(shí)向工作臺(tái)面和振動(dòng)體釋放勢(shì)能。所以，主振彈簧的工作狀況明顯差于隔振彈簧，在設(shè)計(jì)時(shí)如采用同樣的安全系數(shù)，往往主振彈簧易折斷，而隔振彈簧則一般不會(huì)被折斷。2、如果雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)采用差動(dòng)彈簧結(jié)構(gòu)，差動(dòng)彈簧和主振彈簧之間進(jìn)行勢(shì)能傳遞，勢(shì)能傳遞遇到?jīng)_擊，將瞬間增加主振彈簧的**大工作應(yīng)力和**小工作應(yīng)力的差值，進(jìn)一步惡化了主振彈簧的工作狀況。解決主振彈簧易折斷的主要途徑是增加主振彈簧的安全系數(shù)。
三、關(guān)于降低設(shè)備高度問題
這是差動(dòng)彈簧落砂機(jī)的特有問題，對(duì)于其他落砂機(jī)而言，由于集砂斗放斜度需要一定的高度，該高度一般能滿足振動(dòng)體安裝所需要的尺寸。
四、關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整困難問題
這也是差動(dòng)彈簧落砂機(jī)的特有問題，且無解。筆者發(fā)明了一種負(fù)載變化自適應(yīng)的雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)(以下簡(jiǎn)稱自適應(yīng)落砂機(jī))。自適應(yīng)落砂機(jī)是完整意義上的共振態(tài)落砂機(jī)，其結(jié)構(gòu)是在拉壓彈簧落砂機(jī)上，在落砂機(jī)臺(tái)面和基座之間連接1組拉壓彈簧，對(duì)增加的這組拉壓彈簧筆者稱之為補(bǔ)償彈簧，補(bǔ)償彈簧的作用是：當(dāng)機(jī)器靜態(tài)空載時(shí)，主振彈簧和隔振彈簧靜
態(tài)變形小，補(bǔ)償彈簧處于拉伸狀態(tài)，起拉簧作用；當(dāng)靜態(tài)負(fù)載時(shí)，主振彈簧和隔振彈簧靜態(tài)變形大，補(bǔ)償彈簧起壓簧作用；機(jī)器空載被激振時(shí)，上振幅偏大，補(bǔ)償彈簧補(bǔ)償阻尼，下振幅偏大，補(bǔ)償彈簧補(bǔ)償剛度；機(jī)器負(fù)載被激振時(shí)，補(bǔ)償彈簧始終補(bǔ)償剛度。補(bǔ)償彈簧補(bǔ)償剛度，可以抵消由于結(jié)合質(zhì)量增加而引起的固有頻率下移，因此無論是空載還是滿負(fù)荷，補(bǔ)償彈簧都能使機(jī)器保持相對(duì)穩(wěn)定的振幅，并在額定負(fù)載變化范圍內(nèi)保持固有頻率和電機(jī)頻率基本相一致。
還需要指出的是，差動(dòng)彈簧落砂機(jī)、拉壓彈簧落砂機(jī)和變頻落砂機(jī)所采取的控制和穩(wěn)定振幅的措施只指向主振彈簧，并不包括隔振彈簧，自適應(yīng)落砂機(jī)穩(wěn)定振幅的措施既管主振彈簧又管隔振彈簧，使振動(dòng)系統(tǒng)具有整體的自適應(yīng)性。采用“自適應(yīng)”這一技術(shù)術(shù)語是因?yàn)樽赃m應(yīng)落砂機(jī)是根據(jù)控制理論設(shè)計(jì)的，補(bǔ)償彈簧就是雙質(zhì)體振動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)反饋回路。
經(jīng)過多年修改和完善，自適應(yīng)落砂機(jī)已具備下列優(yōu)良特性：
1、自適應(yīng)落砂機(jī)在O到額定負(fù)載之間都能保持穩(wěn)定的共振態(tài)(在現(xiàn)場(chǎng)，共振態(tài)和非共振態(tài)有明顯區(qū)別)，生產(chǎn)效率明顯優(yōu)于單質(zhì)體振動(dòng)機(jī)械，可與變頻落砂機(jī)媲美；
2、電機(jī)功率僅需單質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)的30％左右，節(jié)電效果非常明顯；由于大幅度降低電機(jī)功率，大噸位落砂機(jī)不再成為問題。根據(jù)振動(dòng)電機(jī)的**新樣本數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)**大的振動(dòng)電機(jī)額定功率己達(dá)29千瓦，用**大的振動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)**大的落砂機(jī)，該落砂機(jī)的負(fù)載能力至少可達(dá)80噸。
3、落砂機(jī)工作臺(tái)面采用框架式大剛度結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明厚實(shí)，承載能力強(qiáng)，耐磨耐用。主振彈簧連接板和補(bǔ)償彈簧連接板被設(shè)計(jì)為雙層結(jié)構(gòu)，使主振彈簧和補(bǔ)償彈簧具有比較充裕的安裝面積，便于主振彈簧和補(bǔ)償彈簧提高安全系數(shù)。
4、機(jī)體焊接處不易振裂。現(xiàn)代仿真技術(shù)顯示，振動(dòng)機(jī)械在共振狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，激振能量幾乎全部集中在彈簧上并通過彈簧進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，如果偏離共振狀態(tài)，一部分能量將耗散在結(jié)構(gòu)件上致使結(jié)構(gòu)件開裂；另外，雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)振動(dòng)電機(jī)安裝在振動(dòng)體上，不和振動(dòng)工作臺(tái)連接，從而消除了鑄件撞擊力和電機(jī)激振力的合成作用；
5、熱砂的熱量不直接傳導(dǎo)至電機(jī)，電機(jī)的工作條件明顯改善；
6、落砂機(jī)可以在無基礎(chǔ)情況下空載運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)基座無位移，周圍幾乎無震感，對(duì)基礎(chǔ)的要求類似于機(jī)床的基礎(chǔ)要求；
7、振幅可通過改變振動(dòng)電機(jī)偏心塊的角度而得到有效調(diào)整；
8、落砂機(jī)臺(tái)面和低坑沿口的接口采用方茶壺口式的特殊結(jié)構(gòu)，無須橡膠擋砂板，散落砂不會(huì)落進(jìn)地坑。
9、20噸以下的落砂機(jī)可被設(shè)計(jì)成為側(cè)部出砂。
10、地坑深度淺，20噸側(cè)部出砂的落砂機(jī)地坑深度僅需1800。
筆者研制的規(guī)格系列產(chǎn)品見下表，非規(guī)格產(chǎn)品歡迎洽談定制。
表：雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)產(chǎn)品規(guī)格表
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┃ 型號(hào) ┃臺(tái)面尺寸(rnln) ┃ 電機(jī)功率(kw) ┃ 額定負(fù)載(kg) ┃機(jī)器自重(kg) ┃
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┃DL2535．10 ┃ 2500×3500 ┃ 2×3．O ┃ 10000 ┃ 10000 ┃
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┃ DL3 042．20 ┃ 3000×4200 ┃ 2×6．5 ┃ 20000 ┃ 15650 ┃
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┃ DL3550．30 ┃ 3500×5000 ┃ 2×8．5 ┃ 30000 ┃ 25000 ┃
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┃ CL2535。10 ┃ 2500×3500 ┃ 2×3．0 ┃ 10000 ┃ 10700 ┃
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┃ CL3042．20 ┃ 3000×4200 ┃ 2×6．5 ┃ 20000 ┃ 18000
