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变速振动落砂机

非输送式振动落砂机是单件多品种砂型铸造生产过程中铸件和型砂的分离设备。振动落砂设备有单质体和双质体2种振动类别，大多数铸造车间目前普遍采用的是单质体振动落砂设备。单质体振动落砂设备主要存在4个问题：(1)需要大功率振动电机进行激振。当机器额定负载为20吨时，需要振动电机功率高达18×2千瓦；(2)振动电机直接和振动工作台连接，在铸件撞击力和电机激振力合成作用下，机体焊接处易开裂；(3)主振弹簧直接和基础连接，对基础的冲击大；(4)当落砂温度偏高时，砂斗的热量传导至电机，恶化电机工作状态。

解决上述问题的有效途径是采用双质体振动落砂机。双质体振动落砂机早已面市，但市场反映并不热烈。《铸造设备选用手册》(机械工业出版社，1990)第242页对双质体振动落砂机有评价，认为“双质体振动落砂机存在相对单质体落砂机撞击力及落砂效率低些，所占空间高，参数调整较复杂等缺点”。用户反映双质体振动落砂机生产效率不高，主振弹簧容易折断。综合两方面的意见，推广双质体振动落砂机需要解决4个问题：(1)生产效率问题，(2)主振弹簧易折断问题，(3)降低设备高度问题，(4)现场调整困难问题。

一、关于生产效率问题

双质体振动落砂机有共振和非共振2种工作状态。根据笔者的实验研究，认为当双质体振动落砂设备在非共振状态运行时，生产效率明显低于单质体，但当进入共振状态时，生产效率明显高于单质体。还有，双质体振动落砂机在共振状态下运行，电机功率仅需单质体的30％。再有，单质体对于20吨以下的小吨位负载还能凑合使用，对于20吨以上的大吨位就不堪胜任，共振态双质体振动落砂机则额定负载越大比较优势越明显。在节能高效大吨位的市场需求面前，共振态双质体振动落砂机应该得到青睐。

研制共振态双质体振动落砂机，必须认识到双质体振动落砂机的工作特性具有以下2个显著特点：(1)负载和落砂机台面的重量比特别大。负载和落砂机台面的重量比一般为2．O左右；(2)负载的变化范围特别大。振动落砂机属于间歇作业设备，负载的变化范围是0到额定负载之间。

由于存在上述这两个工作特性，研制共振态双质体振动落砂机必须解决以下2个问题：(1)在空载运行时的振幅稳定性问题。振动机械在共振状态运行，振幅对阻尼的变化很敏感。负载的变化意味着阻尼的变化，空载时，振动落砂机阻尼很小，若不采取必要的技术措施，振幅将极不稳定，理论分析表明，当阻尼接近0时，振幅趋向无穷大；(2)负载变化时共振状态的稳定性问题。负载变化导致结合质量和阻尼发生变化，导致落砂机固有频率被改变，如果结合质量和阻尼变化引起固有频率改变值比较大，双质体振动落砂机就不能保持稳定的共振状态。

到目前为止，主要有3种类型的双质体振动落砂机面市：(1)采用差动弹簧结构的双质体振动落砂机(以下简称差动弹簧落砂机)；(2)采用既可拉伸又可压缩的弹簧作主振弹簧的双质体振动落砂机(以下简称拉压弹簧落砂机)：(3)采用变频控制的双质体振动落砂机(以下简称变频落砂机)。

在上述3种落砂机中，差动弹簧落砂机面市较早，市场占有率较高，已成为双质体振动落砂机的代表产品。差动弹簧落砂机结构可参阅《铸造设备选用手册》。差动弹簧落砂机的特征是差动弹簧组。差动弹簧组由数十根差动弹簧并联而成。差动弹簧的结构是在1根螺杆上套2个弹簧，2个弹簧之间用1个套筒挡圈隔开，套筒挡圈和落砂机工作台面固结。差动弹簧垂直放置，套筒挡圈下部的弹簧起主振弹簧作用，套筒挡圈上部的弹簧起阻尼弹簧作用。采用差动弹簧组的目的是控制主振弹簧的振幅，其作用机理可被描述为：主振弹簧变形量和载荷大小有关，载荷小，主振弹簧占用较大的螺栓长度，在螺栓定位长度不变的情况下，

挤占阻尼弹簧长度空间，使阻尼弹簧承压并产生较大的阻碍主振弹簧继续伸长的阻力；当载荷大时，主振弹簧占用较小的螺栓长度，阻尼弹簧产生较小的阻碍主振弹簧继续伸长的阻力。阻尼弹簧随载荷大小的变化而变化的阻力控制和稳定工作台面的振幅。差动弹簧落砂机很难成为共振态双质体振动落砂机，原因是：(1)设计共振态双质体振动落砂机必须计算落砂机的固有频率，固有频率和差动弹簧的刚度及阻尼有关，而差动弹簧的刚度和阻尼又和螺栓螺母的预紧力有关，因此，固有频率计算有难度，现场调试也有难度；(2)差动弹簧在套筒挡圈处有碰撞现象，如进入共振状态，碰撞现象将更严重；(3)差动弹簧控制的是主振弹簧的振幅，隔振弹簧不在控制范围内，用matlab仿真可以显示，在共振情况下，在阻尼很小时(相当于空载情况)，主振弹簧的振幅趋向无穷大，隔振弹簧的振幅也趋向无穷大。由于上述3个方面的原因，差动弹簧落砂机一般不被设计成为共振态落砂机。

拉压弹簧落砂机是差动弹簧落砂机的改进型。拉压弹簧替代差动弹簧有2点好处：(1)拉压弹簧具有确定的刚度值，使固有频率计算很方便，调试也很方便；(2)拉压弹簧上下端面被螺栓紧固，消除了撞击想象。拉压弹簧控制和稳定振幅的机理可被描述为：拉压弹簧在高度方向存在振幅平衡位置和拉压特性转换位置，当工作台面在惯性作用下进入主振弹簧拉力区，主振弹簧的拉力阻碍工作台面继续向上位移。拉压弹簧落砂机可被设计成为近共振态落砂机，其落砂效果和节电有效优于差动弹簧落砂机。需要指出的是，拉压弹簧落砂机还不能成为完整意义上的共振态落砂机，因为负载变化导致结合质量和阻尼发生变化，导

致落砂机固有频率被改变，即使拉压弹簧落砂机被设计成为共振态落砂机，共振状态也不能被保持。

变频落砂机是拉压弹簧落砂机的改进型。在拉压弹簧落砂机上增加振幅测量测控系统和振动电机变频器就被升级成为变频落砂机。变频落砂机的运行机理是：用振幅测量仪对工作台面进行振幅实时测量，当振幅偏大时，改变电机转速，使电机转速偏离振动落砂机主振型固有频率，使振幅变小；当振幅偏小时，改变电机转速，使电机转速接近振动落砂机主振型固有频率，电机转速接近振动落砂机主振型固有频率将使落砂机的振幅变大。变频落砂机是共振态落砂机，落砂效果和节电效果可以达到理想化的水平。但是，变频落砂机大幅度增加制造成本，增加机器的复杂性，增加维修保养的技术难度。

二、关于主振弹簧易折断问题

双质体落砂机的主振弹簧易折断原因有：l、弹簧疲劳强度计算表明，弹簧的工作状况可用较大工作应力和较小工作应力的差值来表示，差值越大，工作状况越差，越需要大的安全系数。双质体振动落砂机的工作台面和振动体处于相对运动状态，工作台面的动能和振动体的功能几乎同时作用于主振弹簧，转化为主振弹簧的势能，主振弹簧获得势能后又同

时向工作台面和振动体释放势能。所以，主振弹簧的工作状况明显差于隔振弹簧，在设计时如采用同样的安全系数，往往主振弹簧易折断，而隔振弹簧则一般不会被折断。2、如果双质体振动落砂机采用差动弹簧结构，差动弹簧和主振弹簧之间进行势能传递，势能传递遇到冲击，将瞬间增加主振弹簧的较大工作应力和较小工作应力的差值，进一步恶化了主振弹簧的工作状况。解决主振弹簧易折断的主要途径是增加主振弹簧的安全系数。

三、关于降低设备高度问题

这是差动弹簧落砂机的特有问题，对于其他落砂机而言，由于集砂斗放斜度需要一定的高度，该高度一般能满足振动体安装所需要的尺寸。

四、关于现场调整困难问题

这也是差动弹簧落砂机的特有问题，且无解。笔者发明了一种负载变化自适应的双质体振动落砂机(以下简称自适应落砂机)。自适应落砂机是完整意义上的共振态落砂机，其结构是在拉压弹簧落砂机上，在落砂机台面和基座之间连接1组拉压弹簧，对增加的这组拉压弹簧笔者称之为补偿弹簧，补偿弹簧的作用是：当机器静态空载时，主振弹簧和隔振弹簧静

态变形小，补偿弹簧处于拉伸状态，起拉簧作用；当静态负载时，主振弹簧和隔振弹簧静态变形大，补偿弹簧起压簧作用；机器空载被激振时，上振幅偏大，补偿弹簧补偿阻尼，下振幅偏大，补偿弹簧补偿刚度；机器负载被激振时，补偿弹簧始终补偿刚度。补偿弹簧补偿刚度，可以抵消由于结合质量增加而引起的固有频率下移，因此无论是空载还是满负荷，补偿弹簧都能使机器保持相对稳定的振幅，并在额定负载变化范围内保持固有频率和电机频率基本相一致。

还需要指出的是，差动弹簧落砂机、拉压弹簧落砂机和变频落砂机所采取的控制和稳定振幅的措施只指向主振弹簧，并不包括隔振弹簧，自适应落砂机稳定振幅的措施既管主振弹簧又管隔振弹簧，使振动系统具有整体的自适应性。采用“自适应”这一技术术语是因为自适应落砂机是根据控制理论设计的，补偿弹簧就是双质体振动系统的负反馈回路。

经过多年修改和完善，自适应落砂机已具备下列优良特性：

1、自适应落砂机在O到额定负载之间都能保持稳定的共振态(在现场，共振态和非共振态有明显区别)，生产效率明显优于单质体振动机械，可与变频落砂机媲美；

2、电机功率仅需单质体振动落砂机的30％左右，节电效果非常明显；由于大幅度降低电机功率，大吨位落砂机不再成为问题。根据振动电机的较新样本数据，国内较大的振动电机额定功率己达29千瓦，用较大的振动电机驱动较大的落砂机，该落砂机的负载能力至少可达80吨。

3、落砂机工作台面采用框架式大刚度结构，结构简明厚实，承载能力强，耐磨耐用。主振弹簧连接板和补偿弹簧连接板被设计为双层结构，使主振弹簧和补偿弹簧具有比较充裕的安装面积，便于主振弹簧和补偿弹簧提高安全系数。

4、机体焊接处不易振裂。现代仿真技术显示，振动机械在共振状态运行时，激振能量几乎全部集中在弹簧上并通过弹簧进行能量转换，如果偏离共振状态，一部分能量将耗散在结构件上致使结构件开裂；另外，双质体振动落砂机振动电机安装在振动体上，不和振动工作台连接，从而消除了铸件撞击力和电机激振力的合成作用；

5、热砂的热量不直接传导至电机，电机的工作条件明显改善；

6、落砂机可以在无基础情况下空载运行，运行时基座无位移，周围几乎无震感，对基础的要求类似于机床的基础要求；

7、振幅可通过改变振动电机偏心块的角度而得到有效调整；

8、落砂机台面和低坑沿口的接口采用方茶壶口式的特殊结构，无须橡胶挡砂板，散落砂不会落进地坑。

9、20吨以下的落砂机可被设计成为侧部出砂。

10、地坑深度浅，20吨侧部出砂的落砂机地坑深度仅需1800。

笔者研制的规格系列产品见下表，非规格产品欢迎洽谈定制。