产品功能设计案例分享

本节将介绍冶金、煤炭、化工、电力、建筑等行业广泛使用的自同步直线振动筛的总体设计过程。

直线振动筛是冶金、煤炭、化工、电力、建筑等行业广泛用于对物料进行筛分的重要设备。在冶金工业部门，振动筛用于选矿中，对矿石进行预先筛分、检查筛分或预先检查筛分；也用来对磨机产品进行分级以提高精矿品位。在烧结厂振动筛用来对热烧结矿和冷烧结矿进行筛分，对应的前者称为热矿筛，后者称为冷矿筛，也用于焦炭的筛分。在煤炭工业部门，振动筛作为选煤厂的关键设备而获得广泛应用，用来对煤炭进行分级；或对精煤及末煤进行脱水与脱介。在水利电力工业部门，振动筛用于火力发电厂中对煤炭进行预筛分；在水电站的建设中，用来对砂石进行分级；在建筑与建材工业部门，振动筛用来对建筑用砂石进行分级；在铁道工业部门，振动筛用来对铁道石渣进行清砂与除泥等。因此，振动筛是冶金、煤炭、化工、电力、建筑等生产部门中的一个重要组成部分。

下面介绍自同步直线振动筛的总体设计过程。拟订的设计任务书如表7-2所示。

（1）明确设计任务，编写设计任务书

（2）系统功能描述 根据设计任务书可知，自同步直线振动筛主要应用于物料的筛分，实现物料的分级。由此，可以得到振动筛的功能系统图，即设计任务简图，如图7-14所示。系统由电动机转动产生激振力作为振动筛的动力功能，通过温度、电动机转速与筛分等级的控制来实现对物料的有效筛分。

表7-2 自同步直线振动筛的设计任务书

图7-14 自同步直线振动筛设计任务简图

（3）工作原理 双轴直线振动筛的双轴电动机驱动原理如图7-15所示，其激振器的双轴分别由两台异步电动机驱动，其间并无强迫联系，两轴的同步运转完全依靠动力学的关系来保证。两根轴上偏心块的质量为m₁=m₂，离心力为F₁=F₂=F，偏心块作同步反向回转，在各瞬时位置时，离心力沿K向的分力总是互相叠加，而与K向垂直的方向，离心力的分力总是互相抵消，因此，形成了单一的沿K向的激振力，驱动筛机作直线振动。图7-15中，1、3位置离心力叠加，激振力为最大（2F），2、4位置离心力完全抵消，激振力为零。由于激振力作用线与工作面成一定夹角，这个夹角被称为振动方向角。筛机工作时，物料在被抛起时松散，物料与筛面相遇时，小于筛孔尺寸的物料颗粒透筛，从而完成筛分、脱泥、脱介、脱水、分级等各种工艺过程。

图7-15 双轴直线振动筛的双轴电动机驱动原理

（4）功能分解 自同步直线振动筛主要用于松散物料等的筛分，松散物料通过给料设备传送到振动筛，筛分之后由传动带输送或者是鳞板输送到另外的场地。筛面长期与物料接触、摩擦，属于易损件，故应考虑其结构的可靠性。

（5）总体方案设计

1）功能分解与实现策略的制定。根据振动筛功能树中所提出的各分功能（见图7-16），制定功能实现的策略，并构建功能与实现策略表，如表7-3所示。

图7-16 振动筛的功能树

设计者根据经验以及专业知识，针对产品的分功能，能够提出很多的实现方案，而具体采用何种实现策略则将对产品质量产生很大的影响，因此，需要对各种方案进行优化选择，考虑其相容性及最佳配置原则，并通过对指标的综合评价得到最优功能实现方案。

表7-3 自同步直线振动筛的功能与实现策略

从功能与策略表中选择有两种方案：(www.xing528.com)

方案1：1A-2B-3A-4A-5B-6A-7C-8D-9B-10B-11C-12B；

方案2：1B-2A-3B-4A-5B-6A-7B-8B-9B-10B-11A-12A。

2）方案综合评价

①评价指标及加权系数的确立。从技术性能、经济性能和社会性能3个方面对产品的设计方案进行评价，其中技术性能又从本书提出的结构性能、工作性能和工艺性能3方面来评价。从前面几章内容可以得到，技术性能的3个方面包括24个方面的性能指标，而由于产品的特性不同，采用的评价内容也有所不同，故在本例中采用造型艺术性、系统可靠性、功效实用性、系统可控性、结构工艺性、机器规范性、制造经济性、使用经济性、人机安全性和环境无害性等10个指标来进行对设计方案的综合评价。

考虑各性能指标的重要程度，确定其加权系数。图7-17中的各加权系数通过表7-1的方法获得，此处不再具体求解。

② 专家组评分并决策。专家组综合各个方面的因素，集体讨论，对上述预定方案的各项评价指标进行评分，结果如表7-4所示。表中ε表示评价指标特征值对应的评价分值，采用10分制，其对应规则为：非常好，9～10分；很好，8分；好，7分；较好，6分；一般，5分；尚可，4分；较差，3分；差，1～2。加权系数与评价值的乘积gε表示加权评价值，最后得到每个方案的总体评价值，由评价值的大小决定方案的优劣性。

由于方案1总评价值要高于其他方案，各分项指标也都符合要求，故取方案1为产品设计方案。

图7-17 自同步直线振动筛的评价目标树

表7-4 方案综合评价

（6）总体布局设计 根据评价最优方案进行总体布局设计。自同步直线振动筛的控制与信息传递以及其余辅助结构需要根据工程使用设备及筛分物料的现场情况单独布置，因此，对该设备而言，总体布局主要是针对振动筛的主体机械结构部分的布置与设计。图7-18为振动筛的主视图。

通过可视优化设计完成振动筛的机械结构可视化动态设计、动力学仿真等，并与智能优化法相结合完成振动筛的控制系统设计等。

图7-19和图7-20分别为自同步直线振动筛的左视图和外形图。

图7-18 振动筛的主视图

图7-19 自同步直线振动筛的左视图

图7-20 自同步直线振动筛的外形图