SUPERVISOR
Saeed ZeiaeiRad,Mostafa Ghayour
سعید ضیائی راد (استاد راهنما) مصطفی غیور (استاد مشاور)
STUDENT
Sayed Hossein Ashrafizadeh
سیدحسین اشرفی زاده
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Dynamic and Vibration Analysis of Vibratory Bowl Feeders
Vibratory bowl feeders are among the most versatile machines used for the feeding of small elements during the assembly process. The feeding element in a vibratory bowl feeder moves forward with sliding or hopping movement. There are two parameters that have great influence on the performance of a vibratory bowl feeder. The first parameter is the vibration angle which is the angle between the track and its vibration direction. Second parameter is the bowl feeder natural frequencies and their related mode shapes. These parameters affect the elements feeding speed and define the optimum inducing frequency in which the minimum energy would be wasted. In the first section of this MSc thesis, finite element method was utilized for vibration and modal analysis of a vibratory bowl feeder. In order to validate the model, some experiments were performed and good agreement between the simulation data and experimental data was obtained. It is shown that the vibration angle is not necessarily equal to the complementary of the spring inclination angle. The effect of some physical parameters such as spring thickness, support stiffness and bowl mass on vibration angle and the main natural frequency of the vibratory bowl feeder has also investigated. The second part of this MSc thesis focuses on the elements dynamics during the feeding process in a vibratory bowl feeder. The feeding elements in a vibratory bowl feeder are experiencing repeated impacts with friction. In order to model the behavior of the elements, a 2D numerical model based on discrete element method has been developed using C computer language. In contrast to previous researches, it is assumed that the feeding element is not a point mass and has a rectangle shape that can rotate and have three degrees of freedom. This model is capable to demonstrate both the periodic and chaotic behavior of the feeding elements. By performing the simulation for various vibration amplitudes good agreement was observed between calculated data with the experimental data reported in the literature. The effect of vibration amplitude, element shape, coefficient of friction and track angle on mean conveying velocity was evaluated and the results are presented. This model is also capable of simulating interactions between the feeding elements and it was found that the elements interactions speed up the process as the elements would climb up the track easier due to the push forces of the back elements. Although this 2D model seems to be an appropriate model for simulation of the feeding elements in a vibratory bowl feeder, it is incapable of comprising the effect of Coriolis acceleration and the contacts with the wall of the bowl. To this matter, a 3D model based on discrete element method has also been developed and the dynamic of a 3D element with six degree of freedom, which is moving on the track of the bowl has been investigated. It is shown that this 3D model is capable to demonstrate both the periodic and chaotic behavior of the feeding element, too. By performing the simulation for various vibration amplitudes, a good degree of agreement observed between calculated and experimental data reported in the literature. Using this 3D simulation, it is shown that due to the unsymmetrical forces, the element rotates as it moves forward on the track. It is also demonstrated that the Corioilis acceleration affects the radial position of the moving element. The most advantage of this 3D model is its capability in explaining the reason of existence of two maximums in the experimental graph of mean conveying velocity versus vibration amplitude. Keywords: Vibratory bowl feeder, vibration angle, finite element method, mean conveying velocity, chaos contacts, discrete element method, Coriolis acceleration.
تغذیه کننده ارتعاشی کاسه ای یکی از تجهیزات اصلی در خطوط مونتاژ اتوماتیک است که وظیفه آن قرار دادن قطعات با جهت گیری صحیح در ابتدای خط می باشد. قطعات در تغذیه کننده ارتعاشی کاسه ای با مکانیزم لغزیدن و یا پرش به سمت جلو حرکت می کنند. در تغذیه کننده ارتعاشی کاسه ای دو پارامتر در کارکرد و بازدهی آن تاثیر مهمی دارد. پارامتر اول زاویه بین خط ارتعاش مسیر و مسیر است که با عنوان زاویه ارتعاش شناخته می شود. پارامتر دوم فرکانس های طبیعی تغذیه کننده ارتعاشی کاسه ای و شکل مود های مربوطه آنهاست. این دو پارامتر بر سرعت تغذیه قطعات و میزان انرژی که تغذیه کننده ارتعاشی مصرف می کند اثر مستقیم داشته و به این ترتیب بر بازدهی نهایی آن تاثیر گذار هستند. در قسمت اول این تحقیق از روش المان محدود برای آنالیز مودال و آنالیز ارتعاشی یک تغذیه کننده ارتعاشی کاسه ای که با آهنربا تحریک می شود استفاده شد. همچنین برای ارزیابی صحت نتایج به دست آمده از این شبیه سازی، آنالیز مودال و ارتعاشی یک تغذیه کننده ارتعاشی به صورت تجربی نیز انجام گرفت و تطابق خوبی بین نتایج یافت شد. در این قسمت اثبات شد که زاویه ارتعاش لزوما با مکمل زاویه فنرهای تخت با صفحه افقی برابر نیست و اثر پارامترهای مختلف از جمله ضخامت فنر تخت، سختی لاستیک ها و جرم کاسه بر زاویه ارتعاش و فرکانس طبیعی کاری سیستم بررسی شد. قسمت دوم این پایان نامه به بررسی دینامیک قطعات تغذیه شونده در تغذیه کننده ارتعاشی کاسه ای می پردازد. قطعات در تغذیه کننده ارتعاشی کاسه ای برخوردهای پشت سر هم با اصطکاک دارند. برای مدل کردن حرکت قطعات از یک روش عددی بر پایه فرمول بندی روش المان های گسسته و زبان برنامه نویسی C استفاده شد. برخلاف تحقیقات گذشته در این مدل فرض شد که قطعه تغذیه شونده جرم ذره ای نیست بلکه مستطیل شکل بوده و سه درجه آزادی دارد. این شبیه سازی هر دو رفتار پریودیک و بی نظم (آشوب) قطعه را توانست نشان دهد و با انجام محاسبات برای دامنه های ارتعاش مختلف تطابق خوبی با نتایج تجربی به دست آمد. اثر زاویه ارتعاش، ابعاد قطعه، ضریب اصطکاک و زاویه مسیر نیز بر سرعت متوسط تغذیه بررسی شد و نتایج حاصل ارائه شده اند. همچنین بر خلاف کلیه مدل های پیشنهاد شده قبلی این روش می تواند برخورد بین قطعات را نیز مدل کند. بنابراین با استفاده از این مدل اثر برخورد قطعات بر سرعت تغذیه بررسی شد و نتایج نشان دادکه برخورد قطعات موجب افزایش سرعت بالا رفتن قطعات از مسیر شده که در نهایت موجب افزایش سرعت متوسط تغذیه می شود. با وجود آنکه این مدل دوبعدی روشی مناسب برای شبیه سازی قطعات می باشد و نتایج آن نیز تطابق نسبتا خوبی با نتایج تجربی دارد، اما قادر به بیان اثر شتاب کوریولیس و برخوردها با دیواره کاسه، بر رفتار قطعه و سرعت متوسط تغذیه نیست. به همین دلیل در فصل آخر این تحقیق از یک مدل سه بعدی بر پایه فرمول بندی روش المان های گسسته استفاده شد تا رفتار یک قطعه مکعب شکل با شش درجه آزادی که روی مسیر تغذیه کننده ارتعاشی حرکت می کند، بررسی گردد. در فصل چهارم نشان داده شده است که این مدل سه بعدی نیز می تواند هر دو رفتار پریودیک و بی نظم قطعه را نمایش دهد و با انجام محاسبات برای دامنه های ارتعاشی مختلف تطابق خوبی بین نتایج این مدل سه بعدی و نتایج تجربی یافت شد. با استفاده از این مدل سه بعدی نشان داده شد که قطعه در حین حرکت به سمت جلو می چرخد. همچنین نشان داده شد که موقعیت شعاعی قطعه ثابت نیست و شتاب کوریولیس بر آن اثر می گذارد. این مدل سه بعدی همچنین می تواند دلیل وجود دو ماکزیمم در نمودار تجربی سرعت متوسط تغذیه بر حسب دامنه ارتعاش را تفسیر کند و این مهمترین ویژگی این مدل محسوب می شود. واژه های کلیدی: تغذیه کننده ارتعاشی کاسه ای، زاویه ارتعاش، روش المان محدود، سرعت متوسط تغذیه، برخورد بی نظم، روش المان گسسته، شتاب کوریولیس