孫 良

（唐山永春機械設備有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

作為冶煉工藝的關(guān)鍵設備之一，振動篩由于要經(jīng)常在高溫、高粉塵等極其惡劣的條件下工作，因此常會受到周邊環(huán)境的影響，從而產(chǎn)生一定的扭曲變形，導致最后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)存在很大問題，嚴重影響產(chǎn)品的正常使用。由于周邊環(huán)境的不可改變性，故改善振動篩的設計方案就顯得尤為重要。通過有限元對振動篩模型進行分析，并將模型導入相關(guān)軟件模擬工作場景，可以幫助了解不同振動篩設計的實際工作性能，進而獲得抗高溫性能良好、使用壽命長久、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)良好的振動篩，對于冶金工業(yè)有著極大的幫助。本文通過構(gòu)建振動篩模型，并利用有限元對模型進行分析，提高振動篩性能，更好地為冶金行業(yè)服務。

1 振動篩側(cè)板的動力學結(jié)構(gòu)改進

對于振動篩的動力學特征來說，設計的主要目的在于改善結(jié)構(gòu)固有頻率，進而使得振動篩的固有頻率與實際工作時的工作頻率產(chǎn)生一定的差值，防止共振現(xiàn)象發(fā)生，保護振動篩的同時減少工作時的噪聲。側(cè)板的相關(guān)參數(shù)和物理特征可以利用CAD建模并導入相關(guān)數(shù)據(jù)計算獲得，并在已有的數(shù)據(jù)基礎上在Pro/E軟件中進行三維動態(tài)振動篩的模型建立，當將振動篩已知數(shù)據(jù)導入軟件中進行計算就能很方便地得出軟件的質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動模量和材料的彈性模量等相關(guān)參數(shù)，給實驗的模擬提供寶貴的數(shù)據(jù)。

完成以上工作后，就要進行模型的模擬分析。利用ANSYS軟件中的model對模型進行分析，計算時采用先進的Lancozs模態(tài)求解方法對側(cè)板的10階模態(tài)進行求解，大大提高了計算的效率和精度，該法也很好地還原了真實情況下振動篩的力學特征，有很好的參考價值。

表1為香蕉篩側(cè)板前10階固有頻率，表2為香蕉篩側(cè)板與加強板前10階固有頻率。由于軟件中的單位不一致，表格中的數(shù)據(jù)在進行處理時應乘以1000。振動篩的工作頻率為16 Hz，而從表1和表2中可以看到在第5階的頻率與工作頻率很接近，這會對側(cè)板造成很大的影響，從表1中還可以看到側(cè)板具有比較密集的低階模態(tài)，所以處于工作頻率附近的模態(tài)應盡量消除。下面對該結(jié)構(gòu)進行動力學改進，方法是在側(cè)板中部垂向尺寸較大的一側(cè)局部增加加強板，并與側(cè)板組合后進行模態(tài)分析，可以得出更加精確的數(shù)據(jù)，給振動篩的設計提供更真實的數(shù)據(jù)依靠。根據(jù)設計要求，振動篩的工作頻率必須遠離其固有頻率上下10%以上。從表中可以看出，組合后側(cè)板的第1階模態(tài)頻率達到32 Hz，而工作頻率為16 Hz，已經(jīng)遠離了工作頻率10%以上，即可認為這種結(jié)構(gòu)是一種合理的結(jié)構(gòu)。

2 振動篩篩框的動力學結(jié)構(gòu)改進

完成了振動篩側(cè)板的模態(tài)分析之后，現(xiàn)在來討論振動篩篩框的動力學改進問題。篩框是由板和梁鉚接而成的具有對稱結(jié)構(gòu)的彈性體，盡管篩框的結(jié)構(gòu)具有對稱性，但仍必須按整體進行分析，因為在動態(tài)分析中求得的各階振型并非完全以結(jié)構(gòu)對稱面而對稱，如按對稱結(jié)構(gòu)取其一半進行分析就會丟掉偶數(shù)階振型，使計算結(jié)果失真。

表1 香蕉篩側(cè)板前10階固有頻率（工作頻率：16 Hz）

表2 香蕉篩側(cè)板與加強板前10階固有頻率（工作頻率：16 Hz）

用ANSYS軟件系統(tǒng)中的model進行模態(tài)分析，計算時采用最先進的Lancozs模態(tài)求解方法對篩框的模態(tài)進行求解，表3即篩框所對應模態(tài)的8、9、10階固有頻率及工作頻率。

表3 香蕉篩篩框前10階固有頻率（工作頻率：16 Hz）

從表3可以很明顯地看出，與所設計的振動篩的頻率比較接近的為第8、9階的固有頻率。而根據(jù)以上分析我們知道，重新設計振動篩的目的就是為了改變其振動頻率，使其與工作頻率有一定的距離，防止工作時發(fā)生共振，引起振動篩破壞。因此，為了滿足這一要求，應該保證固有頻率與工作頻率的差值在10%以上，而表格中數(shù)據(jù)顯示所設計的振動篩頻率不能滿足要求，因此該設計會導致振動篩發(fā)生共振，使用效果不佳。需要對該振動篩進行改進，保證其固有頻率遠離工作頻率。在軟件中，可以通過調(diào)整振動篩的設計尺寸及結(jié)構(gòu)方式來改變振動篩的頻率。

經(jīng)過一系列設計實驗驗證之后，發(fā)現(xiàn)可以采用縱向邊框拉伸的方法提高振動篩固有頻率，增加縱向矩形梁提高振動篩受力時的剛度也能改變其固有頻率，也可以提高振動篩的橫向加筋，提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性來提高結(jié)構(gòu)的抗力。經(jīng)過改進的振動篩在進行軟件分析模擬后得到的相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 改進后的香蕉篩篩框前10階固有頻率（工作頻率：16 Hz）

表中數(shù)據(jù)顯示，通過加筋等方式來改善結(jié)構(gòu)特性的做法對于結(jié)構(gòu)在承受外界荷載時的頻率產(chǎn)生了顯著影響。具體原理為改變構(gòu)建剛度成功避開了工作頻率，使得設計振動篩的固有頻率偏離工作頻率10%以上，滿足了相關(guān)實驗的要求，有著很好的動力性能。同時，通過對比設計前后的振動篩可以發(fā)現(xiàn)，盡管振動篩的固有頻率發(fā)生了變化，但振動篩的振型并沒有發(fā)生太大改變，可見這種方法在提高振動篩使用壽命和結(jié)構(gòu)性能的同時并未對其工作性能造成不良影響。

3 現(xiàn)有振動篩的優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)振動篩，新設計的振動篩主要有以下幾方面優(yōu)點：（1）設計振動篩的生產(chǎn)工藝更加良好，更能滿足冶金工藝的需求。傳統(tǒng)振動篩由于強度不穩(wěn)定，在使用過程中常會因振動篩自身性能破壞導致其生產(chǎn)加工的構(gòu)件存在很大誤差，很多構(gòu)件甚至無法滿足使用要求，只能回爐重新加工，浪費了大量時間，無法滿足日益增長的需求；而新設計的振動篩由于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到很大改善，因此在工作時能保證振動篩的穩(wěn)定，生產(chǎn)的產(chǎn)品也能較好地滿足使用要求。（2）傳統(tǒng)振動篩由于固有頻率與工作頻率比較接近，在使用過程中會因為發(fā)生共振最終導致振動篩的破壞，即使不發(fā)生突然變形也會因長時間承受荷載導致壽命減短，不能滿足使用需求；而新設計的振動篩通過改善固有頻率，避免了工作時共振現(xiàn)象的發(fā)生，極大地延長了振動篩的工作壽命，節(jié)省了成本，也保證了冶金工藝的正常運行，因此設計振動篩有著更好的經(jīng)濟效益和社會效益。（3）傳統(tǒng)振動篩由于其設計造型考慮簡單，對工作時所要面對的環(huán)境問題分析不足，因此常會造成振動篩無法工作的現(xiàn)象，總的來說，傳統(tǒng)振動篩對環(huán)境的適應能力較差，不能滿足各種各樣的環(huán)境條件，這在技術(shù)快速發(fā)展要求設備適應能力更強的現(xiàn)代顯然無法滿足要求；而設計的振動篩通過采用先進的設計理念，并引入計算機技術(shù)對設計模型進行分析實驗，得出與事實相接近的實驗數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了試驗時間，并通過分析實驗數(shù)據(jù)得出不同振動篩的設計問題，及時進行改善，使得振動篩的利用率更高，環(huán)境適應能力更強。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)振動篩由于結(jié)構(gòu)問題在工作時容易發(fā)生扭曲、斷裂等現(xiàn)象，工作性能較差。針對此情況，利用計算機軟件模擬技術(shù)對現(xiàn)有振動篩進行改進，改變其固有頻率，找出設計中不合理之處進行改進，極大地提高了振動篩的工作性能，對于推廣振動篩的使用、提升冶金工藝的效率和產(chǎn)品質(zhì)量有著顯著意義。

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