方亞南 尹忠俊 韓 天 盧臣智

(北京科技大學機械工程學院 北京100083)

·技術分析·

橢圓等厚振動篩動態(tài)特性分析

方亞南 尹忠俊 韓 天 盧臣智

(北京科技大學機械工程學院 北京100083)

利用大型有限元分析軟件ABAQUS，建立了三軸橢圓等厚振動篩篩箱的有限元分析模型，對振動篩篩箱進行了模態(tài)分析和動應力分析，得到了固有頻率和相應的主振型，以及應力分布狀態(tài)。指出了原篩箱結構存在的設計不足，并提出了改進措施，使結構各階固有頻率遠離工作頻率，應力分布更加均勻，系統(tǒng)動態(tài)特性得到了明顯改善。

橢圓振動篩 模態(tài) 應力

橢圓振動篩是我國近來發(fā)展起來的一種高效的振動設備,廣泛應用于冶金、采礦、石油等行業(yè)，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。但是，振動篩在強大的交變載荷下做受迫振動，很容易發(fā)生疲勞破壞，在實際生產(chǎn)過程中經(jīng)常發(fā)生篩箱橫梁斷裂、側板撕裂等事故[1-3]。

以某鋼鐵公司使用的三軸橢圓等厚振動篩為研究對象，利用大型有限元分析軟件ABAQUS對該型振動篩篩箱結構的動態(tài)特性問題做了較深入的分析，得到了篩箱各節(jié)點處動應力分布情況，并在此基礎上對篩箱結構進行了改進設計，得到了滿意的結果。

1 有限元模型的建立

三軸橢圓等厚振動篩篩面由不同傾角的三段組成，使物料層在篩面各段厚度近似相等；采用三軸驅(qū)動，強迫同步激振原理，運動狀態(tài)穩(wěn)定，在過共振區(qū)域工作，振幅比較穩(wěn)定，篩箱運動軌跡為橢圓，其結構見圖1。橢圓等厚篩分有利于物料在篩面上的向前輸送、分層和透篩，故與普通直線篩和圓運動篩相比有較大的處理量和較高的篩分效率。

1.1 模型簡化

要對該模型進行模態(tài)分析，取對稱模型不能很好地觀察模型的振型，所以對完整的三維模型進行分析。

圖1 橢圓等厚振動篩結構簡圖

1-篩箱; 2-隔振彈簧; 3-彈簧支架; 4-二次隔振系統(tǒng); 5-激振器; 6-阻尼器

為了方便后面有限元分析，減少單元數(shù)量，對模型進行了一定的簡化，忽略工藝孔、約束孔、鉚釘孔和篩孔，將非危險區(qū)域的圓弧過渡簡化為直角，略去小的連接件、安裝支架等非承載構件及功能件，同時二次隔振系統(tǒng)主要作用是減少振動篩對地基的沖擊，而對篩體的動應力分布影響不大，在建模時不予考慮。

1.2 約束和激振力的施加

該三軸橢圓等厚振動篩實際工作過程中只在豎直方向裝有彈簧，但是該彈簧同時具有豎直和水平方向的剛度，所以在進行模擬時需要在豎直和水平兩個方向同時添加彈簧約束。在ABAQUS軟件里可以采用點—地連接的方式直接添加彈簧。

在動力學分析中一般要考慮所有參與運動的質(zhì)量。激振器安裝在激振器安裝座上，給振動篩提供激振力。它有三根主軸，每根軸兩端安裝有偏心塊。三軸之間通過齒輪連接。前后軸做同向，中間軸做反向等速轉(zhuǎn)動，適當?shù)恼{(diào)整偏心塊質(zhì)量和距離，就可以產(chǎn)生各種不同的合力，如圖2所示。

圖2 橢圓等厚振動篩工作原理圖

激振器隨振動篩篩體一起運動，產(chǎn)生慣性力。將激振器質(zhì)量用點質(zhì)量來模擬，通過點的耦合設置可以實現(xiàn)激振力向振動篩篩體的傳遞。

m1、m2和m3分別為激振器三根軸兩端的偏心質(zhì)量。A，B位置，三偏心質(zhì)量運動方向相同，此時激振力最大，振動篩的振幅最大。C，D位置m1，m3與偏心質(zhì)量m2相反，此時的激振力最小，振動篩的振幅最小[4]。由于ABAQUS中的集中力是在節(jié)點上施加的，所以將偏心塊產(chǎn)生的激振力在兩坐標軸分解處理為簡諧力形式施加于偏心塊質(zhì)量單元節(jié)點上[5]，兩坐標軸方向分別為與工作平面成45°的兩個方向。

2 結果分析

模態(tài)分析結果前六階是剛體模態(tài)，頻率很小；后幾階是變形模態(tài)，這里重點考慮與工作頻率接近的三階變形模態(tài)。從計算結果中可以知道，篩體固有振型主要為剛體運動和篩箱彎曲變形兩種，7～9階固有頻率見表1。

表1 振動篩7～9階固有頻率

第八階固有頻率13.029Hz接近激振頻率13.33Hz，易引起共振，需要對結構進行改進。

分析振動篩在一個振動周期內(nèi)的應力變化，找出圖3中所示的四個應力集中區(qū)域。

在振動篩的振動過程中，應力呈現(xiàn)周期變化。經(jīng)過分析，應力集中區(qū)域主要在以下幾個部位：①激振器安裝板與側板連接部位，此處應力較大，最大應力值92.76MPa，見圖3a)；②靠近入料口處彈簧支座上方的角鋼部位，最大應力值27.11MPa,見圖3b)；③支撐梁與側板連接處，最大應力值達68.01MPa，見圖3c)；④靠近出料口處彈簧支座上方的角鋼部位，最大應力值26.51MPa,見圖3d)。相比而言，其他區(qū)域應力值水平相對較低。

3 結構改進

根據(jù)固有頻率和集中應力分布的分析結果分析，對振動篩應力薄弱環(huán)節(jié)進行改進。支撐梁是由3.3m長的兩根32#b槽鋼由上下兩端各三塊鋼板連接，鋼板的原尺寸是500mm×284mm×10mm，將兩側的鋼板結構更改為 900mm×284mm×10mm；在隔振彈簧支座上方水平與豎直兩個方向和激振器安裝板與側板接合的邊緣位置分別添加角鋼。

a)

b)

c)

d)圖3 振動周期內(nèi)出現(xiàn)應力集中的區(qū)域(單位MPa)

對振動篩結構加強后重新計算振動篩的固有頻率，見表2?？梢姷诎穗A固有頻率相比之前提高了22.4%，遠離了激振頻率13.33Hz。從避免共振的角度看滿足要求。

表2 結構加強后振動篩7～9階固有頻率

對改進結構后的篩箱進行動應力分析，觀察可以發(fā)現(xiàn)，在激振器安裝板與篩箱側板用角鋼進行結構加強以后，該處的最大應力值明顯減小，最大應力為73.09MPa，如圖4a)，同時，支撐梁與側板連接處的應力分布也得到改善，最大應力為55.57MPa，如圖4c)，而隔振彈簧支座上方角鋼的應力分布沒有得到明顯改善，但是相比之下，這些部位的應力水平相對來說比較低。所以總體上，對結構的改進達到了比較滿意的效果。

a)

b)

c)

d)圖4 改進結構后篩箱的應力分布情況(單位MPa)

4 結語

應用大型有限元分析軟件ABAQUS建立了振動篩篩箱結構的有限元模型，并對比分析了結構改進前后的振動篩固有頻率和集中應力分布情況，改進后的振動篩較好地反映了篩箱實際結構特點，滿足了應力分析的要求。通過動態(tài)特性分析可知，篩箱原結構存在設計缺陷，局部存在較嚴重的應力集中，經(jīng)過結構改進后不僅使得原結構的固有頻率遠離了激振頻率，而且減緩了應力集中，應力水平顯著降低。

[1]陳文.三軸橢圓等厚振動篩分設備技術應用及其自同步研究[D].湖南:湘潭大學，2006.

[2]張功學,王小龍,游麗嘉.大型振動篩的動特性分析及結構優(yōu)化[J].礦山機械,2013,Vol.41(8):84-87.

[3]方治華,趙爽.基于ANSYS的振動篩篩箱強度的有限元分析及改進設計[J].煤礦機械,2007,Vol.29(12):143-144.

[4]王建英.3TS2460三軸橢圓振動篩[J].礦山機械,2000(10):41-43.

[5]尹忠俊，劉建平等.交變載荷作用下大型振動篩的應力分析[J].天津大學學報，2007,Vol.40(11):1363-1366.

Dynamic Characteristic Analysis of Elliptical Equal-thick Vibrating Screen

Fang Yanan Yin Zhongjun Han Tian Lu Chenzhi

(School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083)

Using large-scale finite element analysis software ABAQUS, established the finite element model of three-shaft elliptical equal-thick screen. Carried out modal analysis and dynamic stress analysis. Calculated the natural frequency and the relevant vibration mode, the dynamic stress distribution state of the screen box. Pointed out that design deficiencies of the original screen box structure, and put forward the improvement measures which make the structure of each order natural frequency far from working frequency, stress distribution is more homogeneous, system dynamic characteristics has obviously improved.

Elliptical vibrating screen Modal Stress

方亞南，女，1988年出生，北京科技大學碩士研究生，研究方向：機械系統(tǒng)動力學與仿真研究

TD452

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.04.007

2014-03-25)