張曉旭+郭鑫迪

摘 要：振動篩作為大型機械設(shè)備，廣泛應(yīng)用在礦山及治金企業(yè)中。但是振動篩屬于往復(fù)振動形式，進(jìn)而日常運行振動情況下，還會出現(xiàn)破壞振動，振動篩的面積越大，所造成的破壞面積就會越大，縮短振動篩應(yīng)用壽命。因此，傳功靜態(tài)設(shè)計及類比手段已經(jīng)無法滿足礦山及治金企業(yè)對振動篩的需求，所以，就必須對振動篩動態(tài)強度問題進(jìn)行技術(shù)處理，這也是本文想要解決的問題。

關(guān)鍵詞：振動篩；動態(tài)特性；模態(tài)分析；有限元分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.052

0 前言

伴隨著振動篩功能越加齊全，人們對于振動篩結(jié)構(gòu)強度越加關(guān)注。現(xiàn)階段，為了能夠解決振動篩振動強度問題，研究人員已經(jīng)從多個方面進(jìn)行了大量研究工作，基本上都是通過有限元軟件對動力學(xué)進(jìn)行研究。但是由于振動篩有限元數(shù)量較多，進(jìn)而整個研究成本及時間都較高。實驗?zāi)B(tài)分析方法對振動篩的振動與強度進(jìn)行研究，具有重要現(xiàn)實意義。

1 香蕉篩實驗?zāi)B(tài)分析

模態(tài)分析產(chǎn)生于上世紀(jì)30年代，是以導(dǎo)納及機械阻抗作為前提條件，經(jīng)過多代研究人員共同努力，現(xiàn)在已經(jīng)形成了相對完善理論方案。近幾年，模態(tài)分析理論還是和自動控制、數(shù)理統(tǒng)計等知識相結(jié)合，并且按照自身發(fā)展特征，構(gòu)建了全新理論體系，這也為模態(tài)分析奠定了堅實基礎(chǔ)條件。

1.1 試驗結(jié)構(gòu)的支撐方式

試驗結(jié)構(gòu)主要由兩部分構(gòu)成，分別為原型及模型，對特殊結(jié)構(gòu)及設(shè)計結(jié)構(gòu)分析上主要應(yīng)用模型試驗。模型試驗在應(yīng)用振動篩分析研究過程中，需要按照有關(guān)理論制造模型，在考慮幾何相似情況下，還需要考慮振動篩動力相似性。任何試驗都需要考慮結(jié)構(gòu)邊界，即便物體結(jié)構(gòu)相同而邊界條件不同，結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)出來的特性就會存在差別。按照模型實際結(jié)構(gòu)情況，結(jié)構(gòu)邊界條件主要可以分為三種類型，分別為固定支撐、原裝支撐及自由支撐。一般情況下，試驗主要選擇遠(yuǎn)程支撐方式，本文也就選擇原裝支撐的支撐方式。

1.2 激振器與激勵方式

振動篩模態(tài)試驗分析過程中，最為關(guān)鍵的一個步驟就是激勵系統(tǒng)配置及安裝。激勵系統(tǒng)是否選擇及安裝合作，對最終試驗結(jié)果精度會造成直接影響。一般情況下，激勵裝置主要分別為兩種類型，分別為力錘錘擊法與激振器激勵。激振器體積較大，搬動難度較高，但是力錘攜帶方便，并且可以激振起香蕉篩，進(jìn)而本文選擇力錘錘擊法。

按照模態(tài)試驗理論，從激勵數(shù)量及區(qū)域來說，激勵方式主要可以分為兩種類型，分別為單點激勵與多點激勵。單點激勵作為最常見的激勵方式，是一個點向一個方向所作出的激勵測試，并不需要其他坐標(biāo)方向作為保證。多點激勵表示同時向多個點施加激勵的方式。多點激勵在應(yīng)用過程中可以顯著增加激勵能量，但是整個激勵流程十分復(fù)雜，進(jìn)而小型試驗無法開展多點激勵。按照現(xiàn)階段試驗室硬件配備來說，本文采取單點激勵方式。

1.3 激勵點及響應(yīng)點的布置

一般情況下，無法立即就在實驗中找到最佳激勵點，進(jìn)而必須具有一定耐心。傳感器自身就具有質(zhì)量，進(jìn)而傳感器在與振動篩相連接之后，振動篩需要承受附加質(zhì)量，試驗檢測精確度就會受到影響。按照試驗理論分析可知，傳感器質(zhì)量在低于全部構(gòu)件十分之一情況下，可以暫時忽視傳感器的質(zhì)量。傳感器在實際安裝過程中需要特別注意：（1）合理選裝傳感器的安裝位置，保證振動篩可以全面反應(yīng)所檢測到的響應(yīng)；（2）傳感器自身的質(zhì)量對振動篩結(jié)構(gòu)會造成一定影響，進(jìn)而需要盡可能減少傳感器附加質(zhì)量，進(jìn)而保證實驗結(jié)果精確性，具體實驗?zāi)B(tài)如圖1所示。

1.4 模態(tài)試驗檢測結(jié)果

由于試驗時間較為緊張，本次試驗并未對香蕉篩進(jìn)行振型向量檢測，僅僅對香蕉篩頻的頻率、振型、質(zhì)量、剛度等參數(shù)進(jìn)行檢測。

為了能夠保證模態(tài)實驗最終結(jié)果精確性，筆者特意測試了一下響應(yīng)及錘擊狀態(tài)下香蕉篩情況。香蕉篩不管是在響應(yīng)還是在錘擊狀態(tài)下，都和香蕉篩實際運行情況相吻合，進(jìn)而本次實驗具有一定可操作性。

2 高頻脫水篩有限元分析

2.1 模態(tài)分析

2.1.1 正對稱約束時固有頻率及振型

為了能夠?qū)Ω哳l脫水篩正對稱約束固有頻率及振型深入了解，筆者對開展了多次試驗。在試驗之后發(fā)現(xiàn)，高頻脫水篩的正對稱約束時固有頻率及振型為107.58HZ，這也就表示高頻脫水篩額定頻率為24HZ，和運行頻率之間相差將近4.4倍，進(jìn)而高頻脫水篩在運行中不會出現(xiàn)共振問題。

2.1.2 反對稱約束時的固有頻率和振型

在對高頻脫水篩前30個階段固有頻率及振型計算完畢之后，按照試驗所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示可知，高頻脫水篩反對稱約束的固有頻率為28.48Hz。

2.2 靜力學(xué)分析

2.2.1 整體的位移及應(yīng)力

在經(jīng)過分析計算之后，對高頻脫水篩的等效位移分布情況有了初步了解，具體如圖2所示。由圖2顯示可知，高頻脫水篩所產(chǎn)生的最大應(yīng)力應(yīng)該位于螺栓上面，數(shù)值大約為35MPa。

2.2.2 靜力學(xué)結(jié)果分析

按照上述內(nèi)容顯示可知，高頻脫水篩所產(chǎn)生的最高應(yīng)力出現(xiàn)在主梁上面，應(yīng)力數(shù)值為36.4854MPa。脫水篩箱體主要材料為鍋爐鋼，但是主梁的主要材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼。脫水篩箱體在運行過程中，會受到動態(tài)載荷約束，進(jìn)而脫水篩所選擇的安全系數(shù)應(yīng)該為5。

3 瞬態(tài)動力學(xué)分析

瞬態(tài)動力學(xué)分析也被稱之為時間歷程分析，主要了解結(jié)構(gòu)隨著時間變化載荷所發(fā)生的變化。瞬態(tài)動力學(xué)分析可以在瞬態(tài)載荷、靜載荷、簡諧載荷等結(jié)構(gòu)之下，了解位移、應(yīng)力、應(yīng)變隨著時間推移所發(fā)生的變化。在瞬態(tài)動力學(xué)分析中，時間及載荷是其中主要影響因素，在慣性力及阻尼數(shù)值較小情況下，瞬態(tài)分析可以用靜力學(xué)分析所替代。

瞬態(tài)動力學(xué)分析常見的方法有三種，分別為完全法、縮減法及模態(tài)疊加法。本文在對振動篩瞬態(tài)動力學(xué)分析中，應(yīng)用模態(tài)疊加法分析。模態(tài)疊加法主要是借助模態(tài)所檢測到的振型，然后乘以因子，最終求得計算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)數(shù)值。振型疊加法在應(yīng)用過程中，主要分為兩個步驟，分別為計算固有頻率及動力響應(yīng)。動力響應(yīng)和低階模態(tài)之間有著一定關(guān)聯(lián)，動態(tài)響應(yīng)決定著低階模態(tài)頻率。所以，本文在分析研究過程中，僅僅考慮低階振型，通過振型截斷法，了解矩陣在截斷之后所出現(xiàn)的變化。振型疊加法可以應(yīng)用微分方程計算，可以有效減少方程組數(shù)量，縮短結(jié)果計算時間。但是直接積分法在對時間步長計算中，整體計算時間較長，進(jìn)而本文直接應(yīng)用積分法計算時間步長，并且最終計算結(jié)果和微分方程組耦合，保證計算結(jié)果精確可靠，可以全面體現(xiàn)出振動篩整體振動實際情況，為瞬態(tài)動力學(xué)分析提供數(shù)據(jù)保證。

3.1 積分方法的選擇

結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)實際上受到較多因素影響，其中時間步長就是主要影響因素。對時間步長設(shè)置過程中，需要從計算精確度角度分析，確定振動篩最大時間步長。結(jié)構(gòu)動力學(xué)有關(guān)問題分析研究中，主要應(yīng)用隱式算法分析，進(jìn)而對時間步長的要求僅僅體現(xiàn)在精度上面。本文在對振動篩瞬態(tài)動力學(xué)分析研究中，積分方案沒有任何穩(wěn)定條件，進(jìn)而本文應(yīng)用隱式算法。

3.2 時間步長的計算

時間步長決定著瞬態(tài)分析計算結(jié)果的精確性，時間步長差值越小，瞬態(tài)分析計算結(jié)構(gòu)精確度也就越高。但是時間步長要是過大，模態(tài)響應(yīng)就會受到影響。所以，在對模態(tài)響應(yīng)計算過程中，在盡可能選擇較小的時間步長情況下，還需要提升計算資源利用率。

可以將振動篩結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，看成是每一個階段模態(tài)響應(yīng)的結(jié)果。時間步長數(shù)值應(yīng)該可以計算出振動篩整體響應(yīng)最佳模態(tài)數(shù)值，應(yīng)用隱式算法確定積分方案時，最為理想精度級結(jié)果為時間步長為最高頻率的倒數(shù)。

3.3 瞬態(tài)動力學(xué)結(jié)構(gòu)

高頻脫水篩瞬態(tài)動力學(xué)分析結(jié)果如圖3所示。

4 結(jié)論

本文對香蕉篩進(jìn)行了實驗?zāi)B(tài)分析，對香蕉篩的固有頻率及模態(tài)質(zhì)量等數(shù)值有了初步了解，然后對高頻脫水篩進(jìn)行了有限元分析，初步了解高頻脫水篩運行情況。除此之外，本文還對振動篩的瞬態(tài)動力學(xué)進(jìn)行了分析，最終得到了高頻脫水篩的時間位移曲線示意圖。

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