方 鵬，沈 琴

（溧陽市天目湖中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 溧陽 213300）

引言

振動篩是利用振子激振所產(chǎn)生的往復(fù)振動而工作的，是一種適合潮濕細(xì)粒級難篩物料干法篩分的振動篩分機(jī)械設(shè)備，具有大振幅、大振動強(qiáng)度、較低的頻率和彈性篩面等特點(diǎn)，較高的開孔率可保證其具有較高的篩分效率和處理能力。不同型號規(guī)格的振動篩所具有的篩分面積以及處理能力是不同的，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求選擇振動篩。

1 香蕉型振動篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容及具體方法

本文以江蘇振強(qiáng)機(jī)械科技股份有限公司提出的ZD系列香蕉型振動篩的應(yīng)用場合，為適應(yīng)長時間高振動強(qiáng)度工作的環(huán)境工況要求，企業(yè)提出對該型香蕉型振動篩的整體結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)，以滿足新環(huán)境的使用要求，確保香蕉型振動篩具有更高的強(qiáng)度和剛度。因此，為滿足企業(yè)提出的非標(biāo)設(shè)計(jì)香蕉型振動篩的作業(yè)需求，研究結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、性價比高的香蕉型振動篩具有十分重要的實(shí)用價值。

1.1 香蕉型振動篩的功能需求分析

香蕉型振動篩是大型礦業(yè)選煤的常用設(shè)備，較水平型振動篩而言，香蕉型振動篩的結(jié)構(gòu)和負(fù)載情況更為復(fù)雜，在其設(shè)計(jì)過程以及生產(chǎn)樣機(jī)過程中需要注意的環(huán)節(jié)更多，以避免香蕉型振動篩容易出現(xiàn)的側(cè)板開裂、激振主梁斷裂等故障問題?，F(xiàn)目前，雖然國產(chǎn)礦用大型香蕉型振動篩的發(fā)展迅猛，針對不同應(yīng)用場合生產(chǎn)出礦用單層香蕉篩和多層香蕉篩等多種型號（如圖1），但距離國際先進(jìn)水平依然存在一定的差距。因此，對于香蕉型振動篩的發(fā)展需求，運(yùn)行高可靠性的大型香蕉型振動篩已成為各大選煤企業(yè)迫切需要解決的問題。

圖1 不同型號的礦用香蕉型振動篩圖例

結(jié)合企業(yè)目前對于香蕉型振動篩的應(yīng)用需求，并分析前期各型號振動篩故障失效的原因可知，主要有兩點(diǎn)需要在設(shè)計(jì)新型香蕉型振動篩結(jié)構(gòu)時引起注意，一是振動篩篩箱本體的工作頻率使用不合理，導(dǎo)致篩體局部發(fā)生共振現(xiàn)象，二是振動篩的出料端的強(qiáng)度及剛度均偏低，導(dǎo)致該部位最易失效[1]。本文針對企業(yè)提出的新應(yīng)用環(huán)境工況要求，設(shè)計(jì)的香蕉型振動篩的篩箱按照前面介紹主要由側(cè)板、激振器主梁、橫梁、加強(qiáng)梁等組成，上述結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足如下要求：

1）整體結(jié)構(gòu)應(yīng)具有高可靠性。目前，力封閉式的整體篩箱結(jié)構(gòu)可形成空間桁架式，該結(jié)構(gòu)可達(dá)到在同等工況下具有極高的使用壽命，保證了振動篩整體的壽命。

2）關(guān)鍵部件應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)合金鋼。香蕉型振動篩的關(guān)鍵部件位于激振器主梁以及出料口側(cè)板，應(yīng)采用具有耐低溫沖擊韌性和抗層狀撕裂能力的優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼。

3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工制造應(yīng)更加合理。橫梁部位可采用方形或圓形無縫管相結(jié)合的形式，截面強(qiáng)度需經(jīng)過合理計(jì)算，同時橫梁外部應(yīng)涂耐磨防腐材料，保證其表面的耐磨性、耐腐蝕性和耐沖擊性；對于側(cè)板，應(yīng)采用整塊鋼板制作，并采用無焊縫設(shè)計(jì)，保證振動篩箱體整體結(jié)構(gòu)無殘余應(yīng)力。

1.2 香蕉型振動篩的整體方案設(shè)計(jì)

目前，對于香蕉型振動篩的設(shè)計(jì)主要依據(jù)是機(jī)械行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)《JB/T9022-1999振動篩設(shè)計(jì)規(guī)范》與《JB/T10460-2004香蕉型直線振動篩》。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求，香蕉型振動篩的整機(jī)性能應(yīng)在振幅誤差、篩箱橫向擺動、振動角誤差、振動頻率誤差、空載運(yùn)行噪聲等方面要滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際使用工況條件，對香蕉型振動篩各設(shè)備參數(shù)進(jìn)行選型以及校核驗(yàn)算，以保證其新型結(jié)構(gòu)在正常使用的條件下滿足更高的使用壽命，提高香蕉型振動篩的使用效率，減少故障損失時間。根據(jù)前面所述，本文以江蘇振強(qiáng)機(jī)械科技股份有限公司的ZD系列香蕉型振動篩產(chǎn)品的研發(fā)為工程研究背景，針對企業(yè)所提出的新工況環(huán)境要求對香蕉型振動篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開研究，設(shè)計(jì)了一種新型的香蕉型振動篩結(jié)構(gòu)方案。為達(dá)到上述目的，筆者根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及使用工況條件，計(jì)算給定了香蕉型振動篩的篩面規(guī)格、篩面面積、最大入粒粒度、篩面層數(shù)與段數(shù)、篩孔尺寸、篩面傾角、振動角、振幅、頻率以及生產(chǎn)能力等，并結(jié)合香蕉型振動篩各零部件的尺寸信息用Creo進(jìn)行三維造型，再借助ANSYS/Workbench有限元分析軟件對振動篩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度等做了仿真分析，得到了前10階固有頻率與頻響特性曲線，并對香蕉型振動篩的激振器主梁結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析。結(jié)果表明：在優(yōu)化后的香蕉型振動篩整體結(jié)構(gòu)性能滿足使用要求，從而在結(jié)構(gòu)上較好的解決了在特定工況下香蕉型振動篩的故障失效問題，可滿足企業(yè)對于香蕉型振動篩的設(shè)計(jì)要求。

1.3 香蕉型振動篩分析的軟件實(shí)現(xiàn)

目前流行的三維造型軟件主要Solidworks、Creo、NX UG、CATIA等，而CAE分析軟件主要有NASTRAN、ABAQUS、ADINA和ANSYS等。結(jié)合企業(yè)的實(shí)際情況，以及筆者之前對ANSYS有一定的使用基礎(chǔ)，本文使用的主要軟件是三維造型軟件Creo以及有限元分析軟件ANSYS/Workbench。以下對兩款軟件的特點(diǎn)做如下介紹。

ANSYS是目前最常用的通用有限元分析軟件之一，其融合電場、結(jié)構(gòu)、磁場、流體、聲場分析于一體，適應(yīng)于多物理場和非線性問題的有限元分析。它包括若干個模塊，主要有前處理，計(jì)算模塊以及后處理。其中，前處理主要是模型建立以及網(wǎng)格劃分；計(jì)算模塊可分為結(jié)構(gòu)分析、電磁場分析、壓電分析等，本文用到的是ANSYS公司開發(fā)的新一代產(chǎn)品研發(fā)集成平臺ANSYS/Workbench，運(yùn)用的計(jì)算模塊是結(jié)構(gòu)分析模塊，以便進(jìn)行靜力學(xué)以及動力學(xué)分析；后處理模塊可以根據(jù)初始設(shè)置時監(jiān)控參數(shù)的計(jì)算狀態(tài)并可在計(jì)算過程中進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。后處理模塊有內(nèi)置很多計(jì)算公式，使用者可以根據(jù)需要進(jìn)行參數(shù)選擇，也可以在初始設(shè)置時自行輸入公式，計(jì)算結(jié)束時在后處理模塊中查看結(jié)果[2]。

Creo是美國參數(shù)技術(shù)公司（PTC）旗下的三維造型軟件，整合了該公司的Pro/Engineer的參數(shù)化技術(shù)、CoCreate的直接建模技術(shù)和ProductView的三維可視化技術(shù)的新型CAD設(shè)計(jì)軟件包，具有互操作性、開放、易用等特點(diǎn)，可提供整個產(chǎn)品生命周期（包括設(shè)計(jì)、工程、制造等）的系統(tǒng)管理，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占據(jù)重要的地位。Creo的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容有：特征驅(qū)動、參數(shù)化建模、曲面造型和載荷計(jì)算等。

2 香蕉型振動篩優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 香蕉型振動篩相關(guān)問題的處理

對于諧響應(yīng)分析，系統(tǒng)假定的前提是施加的所有載荷是隨時間按正弦或簡諧規(guī)律變化的，必須指定需要輸入的載荷的幅值、相位角和強(qiáng)制頻率范圍。如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)只承受單個載荷的作用，相位角可以忽略；如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)同時承受若干個同頻率載荷，則相位角必須輸入。而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對不同頻率載荷的動態(tài)響應(yīng)情況可以通過后處理器疊加不同頻率的載荷狀態(tài)而得到。

因此，由于激振器產(chǎn)生的各個坐標(biāo)軸上的激振力是有時間差的，本文所考慮的香蕉型振動篩在諧響應(yīng)分析中施加的載荷也必須要考慮相位角，否則將會影響計(jì)算結(jié)果的正確性。香蕉型振動篩的簡諧激振力示意圖如圖2所示。

圖2 香蕉型振動篩的激振力方位示意圖

香蕉型振動篩的激振器產(chǎn)生的激振力幅值大小為P0=343756 N，工作頻率為ω=86.29 rad/s，從模態(tài)分析的計(jì)算可以看出，在前10階的固有頻率中前2階固有頻率在25 Hz以內(nèi)，分別為22.640 Hz和24.198 Hz，而該香蕉型振動篩工作狀態(tài)時的激勵頻率為0～35Hz，因此在進(jìn)行諧響應(yīng)分析時，定義的頻率范圍不能低于35 Hz，這里定義的強(qiáng)制頻率范圍為0～40 Hz，設(shè)置300個子步來獲得參考節(jié)點(diǎn)位移對頻率的曲線圖。從上述計(jì)算結(jié)果可以看出激勵載荷的幅值均為85939 N，僅相位角不一樣，其中Fy1、Fx2、Fy2相對于的相差分別為、π。

2.2 諧響應(yīng)結(jié)果分析與優(yōu)化討論

采用ANSYS/Workbench有限元分析軟件進(jìn)行諧響應(yīng)分析，導(dǎo)入Harmonic Response分析模塊，依次定義材料屬性，導(dǎo)入幾何模型，劃分網(wǎng)格，定義彈性約束和激勵幅值與相位角，并設(shè)置好頻率求解范圍。分析結(jié)束后對香蕉型振動篩結(jié)構(gòu)的頻響特性曲線進(jìn)行查看，如圖3所示。

圖3 香蕉型振動篩諧響應(yīng)分析的頻響特性曲線圖

從圖3中可以看出，香蕉型振動篩結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大位移的臨界頻率為26 Hz，最大位移為5.3 mm。因此，對頻率為26 Hz的香蕉型振動篩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變云圖作進(jìn)一步分析，可得到如圖4所示的振動篩結(jié)構(gòu)應(yīng)力與位移云圖。

圖4 香蕉型振動篩在頻率為26 Hz時的分析云圖

從圖4可知，香蕉型振動篩結(jié)構(gòu)在諧響應(yīng)分析時，其頻率為26 Hz下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值為234 MPa，其位置在振動篩入料口的擋板處。由于該處的材料為Q235B鋼板，其應(yīng)力值接近結(jié)構(gòu)材料的許用值，表明香蕉型振動篩在頻率為26Hz時結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不符合設(shè)計(jì)要求，需要將對該型香蕉振動篩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

針對振動篩主梁橫梁較為容易出現(xiàn)常見的斷裂或開裂等現(xiàn)象，本文對于香蕉型振動篩的結(jié)構(gòu)改進(jìn)選擇對中間主梁的橫梁截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，計(jì)劃通過增大橫梁截面尺寸，從而增強(qiáng)橫梁的結(jié)構(gòu)剛度，以避免由于共振所造成的應(yīng)力值過大，使其整體香蕉型振動篩的結(jié)構(gòu)更為安全可靠。由于香蕉型振動篩的主梁分為兩種型號的鋼管，為便于區(qū)分，上面三個橫梁稱為“橫梁1號”，下面三個橫梁稱為“橫梁2號”，如圖5所示，具體的優(yōu)化參數(shù)如表1所示。

表1 香蕉型振動篩主梁的橫梁結(jié)構(gòu)具體優(yōu)化參數(shù)表

圖5 香蕉型振動篩主梁的兩種橫梁結(jié)構(gòu)

針對優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的香蕉型振動篩再次進(jìn)行諧響應(yīng)分析，并對其進(jìn)行頻響特性曲線查看，如圖6所示。從圖6中可知，優(yōu)化后的香蕉型振動篩在臨界頻率處的最大位移值明顯下降，其數(shù)值為2.6 mm。

圖6 優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的香蕉型振動篩諧響應(yīng)分析的頻響特性曲線圖

同時，還給出了對應(yīng)頻率26 Hz下的優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的香蕉型振動篩的應(yīng)力應(yīng)變云圖，如圖7所示，可看出其最大應(yīng)力值為117 MPa，低于材料的強(qiáng)度極限，因此，優(yōu)化后的香蕉型振動篩在工作狀態(tài)下，其優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全滿足要求，不會出現(xiàn)橫梁斷裂或開裂的情況，可以保證香蕉型振動篩的正常使用。

圖7 優(yōu)化結(jié)構(gòu)后香蕉型振動篩在頻率為26 Hz時的分析云圖

3 實(shí)踐意義

本設(shè)計(jì)是在以江蘇振強(qiáng)機(jī)械科技股份有限公司的ZD系列香蕉型振動篩產(chǎn)品為工程研發(fā)背景下，對香蕉型振動篩的整體結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算與仿真分析。針對在設(shè)計(jì)香蕉型振動篩結(jié)構(gòu)時存在的篩箱工作頻率使用不合理、強(qiáng)度及剛度偏低等問題，結(jié)合企業(yè)歸納總結(jié)的工況使用環(huán)境載荷條件，全面設(shè)計(jì)了香蕉型振動篩的結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)。為此，分別對香蕉型振動篩的激振器主梁、側(cè)板、橫梁等主要零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，尤其是對安裝激振器的主梁橫截面尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了香蕉型振動篩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，延長了振動篩的使用壽命。