方亞南 尹忠俊 韓 天 盧臣智

(北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 北京100083)

·技術(shù)分析·

橢圓等厚振動(dòng)篩動(dòng)態(tài)特性分析

方亞南 尹忠俊 韓 天 盧臣智

(北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(dòng)篩篩箱的有限元分析模型，對(duì)振動(dòng)篩篩箱進(jìn)行了模態(tài)分析和動(dòng)應(yīng)力分析，得到了固有頻率和相應(yīng)的主振型，以及應(yīng)力分布狀態(tài)。指出了原篩箱結(jié)構(gòu)存在的設(shè)計(jì)不足，并提出了改進(jìn)措施，使結(jié)構(gòu)各階固有頻率遠(yuǎn)離工作頻率，應(yīng)力分布更加均勻，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性得到了明顯改善。

橢圓振動(dòng)篩 模態(tài) 應(yīng)力

橢圓振動(dòng)篩是我國(guó)近來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種高效的振動(dòng)設(shè)備,廣泛應(yīng)用于冶金、采礦、石油等行業(yè)，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但是，振動(dòng)篩在強(qiáng)大的交變載荷下做受迫振動(dòng)，很容易發(fā)生疲勞破壞，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生篩箱橫梁斷裂、側(cè)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(dòng)篩為研究對(duì)象，利用大型有限元分析軟件ABAQUS對(duì)該型振動(dòng)篩篩箱結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題做了較深入的分析，得到了篩箱各節(jié)點(diǎn)處動(dòng)應(yīng)力分布情況，并在此基礎(chǔ)上對(duì)篩箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，得到了滿(mǎn)意的結(jié)果。

1 有限元模型的建立

三軸橢圓等厚振動(dòng)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(dòng)，強(qiáng)迫同步激振原理，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定，在過(guò)共振區(qū)域工作，振幅比較穩(wěn)定，篩箱運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(xiàn)篩和圓運(yùn)動(dòng)篩相比有較大的處理量和較高的篩分效率。

1.1 模型簡(jiǎn)化

要對(duì)該模型進(jìn)行模態(tài)分析，取對(duì)稱(chēng)模型不能很好地觀察模型的振型，所以對(duì)完整的三維模型進(jìn)行分析。

圖1 橢圓等厚振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，忽略工藝孔、約束孔、鉚釘孔和篩孔，將非危險(xiǎn)區(qū)域的圓弧過(guò)渡簡(jiǎn)化為直角，略去小的連接件、安裝支架等非承載構(gòu)件及功能件，同時(shí)二次隔振系統(tǒng)主要作用是減少振動(dòng)篩對(duì)地基的沖擊，而對(duì)篩體的動(dòng)應(yīng)力分布影響不大，在建模時(shí)不予考慮。

1.2 約束和激振力的施加

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

在動(dòng)力學(xué)分析中一般要考慮所有參與運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量。激振器安裝在激振器安裝座上，給振動(dòng)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(guò)齒輪連接。前后軸做同向，中間軸做反向等速轉(zhuǎn)動(dòng)，適當(dāng)?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(dòng)篩工作原理圖

激振器隨振動(dòng)篩篩體一起運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生慣性力。將激振器質(zhì)量用點(diǎn)質(zhì)量來(lái)模擬，通過(guò)點(diǎn)的耦合設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)激振力向振動(dòng)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(yùn)動(dòng)方向相同，此時(shí)激振力最大，振動(dòng)篩的振幅最大。C，D位置m1，m3與偏心質(zhì)量m2相反，此時(shí)的激振力最小，振動(dòng)篩的振幅最小[4]。由于ABAQUS中的集中力是在節(jié)點(diǎn)上施加的，所以將偏心塊產(chǎn)生的激振力在兩坐標(biāo)軸分解處理為簡(jiǎn)諧力形式施加于偏心塊質(zhì)量單元節(jié)點(diǎn)上[5]，兩坐標(biāo)軸方向分別為與工作平面成45°的兩個(gè)方向。

2 結(jié)果分析

模態(tài)分析結(jié)果前六階是剛體模態(tài)，頻率很?。缓髱纂A是變形模態(tài)，這里重點(diǎn)考慮與工作頻率接近的三階變形模態(tài)。從計(jì)算結(jié)果中可以知道，篩體固有振型主要為剛體運(yùn)動(dòng)和篩箱彎曲變形兩種，7～9階固有頻率見(jiàn)表1。

表1 振動(dòng)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

分析振動(dòng)篩在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的應(yīng)力變化，找出圖3中所示的四個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域。

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

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)固有頻率和集中應(yīng)力分布的分析結(jié)果分析，對(duì)振動(dòng)篩應(yīng)力薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。支撐梁是由3.3m長(zhǎng)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(cè)的鋼板結(jié)構(gòu)更改為 900mm×284mm×10mm；在隔振彈簧支座上方水平與豎直兩個(gè)方向和激振器安裝板與側(cè)板接合的邊緣位置分別添加角鋼。

a)

b)

c)

d)圖3 振動(dòng)周期內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中的區(qū)域(單位MPa)

對(duì)振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后重新計(jì)算振動(dòng)篩的固有頻率，見(jiàn)表2?？梢?jiàn)第八階固有頻率相比之前提高了22.4%，遠(yuǎn)離了激振頻率13.33Hz。從避免共振的角度看滿(mǎn)足要求。

表2 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后振動(dòng)篩7～9階固有頻率

對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的篩箱進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力分析，觀察可以發(fā)現(xiàn)，在激振器安裝板與篩箱側(cè)板用角鋼進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)以后，該處的最大應(yīng)力值明顯減小，最大應(yīng)力為73.09MPa，如圖4a)，同時(shí)，支撐梁與側(cè)板連接處的應(yīng)力分布也得到改善，最大應(yīng)力為55.57MPa，如圖4c)，而隔振彈簧支座上方角鋼的應(yīng)力分布沒(méi)有得到明顯改善，但是相比之下，這些部位的應(yīng)力水平相對(duì)來(lái)說(shuō)比較低。所以總體上，對(duì)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)達(dá)到了比較滿(mǎn)意的效果。

a)

b)

c)

d)圖4 改進(jìn)結(jié)構(gòu)后篩箱的應(yīng)力分布情況(單位MPa)

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用大型有限元分析軟件ABAQUS建立了振動(dòng)篩篩箱結(jié)構(gòu)的有限元模型，并對(duì)比分析了結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的振動(dòng)篩固有頻率和集中應(yīng)力分布情況，改進(jìn)后的振動(dòng)篩較好地反映了篩箱實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，滿(mǎn)足了應(yīng)力分析的要求。通過(guò)動(dòng)態(tài)特性分析可知，篩箱原結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)缺陷，局部存在較嚴(yán)重的應(yīng)力集中，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后不僅使得原結(jié)構(gòu)的固有頻率遠(yuǎn)離了激振頻率，而且減緩了應(yīng)力集中，應(yīng)力水平顯著降低。

[1]陳文.三軸橢圓等厚振動(dòng)篩分設(shè)備技術(shù)應(yīng)用及其自同步研究[D].湖南:湘潭大學(xué)，2006.

[2]張功學(xué),王小龍,游麗嘉.大型振動(dòng)篩的動(dòng)特性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].礦山機(jī)械,2013,Vol.41(8):84-87.

[3]方治華,趙爽.基于ANSYS的振動(dòng)篩篩箱強(qiáng)度的有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2007,Vol.29(12):143-144.

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

[5]尹忠俊，劉建平等.交變載荷作用下大型振動(dòng)篩的應(yīng)力分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，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(xué)碩士研究生，研究方向：機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與仿真研究

TD452

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.04.007

2014-03-25)