單梁激振篩有限元分析

左英杰，姚新港，董 浩

ZUO Ying-jie,YAO Xin-gang,DONG Hao

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，徐州 221116）

0 引言

篩分是煤炭生產(chǎn)中的重要中間環(huán)節(jié)之一，煤炭工業(yè)的迅速發(fā)展向篩分設(shè)備提出了更多的技術(shù)要求，如篩面大型化、降低能耗、運(yùn)行可靠和環(huán)境保護(hù)等。近三十年來(lái)，篩分作為煤炭生產(chǎn)中的一個(gè)中間環(huán)節(jié)，篩分效率不僅影響著煤炭產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)率，而且直接關(guān)系到煤炭資源的合理利用率。振動(dòng)篩在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，如不能及時(shí)的維修難免會(huì)影響工程的進(jìn)度。本文以4DLS3682單梁激振篩為研究對(duì)象，用動(dòng)力學(xué)基本原理作為基礎(chǔ)，以有限元分析軟件Ansys作為分析工具，結(jié)合單梁激振篩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立單梁激振篩的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行有限元分析，從而提高該振動(dòng)篩的使用壽命。

1 單梁激振篩的結(jié)構(gòu)及原理

單梁激振篩具有比一般振動(dòng)篩高一倍的拋射強(qiáng)度，這點(diǎn)是目前其他結(jié)構(gòu)振動(dòng)篩都難以做到的。它主要使用在大中料篩分中，不容易堵孔，配以活動(dòng)桿篩板也可以使用在細(xì)粒料的篩分，消除了篩孔的堵塞。圖1所示為單梁激振篩的結(jié)構(gòu)示意圖。篩箱1用彈簧支撐在機(jī)架5上，激振器2安裝在大梁7上，激振器產(chǎn)生的定向激振力，帶動(dòng)篩箱作簡(jiǎn)諧往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2 單梁激振篩系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力分析工作通常主要由系統(tǒng)的動(dòng)力特性分析（即求解結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的的固有頻率和模態(tài)振型）和當(dāng)系統(tǒng)受到一定載荷時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)分析兩部分構(gòu)成。

圖1 單梁激振篩的結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 有限元模型的建立

在對(duì)單梁激振篩篩箱進(jìn)行有限元分析時(shí)，首先必須正確的建立單梁激振篩篩箱的有限元模型。4DLS3682單梁激振篩的結(jié)構(gòu)如圖2所示。單梁激振篩的結(jié)構(gòu)主要有篩箱、激振器、減振彈簧和支撐裝置，篩箱總長(zhǎng)8200mm，每段篩箱長(zhǎng)2000mm、寬3600mm、高1000mm，工作頻率為960r/min。

由于4DLS3682單梁激振篩篩箱的結(jié)構(gòu)零部件比較多，要想建立和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)完全相同的篩箱，工作量很大，也不需要。本文根據(jù)建模經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的4DLS3682單梁激振篩篩箱模型，如圖3所示。

圖2 4DLS3682單梁激振篩

圖3 4DLS3682單梁激振篩篩箱模型

2.2 單梁激振篩篩箱的模態(tài)分析

模態(tài)分析作為動(dòng)力學(xué)分析的起點(diǎn)，主要用于分析結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性（固有頻率和振型），系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)振型是承受動(dòng)態(tài)載荷的重要參數(shù)，單梁激振篩工作在高頻振動(dòng)狀態(tài)下，篩箱的振動(dòng)特性直接關(guān)系到單梁激振篩的使用性能。對(duì)單梁激振篩篩箱進(jìn)行模態(tài)分析，獲得篩箱的固有頻率和模態(tài)振型，并分析篩箱是否產(chǎn)生共振。

2.2.1 篩箱Ansys分析模型的建立

本文根據(jù)單梁激振篩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用了下列單元類型來(lái)建立單梁激振篩篩箱的分析模型：質(zhì)量單元SOLID45，梁?jiǎn)卧狟EAM4，彈簧單元COMBIN14，殼單元SHELL63。根據(jù)單梁激振篩材料的選擇設(shè)置模型的材料參數(shù)，具體如下，E=210GPa，v=0.3，ρ=7850kg/m3。在模型建立過(guò)程中單元網(wǎng)格劃分起著至關(guān)重要的作用，所有分析都是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行的。按照劃分原則，得到該振動(dòng)篩的網(wǎng)格劃分模型，如圖4所示。

圖4 振動(dòng)篩篩箱的網(wǎng)格劃分

2.2.2 篩箱模態(tài)分析的結(jié)果

應(yīng)用ANSYS中的繪圖顯示功能可以看出各階主振型的振動(dòng)形態(tài)和方向，圖5～圖7為振動(dòng)篩篩箱的前6階模態(tài)振型。

圖5 第一和第二階模態(tài)振型

圖6 第三和第四階模態(tài)振型

由模態(tài)分析結(jié)果可得到如下結(jié)論：

圖7 第五和第六階模態(tài)振型

振動(dòng)篩篩箱的固有頻率值的發(fā)生變化，但是工作頻率很好的被控制在第5階和第6階頻率之間，頻率裕度分別為43.9%和26.9%，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，振動(dòng)篩不會(huì)發(fā)生共振在此結(jié)構(gòu)后，側(cè)板和橫梁處橫向剛度得到加強(qiáng)，整體變形量明顯減小，說(shuō)明此方案是可行的。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)單梁激振篩存在的諸多問(wèn)題，基于Ansys對(duì)其進(jìn)行有限元分析，使振動(dòng)篩穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的應(yīng)力值降低，提高結(jié)構(gòu)的合理性，避免出現(xiàn)斷梁?jiǎn)栴}，而且可以更大程度的增大振動(dòng)強(qiáng)度，有利于提高單梁激振篩的篩分效率和處理能力；本文所運(yùn)用的分析及試驗(yàn)測(cè)試方法不僅能提高單梁激振篩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，使其運(yùn)動(dòng)可靠性大大提高，而且更能降低其生產(chǎn)成本，為單梁激振篩的推廣提供理論依據(jù)。

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