振動(dòng)篩側(cè)板及篩框動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

孫 良

（唐山永春機(jī)械設(shè)備有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

作為冶煉工藝的關(guān)鍵設(shè)備之一，振動(dòng)篩由于要經(jīng)常在高溫、高粉塵等極其惡劣的條件下工作，因此常會(huì)受到周邊環(huán)境的影響，從而產(chǎn)生一定的扭曲變形，導(dǎo)致最后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)存在很大問題，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的正常使用。由于周邊環(huán)境的不可改變性，故改善振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)方案就顯得尤為重要。通過有限元對(duì)振動(dòng)篩模型進(jìn)行分析，并將模型導(dǎo)入相關(guān)軟件模擬工作場(chǎng)景，可以幫助了解不同振動(dòng)篩設(shè)計(jì)的實(shí)際工作性能，進(jìn)而獲得抗高溫性能良好、使用壽命長(zhǎng)久、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)良好的振動(dòng)篩，對(duì)于冶金工業(yè)有著極大的幫助。本文通過構(gòu)建振動(dòng)篩模型，并利用有限元對(duì)模型進(jìn)行分析，提高振動(dòng)篩性能，更好地為冶金行業(yè)服務(wù)。

1 振動(dòng)篩側(cè)板的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

對(duì)于振動(dòng)篩的動(dòng)力學(xué)特征來說，設(shè)計(jì)的主要目的在于改善結(jié)構(gòu)固有頻率，進(jìn)而使得振動(dòng)篩的固有頻率與實(shí)際工作時(shí)的工作頻率產(chǎn)生一定的差值，防止共振現(xiàn)象發(fā)生，保護(hù)振動(dòng)篩的同時(shí)減少工作時(shí)的噪聲。側(cè)板的相關(guān)參數(shù)和物理特征可以利用CAD建模并導(dǎo)入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得，并在已有的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上在Pro/E軟件中進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)振動(dòng)篩的模型建立，當(dāng)將振動(dòng)篩已知數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中進(jìn)行計(jì)算就能很方便地得出軟件的質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)模量和材料的彈性模量等相關(guān)參數(shù)，給實(shí)驗(yàn)的模擬提供寶貴的數(shù)據(jù)。

完成以上工作后，就要進(jìn)行模型的模擬分析。利用ANSYS軟件中的model對(duì)模型進(jìn)行分析，計(jì)算時(shí)采用先進(jìn)的Lancozs模態(tài)求解方法對(duì)側(cè)板的10階模態(tài)進(jìn)行求解，大大提高了計(jì)算的效率和精度，該法也很好地還原了真實(shí)情況下振動(dòng)篩的力學(xué)特征，有很好的參考價(jià)值。

表1為香蕉篩側(cè)板前10階固有頻率，表2為香蕉篩側(cè)板與加強(qiáng)板前10階固有頻率。由于軟件中的單位不一致，表格中的數(shù)據(jù)在進(jìn)行處理時(shí)應(yīng)乘以1000。振動(dòng)篩的工作頻率為16 Hz，而從表1和表2中可以看到在第5階的頻率與工作頻率很接近，這會(huì)對(duì)側(cè)板造成很大的影響，從表1中還可以看到側(cè)板具有比較密集的低階模態(tài)，所以處于工作頻率附近的模態(tài)應(yīng)盡量消除。下面對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)改進(jìn)，方法是在側(cè)板中部垂向尺寸較大的一側(cè)局部增加加強(qiáng)板，并與側(cè)板組合后進(jìn)行模態(tài)分析，可以得出更加精確的數(shù)據(jù)，給振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)提供更真實(shí)的數(shù)據(jù)依靠。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，振動(dòng)篩的工作頻率必須遠(yuǎn)離其固有頻率上下10%以上。從表中可以看出，組合后側(cè)板的第1階模態(tài)頻率達(dá)到32 Hz，而工作頻率為16 Hz，已經(jīng)遠(yuǎn)離了工作頻率10%以上，即可認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)是一種合理的結(jié)構(gòu)。

2 振動(dòng)篩篩框的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

完成了振動(dòng)篩側(cè)板的模態(tài)分析之后，現(xiàn)在來討論振動(dòng)篩篩框的動(dòng)力學(xué)改進(jìn)問題。篩框是由板和梁鉚接而成的具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的彈性體，盡管篩框的結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，但仍必須按整體進(jìn)行分析，因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)分析中求得的各階振型并非完全以結(jié)構(gòu)對(duì)稱面而對(duì)稱，如按對(duì)稱結(jié)構(gòu)取其一半進(jìn)行分析就會(huì)丟掉偶數(shù)階振型，使計(jì)算結(jié)果失真。

表1 香蕉篩側(cè)板前10階固有頻率（工作頻率：16 Hz）

表2 香蕉篩側(cè)板與加強(qiáng)板前10階固有頻率（工作頻率：16 Hz）

用ANSYS軟件系統(tǒng)中的model進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算時(shí)采用最先進(jìn)的Lancozs模態(tài)求解方法對(duì)篩框的模態(tài)進(jìn)行求解，表3即篩框所對(duì)應(yīng)模態(tài)的8、9、10階固有頻率及工作頻率。

表3 香蕉篩篩框前10階固有頻率（工作頻率：16 Hz）

從表3可以很明顯地看出，與所設(shè)計(jì)的振動(dòng)篩的頻率比較接近的為第8、9階的固有頻率。而根據(jù)以上分析我們知道，重新設(shè)計(jì)振動(dòng)篩的目的就是為了改變其振動(dòng)頻率，使其與工作頻率有一定的距離，防止工作時(shí)發(fā)生共振，引起振動(dòng)篩破壞。因此，為了滿足這一要求，應(yīng)該保證固有頻率與工作頻率的差值在10%以上，而表格中數(shù)據(jù)顯示所設(shè)計(jì)的振動(dòng)篩頻率不能滿足要求，因此該設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)篩發(fā)生共振，使用效果不佳。需要對(duì)該振動(dòng)篩進(jìn)行改進(jìn)，保證其固有頻率遠(yuǎn)離工作頻率。在軟件中，可以通過調(diào)整振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)尺寸及結(jié)構(gòu)方式來改變振動(dòng)篩的頻率。

經(jīng)過一系列設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之后，發(fā)現(xiàn)可以采用縱向邊框拉伸的方法提高振動(dòng)篩固有頻率，增加縱向矩形梁提高振動(dòng)篩受力時(shí)的剛度也能改變其固有頻率，也可以提高振動(dòng)篩的橫向加筋，提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性來提高結(jié)構(gòu)的抗力。經(jīng)過改進(jìn)的振動(dòng)篩在進(jìn)行軟件分析模擬后得到的相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 改進(jìn)后的香蕉篩篩框前10階固有頻率（工作頻率：16 Hz）

表中數(shù)據(jù)顯示，通過加筋等方式來改善結(jié)構(gòu)特性的做法對(duì)于結(jié)構(gòu)在承受外界荷載時(shí)的頻率產(chǎn)生了顯著影響。具體原理為改變構(gòu)建剛度成功避開了工作頻率，使得設(shè)計(jì)振動(dòng)篩的固有頻率偏離工作頻率10%以上，滿足了相關(guān)實(shí)驗(yàn)的要求，有著很好的動(dòng)力性能。同時(shí)，通過對(duì)比設(shè)計(jì)前后的振動(dòng)篩可以發(fā)現(xiàn)，盡管振動(dòng)篩的固有頻率發(fā)生了變化，但振動(dòng)篩的振型并沒有發(fā)生太大改變，可見這種方法在提高振動(dòng)篩使用壽命和結(jié)構(gòu)性能的同時(shí)并未對(duì)其工作性能造成不良影響。

3 現(xiàn)有振動(dòng)篩的優(yōu)勢(shì)

相比傳統(tǒng)振動(dòng)篩，新設(shè)計(jì)的振動(dòng)篩主要有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)：（1）設(shè)計(jì)振動(dòng)篩的生產(chǎn)工藝更加良好，更能滿足冶金工藝的需求。傳統(tǒng)振動(dòng)篩由于強(qiáng)度不穩(wěn)定，在使用過程中常會(huì)因振動(dòng)篩自身性能破壞導(dǎo)致其生產(chǎn)加工的構(gòu)件存在很大誤差，很多構(gòu)件甚至無法滿足使用要求，只能回爐重新加工，浪費(fèi)了大量時(shí)間，無法滿足日益增長(zhǎng)的需求；而新設(shè)計(jì)的振動(dòng)篩由于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到很大改善，因此在工作時(shí)能保證振動(dòng)篩的穩(wěn)定，生產(chǎn)的產(chǎn)品也能較好地滿足使用要求。（2）傳統(tǒng)振動(dòng)篩由于固有頻率與工作頻率比較接近，在使用過程中會(huì)因?yàn)榘l(fā)生共振最終導(dǎo)致振動(dòng)篩的破壞，即使不發(fā)生突然變形也會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間承受荷載導(dǎo)致壽命減短，不能滿足使用需求；而新設(shè)計(jì)的振動(dòng)篩通過改善固有頻率，避免了工作時(shí)共振現(xiàn)象的發(fā)生，極大地延長(zhǎng)了振動(dòng)篩的工作壽命，節(jié)省了成本，也保證了冶金工藝的正常運(yùn)行，因此設(shè)計(jì)振動(dòng)篩有著更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。（3）傳統(tǒng)振動(dòng)篩由于其設(shè)計(jì)造型考慮簡(jiǎn)單，對(duì)工作時(shí)所要面對(duì)的環(huán)境問題分析不足，因此常會(huì)造成振動(dòng)篩無法工作的現(xiàn)象，總的來說，傳統(tǒng)振動(dòng)篩對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較差，不能滿足各種各樣的環(huán)境條件，這在技術(shù)快速發(fā)展要求設(shè)備適應(yīng)能力更強(qiáng)的現(xiàn)代顯然無法滿足要求；而設(shè)計(jì)的振動(dòng)篩通過采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，并引入計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)，得出與事實(shí)相接近的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了試驗(yàn)時(shí)間，并通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出不同振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)問題，及時(shí)進(jìn)行改善，使得振動(dòng)篩的利用率更高，環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng)。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)振動(dòng)篩由于結(jié)構(gòu)問題在工作時(shí)容易發(fā)生扭曲、斷裂等現(xiàn)象，工作性能較差。針對(duì)此情況，利用計(jì)算機(jī)軟件模擬技術(shù)對(duì)現(xiàn)有振動(dòng)篩進(jìn)行改進(jìn)，改變其固有頻率，找出設(shè)計(jì)中不合理之處進(jìn)行改進(jìn)，極大地提高了振動(dòng)篩的工作性能，對(duì)于推廣振動(dòng)篩的使用、提升冶金工藝的效率和產(chǎn)品質(zhì)量有著顯著意義。

［1］周磊，劉建慧.振動(dòng)篩側(cè)板及篩框動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2010，26（4）

［2］尚曉耳，邱峰，趙海峰.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法［M］.北京：中國水利水電出版社，2008

［3］辛?xí)暂x，曹樹謙，陳予恕.30m2雙層非線性共振篩模態(tài)計(jì)算與動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2005，30（2）