直線型振動(dòng)篩優(yōu)化過程應(yīng)力分析

閔慶新 （華北油田天成實(shí)業(yè)有限公司飛達(dá)公司，河北 滄州061000）

鄧杰文 （華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京100000）

為了適應(yīng)石油工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展需求，就必須發(fā)展大型生產(chǎn)機(jī)械，振動(dòng)篩作為石油固控系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，采用大型振動(dòng)篩可以提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本［1］。然而，如何提高振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、滿足實(shí)際生產(chǎn)條件，成為大型振動(dòng)篩設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵問題。筆者以直線型振動(dòng)篩為研究對(duì)象，采用有限元法［2］分析振動(dòng)篩在載荷加載瞬間的應(yīng)力分布情況，為大型振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供可靠的理論依據(jù)。

1 振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)與工作原理

振動(dòng)篩上安裝有2個(gè)電機(jī)，電機(jī)內(nèi)各有一個(gè)質(zhì)量相等的偏心塊，工作時(shí)進(jìn)行同步反向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的離心力相等。在各瞬間位置上，離心力沿振動(dòng)方向的分力相加，而與振動(dòng)垂直方向的分力互相抵消。因此激振器只在振動(dòng)方向形成激振力，篩箱 （圖1）通過橡膠彈簧與機(jī)座架連接，使篩箱在激振力的作用下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，激振力在整個(gè)運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)峰值。筆者針對(duì)峰值載荷對(duì)篩箱進(jìn)行應(yīng)力分析，以考察篩箱在極限負(fù)荷下是否滿足設(shè)計(jì)需求。

圖1 篩箱結(jié)構(gòu)圖

2 有限元分析模型建立

2.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)三維圖紙完成三維模型，優(yōu)化掉部分不重要的幾何特征，比如圓角、側(cè)板上的孔等，以便于網(wǎng)格的劃分。為提高計(jì)算精度，在網(wǎng)格劃分時(shí)的控制網(wǎng)格單元尺寸區(qū)間，增加網(wǎng)格數(shù)量；此外還對(duì)焊接位置的網(wǎng)格進(jìn)行局部的網(wǎng)格控制，在模型結(jié)構(gòu)最小尺寸處應(yīng)該保證至少2個(gè)單元網(wǎng)格［3］。取電機(jī)支撐梁網(wǎng)格為例 （如圖2），整個(gè)振動(dòng)篩劃分完成后節(jié)點(diǎn)數(shù)為4034947個(gè)，網(wǎng)格單元數(shù)2399270個(gè)。

2.2 約束與分析條件

振動(dòng)篩的箱體通過橡膠彈簧與機(jī)座支架連接，因此只需將篩箱上的8個(gè)橡膠彈簧與機(jī)座支架連接的端面進(jìn)行固定約束即可，根據(jù)對(duì)箱體的應(yīng)力分布情況進(jìn)行研究，為優(yōu)化計(jì)算過程，將箱體作為整體對(duì)象進(jìn)行分析。根據(jù)設(shè)備實(shí)際材料進(jìn)行材料設(shè)置，材料參數(shù)如表1所示。所分析設(shè)備在極限情況下的應(yīng)力分布情況，結(jié)合重力因素，故瞬態(tài)受力為激振力沿著振動(dòng)向下時(shí)激振力數(shù)值，即－70kN，方向沿振動(dòng)方向。為了結(jié)合實(shí)際設(shè)備運(yùn)行情況，篩板上分布著物料，其重力分布為313．6N／m2。由于分析時(shí)考慮電機(jī)的重量，但不分析電機(jī)自身的形變和應(yīng)力變化，因此將電機(jī)考慮為一個(gè)重力作用于電機(jī)連接板上，電機(jī)重力為2402．96N。這種去掉或者優(yōu)化不必要的網(wǎng)格，能夠大大提高計(jì)算效率。

圖2 電機(jī)支撐梁網(wǎng)格

表1 設(shè)備材料參數(shù)

3 結(jié)果分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

振動(dòng)篩依靠激振電機(jī)帶動(dòng)箱體運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的篩選，因此篩板的位移量直接影響振動(dòng)篩在生產(chǎn)中的物料處理能力。圖3為篩箱位移圖，最大位移出現(xiàn)在激振電機(jī)固定板即圖中深色區(qū)域，從篩板上的位移量約為3mm。為提高篩板的平均位移量，應(yīng)該在滿足強(qiáng)度要求［4］的情況下降低機(jī)身的重量。

應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示，最大應(yīng)力170MPa，出現(xiàn)在橡膠彈簧與篩箱的結(jié)合處，其數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力，且集中區(qū)域比較小，故滿足強(qiáng)度要求；電機(jī)支撐梁上出現(xiàn)大面積應(yīng)力集中區(qū)域，且數(shù)值較大，和實(shí)際設(shè)備在該區(qū)域出現(xiàn)焊縫斷裂的情況相符合；激振電機(jī)的固定板上應(yīng)力比較小，可適當(dāng)對(duì)其厚度進(jìn)行優(yōu)化；側(cè)板加固板應(yīng)力較小，分布比較均勻，因此可以降低側(cè)板厚度和調(diào)整側(cè)板形狀，以降低機(jī)身質(zhì)量；擋板上的應(yīng)力變化不明顯且數(shù)值較小，說明該部位不易出現(xiàn)故障，可將擋板厚度降低，或者改用其他較輕的材料。

圖5為計(jì)算模型放大1000倍的變形情況，可以看出在應(yīng)力集中區(qū)域變形量較大。在電機(jī)支撐梁的應(yīng)力集中處變形是由于激振力響應(yīng)到梁上的區(qū)域較集中造成的，根據(jù)梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，可將激振電機(jī)上下放置方式改為水平放置，以分散集中應(yīng)力，降低其變形量。

根據(jù)原型分析結(jié)果對(duì)振動(dòng)篩進(jìn)行如下改進(jìn)：①將激振電機(jī)改為左右放置；②降低側(cè)板加固板厚度，并對(duì)其表面進(jìn)行改進(jìn)；③降低電機(jī)固定板的厚度，改進(jìn)其表面形狀。改進(jìn)后篩箱質(zhì)量降低了61kg，對(duì)改進(jìn)后的模型進(jìn)行有限元計(jì)算，從圖6中可以看出改進(jìn)后平均位移明顯提高，有利增加振幅，其中篩板上位移量約為7mm。

在應(yīng)力分布方面，圖7表明改進(jìn)后的電機(jī)支撐梁的應(yīng)力分布均勻，改善了之前的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力大小也在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，側(cè)板加固的優(yōu)化設(shè)計(jì)也符合設(shè)備強(qiáng)度要求；對(duì)激振電機(jī)的固定板優(yōu)化后應(yīng)力分布符合強(qiáng)度要求。

圖3 篩箱位移云圖

圖4 篩箱應(yīng)力云圖

圖5 篩箱變形趨勢(shì)

圖6 改進(jìn)后篩箱位移云圖

4 結(jié)論

1）原設(shè)計(jì)模型的靜態(tài)分析中，應(yīng)力最大值為170MPa出現(xiàn)橡膠彈簧與篩箱連接處，其數(shù)值遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，設(shè)備存在較大的優(yōu)化空間。

2）原設(shè)計(jì)模型中，激振電機(jī)的放置方式是導(dǎo)致電機(jī)支撐梁形變的主要原因，將電機(jī)上下放置改成左右放置后，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯得以改善。

3）根據(jù)原設(shè)計(jì)數(shù)值計(jì)算分析對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)質(zhì)量降低了61kg，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后設(shè)備平均位移明顯增加，有利于提高振動(dòng)篩對(duì)物料處理的能力。

圖7 改進(jìn)后篩箱應(yīng)力云圖

［1］譚兆衡 ．國(guó)內(nèi)篩分設(shè)備的現(xiàn)狀和展望 ［J］．礦山機(jī)械，2009，32 （1）：34～37．

［2］范光第，隋海東 ．基于ANSYS的油井套管感應(yīng)磁場(chǎng)有限元仿真 ［J］．石油機(jī)械，2012，40（1）：1～4．

［3］李瑞明，郭連水 ．復(fù)雜裝配體有限元網(wǎng)格生成方法的研究 ［J］．機(jī)械工程師，2007，（4）：120～122．

［4］孟彩茹，李磊，馮忠緒，等 ．振動(dòng)篩的強(qiáng)度分析和壽命估算 ［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)，2012，29（7）：20～23．