基于有限元計(jì)算的流化床振槽的結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析

陳家權(quán)， 蘇光耀， 劉福營(yíng)， 黃海鑫， 趙威

（1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004；2.廣西葉茂機(jī)電有限公司，南寧 530004）

0 引 言

大型振動(dòng)流化床廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、制糖等行業(yè)。本文研究的是制糖用流化床，是制糖工業(yè)的主要設(shè)備之一，主要用于結(jié)晶糖的干燥。流化床的振槽是流化床的主要部件之一，也是流化床的關(guān)鍵部件。然而在流化床的實(shí)際運(yùn)作期間有加強(qiáng)板開裂的問題，如何解決結(jié)構(gòu)開裂并合理降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量對(duì)減少停機(jī)維護(hù)、節(jié)約能耗、節(jié)省成本、提高經(jīng)濟(jì)效益等都至關(guān)重要。

本文通過有限元分析的方法，并用不同改進(jìn)方案進(jìn)行比較，分析、計(jì)算振槽的應(yīng)力分布情況，對(duì)不合理的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，使其滿足工況條件，以解決開裂問題并簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)達(dá)到輕量化的目的。

1 流化床的工作原理及受力分析

流化床結(jié)構(gòu)如圖1所示，工作原理是：結(jié)晶糖（物料）自進(jìn)料口進(jìn)入流化床機(jī)體，在激振力的作用下，結(jié)晶糖沿流化床斜向上方向拋擲，向前連續(xù)運(yùn)動(dòng)；熱風(fēng)向上穿過結(jié)晶糖，將水分帶走，以達(dá)到干燥的目的。

該流化床采用雙軸慣性式激振動(dòng)，槽體兩側(cè)的法蘭盤連接有2臺(tái)振動(dòng)電機(jī)，振動(dòng)電機(jī)的偏心質(zhì)量塊的偏心質(zhì)量和偏心距以及起始位置都相同，同步均速運(yùn)轉(zhuǎn)，方向相反。由兩偏心塊產(chǎn)生的慣性力在垂直于電機(jī)座法蘭盤盤面方向的分力相互抵消，而平行于法蘭盤盤面方向分力相互疊加，給振槽提供正弦激振力，迫使振槽進(jìn)行直線往復(fù)振動(dòng)［1］。根據(jù)振動(dòng)電機(jī)參數(shù)，兩振動(dòng)電機(jī)所提供激振力為100 kN；頻率為 f=16.64 Hz。設(shè)沿流化床長(zhǎng)度方向?yàn)閄軸，寬度方向?yàn)閅軸，高度方向?yàn)閆軸，電機(jī)座套筒幾何中心為原點(diǎn)，如圖1所示。則激振力方向可用矢量r=［-1，-1，0］表示。對(duì)于振槽的結(jié)構(gòu)而言，兩電機(jī)在法蘭盤上的激振力垂直分量大小相等方向相反，對(duì)電機(jī)座的法蘭盤與套筒部分結(jié)構(gòu)作用明顯，對(duì)振槽其他的結(jié)構(gòu)作用較小。而兩電機(jī)平行于法蘭盤的激振力分量迫使振槽振動(dòng)，對(duì)振槽的結(jié)構(gòu)影響較大，對(duì)振槽結(jié)構(gòu)的改進(jìn)至關(guān)重要。

圖1 流化床簡(jiǎn)圖

2 振槽的有限元建模型的建立

2.1 創(chuàng)建有限元模型

振槽是由槽體骨架、下箱體、篩板、走料槽、隔振彈簧組成。本文采用SolidWorks強(qiáng)大的實(shí)體和曲面造型功能對(duì)流化床進(jìn)行幾何建模，并導(dǎo)入ANSYS Workbech進(jìn)行有限元分析，綜合考慮到計(jì)算精度和有限元計(jì)算規(guī)模，對(duì)部分特征進(jìn)行簡(jiǎn)化［2］。在SolidWorks中預(yù)先對(duì)模型進(jìn)行處理。連接關(guān)系有焊接和螺栓連接，略去固定用螺栓及螺栓孔，忽略倒角和制造圓角。同時(shí)，由于焊接在大多數(shù)情況下可以實(shí)現(xiàn)母材等強(qiáng)度，所以將焊接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為整體式，以便進(jìn)行網(wǎng)格劃分，方便計(jì)算，獲得較好的計(jì)算結(jié)果。

2.2 有限元網(wǎng)格劃分及材料屬性

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，本文采用ANSYS Workbench對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分全部采用solid187實(shí)體單元。為了使網(wǎng)格劃分的單元質(zhì)量能夠得到保證，模型采用整體尺寸控制和局部細(xì)化的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。流化床的有限元單元總數(shù)為1 065 875，節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 084 010。振槽由Q235的鋼管和鋼板焊接而成，材料密度為7 850 kg/m3,彈性模量為210 GPa，泊松比為 0.31，屈服強(qiáng)度為 235 MPa［3］。

2.3 邊界條件及加載

1）邊界條件。振槽由8個(gè)隔振彈簧與機(jī)體地板連接支撐，減少傳給地基的動(dòng)載。同時(shí)，振動(dòng)電機(jī)用螺栓固定在電機(jī)座法蘭盤上，將激振力傳遞給振槽，使振槽振動(dòng)，所以確定振槽的約束時(shí)，將下彈簧座的底部幾何面設(shè)為固定約束。

2）加載。由于流化床所受激振力是由2臺(tái)振動(dòng)電機(jī)的偏心塊的同步反相高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力提供，所以根據(jù)流化床的受力情況，當(dāng)離心力平行于電機(jī)座法蘭盤盤面時(shí)提供給振槽整體的合力最大，對(duì)結(jié)構(gòu)影響最大。所以在兩側(cè)的法蘭盤面上分別進(jìn)行加載，加載作用力與水平面夾角為45°，大小為50 kN。其槽體自重通過Workbench自帶的標(biāo)準(zhǔn)重力施加在整個(gè)模型上；篩板上物料為結(jié)晶糖質(zhì)量較輕，可忽略物料的作用，具體加載如圖2所示。

圖2 加載與約束

圖3 振槽結(jié)構(gòu)編號(hào)

3 有限元結(jié)構(gòu)分析結(jié)果及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1 靜力分析

首先對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析。為了便于表述，對(duì)振槽的各個(gè)部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行編號(hào)，由于從分析結(jié)果看左右結(jié)構(gòu)受力基本對(duì)稱所以只對(duì)右側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行編號(hào)，具體編號(hào)如圖3所示。

從圖4的分析結(jié)果可以看出，3號(hào)部位的加強(qiáng)板中部，彈簧座支架連接板中部及底部3塊的加強(qiáng)板的應(yīng)力值都小于7 MPa，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值；但是在實(shí)際的工作中，在頻率為16.64 Hz正弦激振力的作用下，加強(qiáng)板邊緣有開裂的問題，分析其原因：1）由于焊接時(shí)，加強(qiáng)板較厚，未焊透的導(dǎo)致應(yīng)力集中；2）該處結(jié)構(gòu)由鋼板加強(qiáng)，剛度較大；兩側(cè)排氣孔四周由拉筋加強(qiáng)，剛度較??；結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布不均，在正弦激振力的作用下容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此本文從改善結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布均勻性和降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量的角度考慮，提出4種改進(jìn)方案，進(jìn)行對(duì)比分析，具體如圖5所示。

圖4 改進(jìn)前結(jié)構(gòu)靜力分析應(yīng)力云圖

圖5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方式

方案1：由于如圖4所示的幾處受力較小的結(jié)構(gòu)，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的整體加強(qiáng)作用不大，所以考慮將這些加強(qiáng)板的中間部分材料進(jìn)行切除處理。同時(shí)在有開裂問題的上側(cè)加強(qiáng)板的兩側(cè)的拉筋位置增加肋板，進(jìn)行加強(qiáng)，使振槽的整體結(jié)構(gòu)受力更加均勻，避免結(jié)構(gòu)的受力不均勻而產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致加強(qiáng)板開裂。

方案2：考慮到加強(qiáng)板為20 mm的厚板，不能采用沖壓成形，需要進(jìn)行切割處理，在工藝上比較麻煩，所以在滿足性能要求的情況下簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，在方案1的基礎(chǔ)上，采用加強(qiáng)肋板的形式進(jìn)行加強(qiáng)。

方案3：在改進(jìn)方式1和2的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析后。考慮沒有加強(qiáng)板加強(qiáng)時(shí)，看是否也能滿足振槽的強(qiáng)度要求，并比較與其他方案的差異。

方案4：考慮到振槽的開裂部分結(jié)構(gòu)在電機(jī)與彈簧支架之間的主要承載區(qū)域，在工作過程中受動(dòng)載的作用，應(yīng)力集中較為明顯，所以把開裂部分的結(jié)構(gòu)移動(dòng)到彈簧支撐座外側(cè)，并且，由于該結(jié)構(gòu)不在主要承載區(qū)域，受力減小，所以去除加強(qiáng)板。另外，考慮到減小支撐跨距后，彈簧支撐座與電機(jī)座結(jié)構(gòu)之間只有4根拉筋結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度較為薄弱，所以在4根拉筋處增加肋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，如圖5所示。

對(duì)這4種改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析其結(jié)果如圖6和表1所示。從分析結(jié)果看：

圖6 改進(jìn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖對(duì)比

表1 靜力分析各處結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值 MPa

1）按4種方案改進(jìn)后，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布都更加均勻，其中方案1的結(jié)構(gòu)應(yīng)力均勻性最好，各部位結(jié)構(gòu)的是最大應(yīng)力差值最小，差值為18 MPa。

2）從表1的分析結(jié)果看，按這4種方式進(jìn)行改進(jìn)后，雖然應(yīng)力分布均勻性有所改善，但各個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化水平并不大。

3）方案4縮短了兩彈簧支架的支撐跨距后，對(duì)彈簧支架的作用力從25.1 MPa增加到39.2 MPa。雖然有所增加，但是仍在允許范圍內(nèi)。支撐跨距減小了，振槽整體剛度也會(huì)有所增加。而有開裂問題的加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)移動(dòng)到承載區(qū)域外側(cè)，開裂問題也將得到解決。除此之外，其它結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平也都能滿足設(shè)計(jì)的要求。

綜合考慮以上的4種方案后，決定采用方案4，即能解決加強(qiáng)板開裂問題，同時(shí)也能較大幅度減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。對(duì)振槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后振槽的質(zhì)量從原來的3 875 kg減少到3 438 kg，整體質(zhì)量減輕了11.28%。

3.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析用于分析一個(gè)結(jié)構(gòu)的固有頻率和陣型，固有頻率和振型是動(dòng)載結(jié)構(gòu)中的重要參數(shù)，為動(dòng)態(tài)特性分析打下基礎(chǔ)。模態(tài)分析的另一個(gè)目的是鎖定與工作頻率相近的固有頻率，通過修改結(jié)構(gòu)，使工作頻率遠(yuǎn)離固有頻率，避免共振，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［4］。

運(yùn)用Workbench的模態(tài)分析模塊，分別對(duì)改進(jìn)前后的模型進(jìn)行模態(tài)分析，分別求解得到前15階的固有頻率，如表2所示。

表2 改進(jìn)后流化床前后15階固有頻率 Hz

從表2中可以看：1）改進(jìn)后與流化床的工作頻率16.64Hz比較接近的是7～10階模態(tài)值，其中第10階與工作頻率最接近。從其模態(tài)振型看，這4階的模態(tài)振型為振槽內(nèi)的氣室的4塊隔板沿水平方面的振動(dòng)。但第10階模態(tài)與工作頻率相差4.67 Hz，遠(yuǎn)離工作頻率28%，不會(huì)產(chǎn)生共振對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞，另外，隔板只起分隔氣室的作用，并非重要結(jié)構(gòu)，所以無需進(jìn)一步改進(jìn)。2）第4階和第5階的振型振動(dòng)方向與電機(jī)的激振方向在同一平面方向上，其模態(tài)值在改進(jìn)后略小于原模型的模態(tài)值，說明改進(jìn)后，振槽的整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度也得到一定程度的提高。

3.3 諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受隨時(shí)間按正弦（簡(jiǎn)諧）規(guī)律變化的載荷時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。本文采用Workbench諧響應(yīng)分析模塊，運(yùn)用完全法對(duì)模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析。以獲得在工作頻率下振槽各個(gè)結(jié)構(gòu)的加速響應(yīng)、應(yīng)力響應(yīng)情況，并與實(shí)際工作情況進(jìn)行對(duì)比。具體結(jié)果如下：

1）實(shí)際的加速度測(cè)點(diǎn)如圖7所示，實(shí)際的加速度測(cè)量結(jié)果與計(jì)算值如表3所示，可以看出理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量結(jié)果誤差在12%以內(nèi)，說明該模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本一致，可作為設(shè)計(jì)和改進(jìn)的參考依據(jù)。

2）從圖8的應(yīng)力響應(yīng)云圖可以看出，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)在正弦激振力的作用下，整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布比改進(jìn)前的更加均勻。所以從應(yīng)力的角度看，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)更加合理。

表3 加速響應(yīng)值與實(shí)際測(cè)量加速值

3）從表 4中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力表中可看出，3號(hào)和4號(hào)結(jié)構(gòu)移動(dòng)到5號(hào) （彈簧支架結(jié)構(gòu)）外側(cè)后，雖然去除加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，但是應(yīng)力水平卻有所下降。這樣既可解決加強(qiáng)板開裂的問題，又能起到簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減輕質(zhì)量的作用。

圖8 應(yīng)力響應(yīng)云圖對(duì)比

表4 各部位結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力響應(yīng)值 MPa

4結(jié) 語

本文對(duì)流化床的振槽進(jìn)行靜載和動(dòng)載分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出4種改進(jìn)方案進(jìn)行分析比較。采用縮短彈簧支撐跨距，將有開裂問題的結(jié)構(gòu)移出主要的承載區(qū)域的方式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，解決加強(qiáng)板開裂問題；并在不改變整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平的情況下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到減輕振槽質(zhì)量的目的。并通過有限元分析數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)原模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，但是，對(duì)改進(jìn)后的結(jié)果還有待進(jìn)一步的實(shí)踐驗(yàn)證。但是由于時(shí)間和條件的限制，關(guān)于課題的其他問題還有待進(jìn)一步探討和研究，如篩板的開裂問題，電機(jī)座法蘭盤的疲勞強(qiáng)度問題等。

［1］ 聞邦椿，劉鳳翹.振動(dòng)機(jī)械的理論及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

［2］ 尚曉江，邱峰，趙海峰，等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元實(shí)例分析與高級(jí)應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［3］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［4］ 王建華，孔祥偉.振動(dòng)流化床篩箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程師，2012（7）：108-110.

［5］ 曹樹猛.雙層直線振動(dòng)篩動(dòng)力學(xué)分析與輕量化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程師，2012（10）：105-107.