10倉高方平篩的有限元分析及機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試研究

武文斌 原富林 杜尚偉 莫明麗 賈 勉

（河南工業(yè)大學(xué)糧油機(jī)械研究所1，鄭州 450007）（開封市茂盛機(jī)械有限公司2，開封 475200）（無錫中糧工程科技有限公司3，無錫 214000）

10倉高方平篩的有限元分析及機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試研究

武文斌1原富林2杜尚偉3莫明麗1賈 勉1

（河南工業(yè)大學(xué)糧油機(jī)械研究所1，鄭州 450007）
（開封市茂盛機(jī)械有限公司2，開封 475200）
（無錫中糧工程科技有限公司3，無錫 214000）

高方平篩是制粉設(shè)備三大主機(jī)之一，目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的大型高方平篩基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)很少，主要依靠工程經(jīng)驗(yàn)，所以平篩在強(qiáng)度設(shè)計(jì)方面存在一些不足，如平篩篩框的橫梁以及篩框和傳動(dòng)架底部的螺栓連接處，在使用過程中很容易發(fā)生斷裂。針對(duì)大型高方平篩在使用中存在的問題，進(jìn)行研究，首先在十倉平篩三維建模的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了靜態(tài)有限元仿真分析；在模擬仿真分析的基礎(chǔ)上，又采用電測(cè)法進(jìn)行了機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試，分析確定了應(yīng)力應(yīng)變較大的點(diǎn)及部位，最大應(yīng)力為284 MPa；明確了設(shè)備的質(zhì)量是影響高方平篩機(jī)械性能及可靠性的主要因素之一；仿真、測(cè)試結(jié)果基本一致，與實(shí)際情況基本吻合；最后根據(jù)分析計(jì)算提出了設(shè)備進(jìn)一步改進(jìn)的意見，研究結(jié)果對(duì)高方平篩的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和大型平篩的設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)意義。

小麥制粉 10倉 高方平篩 有限元 應(yīng)力應(yīng)變 測(cè)試

高方平篩主要用于小麥研磨后物料的篩理和分級(jí)，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且長(zhǎng)期懸掛在空中和長(zhǎng)時(shí)間在交變載荷下不停機(jī)工作，容易產(chǎn)生疲勞破壞或斷裂。如篩體在旋轉(zhuǎn)偏重塊激振力的激振下在水平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，其大部分零部件承受較大的交變載荷，當(dāng)循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)后，這些材料很容易產(chǎn)生疲勞破壞；篩箱的短橫梁以及傳動(dòng)架與篩箱的螺栓連接處也經(jīng)常容易發(fā)生斷裂。

近些年，國(guó)內(nèi)外許多研究學(xué)者對(duì)高方平篩的強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值仿真及試驗(yàn)分析和計(jì)算，如朱維斗［1］對(duì)4倉的FSFG型高方平篩進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)力分析，并得出自身重力所產(chǎn)生的應(yīng)力是微乎其微的結(jié)論；林濤［2］利用ANSYS的靜力分析功能分析在不同轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力狀況，同時(shí)利用模態(tài)分析功能計(jì)算了高方平篩的振動(dòng)頻率；邱明等［3］利用 MSC.Pastran／Nastran對(duì)剛?cè)狁詈系?倉高方平篩動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行模態(tài)計(jì)算和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析；王東為等［4］用柔度法對(duì)高方平篩框架的彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了校核［4］。胡繼云等［5］采用經(jīng)典動(dòng)力學(xué)理論建立了高方平篩的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)其停車的瞬態(tài)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析；梁醒培等［6］采用有限元方法對(duì)8倉高方平篩的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析，得出應(yīng)力響應(yīng)最大值發(fā)生在篩箱短橫梁處。這些研究工作主要是動(dòng)力學(xué)模型和模態(tài)的分析計(jì)算，重點(diǎn)針對(duì)4～8倉高方平篩研究，尚未完善一定的測(cè)試驗(yàn)證。本研究在10倉高方平篩有限元模型的基礎(chǔ)上，計(jì)算分析出了容易斷裂部位，并利用動(dòng)態(tài)分析儀對(duì)這些部位進(jìn)行實(shí)際測(cè)量和數(shù)據(jù)分析，同時(shí)將數(shù)據(jù)反饋到有限元模型，進(jìn)一步完善和修正模型，比較準(zhǔn)確的提供了主要部位的應(yīng)力應(yīng)變值，為今后大型高方平篩的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 10倉高方平篩的結(jié)構(gòu)和工作原理

10倉高方平篩主要是由篩體和傳動(dòng)架組成（圖1），篩體有2個(gè)篩箱，傳動(dòng)架放置在2個(gè)篩箱的中間。每個(gè)篩箱內(nèi)設(shè)4個(gè)篩倉，傳動(dòng)架2頭各設(shè)置1個(gè)篩倉，即整個(gè)篩體有10個(gè)篩倉，每個(gè)篩倉內(nèi)置28層篩格。高方平篩的篩面為水平裝置，通過自帶電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使篩體中央的偏重塊旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生水平的離心慣性力促使篩體作平面回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)小麥粉進(jìn)行篩分。

圖1 FSFG10倉高方平篩

2 有限元仿真分析

2.1 三維實(shí)體模型及有限元模型

利用Pro／E5.0軟件建立的10倉高方平篩三維實(shí)體模型見圖2。

圖2 10倉高方篩虛擬樣機(jī)模型

在建立好高方平篩三維模型并經(jīng)簡(jiǎn)化后，通過Pro／E5.0與ANSYS12.0無縫連接的專門通道導(dǎo)入到ANSYS經(jīng)典模式的環(huán)境中，有限元模型見圖3，模型中總共包括72 824個(gè)單元，58 016個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 高方平篩結(jié)構(gòu)有限元模型

1）單元的選擇：

高方平篩的薄板結(jié)構(gòu)為shell43單元，吊桿和旋轉(zhuǎn)軸為beam188單元，而吊桿下座為solid45單元，附加質(zhì)量用mass21單元。

2）實(shí)常數(shù)和梁?jiǎn)卧孛娉叽绲拇_立：

在Preprocessor＞Real Constants下定義 shell單元的厚度，在2塊板重疊的地方則shell單元厚度取2塊板之和。由于beam188沒有實(shí)常數(shù)的定義，因此在Preprocessor＞Sections＞Beam下定義梁的截面形狀及尺寸，以便確定梁的截面慣性矩。

3）材料屬性的定義：

高方平篩的篩箱頂板、篩箱底板、篩箱邊架板、篩箱中架板、篩箱立柱、橫梁、傳動(dòng)架頂板、傳動(dòng)架底板、傳動(dòng)架連接板、傳動(dòng)架角板等材料為汽車大樑板，彈性模量E＝2.12 E＋11 Pa，泊松比μ＝0.27，密度ρ＝8 000 kg／m3；旋轉(zhuǎn)軸、吊掛下座材料為45鋼，彈性模量E＝2.06 E＋11 Pa，泊松比μ＝0.3，密度ρ＝7 850 kg／m3；吊桿材料為玻璃鋼，彈性模量 E＝1 E＋10 Pa，泊松比μ＝0.3，密度 ρ＝1 800 kg／m3；支撐槽鋼材料為A3，彈性模量E＝2.12 E＋11 Pa，泊松比 μ＝0.288，密度 ρ＝7 860 kg／m3。

4）網(wǎng)格的劃分：

傳動(dòng)架頂板和傳動(dòng)架底板等四邊形面單元尺寸定義為0.06，其余定義四邊形面單元定義為0.04，螺栓孔附近的三角形面單元尺寸定義為0.009。

5）不同單元類型之間的連接：

篩箱架與傳動(dòng)架、橫梁與篩體之間的螺栓連接采用cerig模擬；吊桿與吊掛下座之間beam與solid的連接采用mpc模擬。

2.2 高方平篩結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析

圖4中，靜態(tài)時(shí)高方平篩最大變形量為10.1 mm，發(fā)生在傳動(dòng)架頂板主軸孔邊緣。

圖4 10倉高方平篩靜態(tài)位移云圖

圖5中，最大等效應(yīng)力為0.194 E＋9 Pa發(fā)生在篩箱前左或前右立柱的螺栓孔處，此螺栓孔與橫梁通過直徑為M20的螺栓聯(lián)接；應(yīng)力集中區(qū)域有幾處，一處發(fā)生在傳動(dòng)架頂板、底板的主軸孔邊緣，一處發(fā)生在傳動(dòng)架頂板、底板分別與篩箱頂板、底板中間的螺栓聯(lián)接的螺栓孔的周圍。

圖5 10倉高方平篩靜態(tài)應(yīng)力云圖

3 靜動(dòng)態(tài)性能測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 測(cè)量設(shè)備及測(cè)量工況

儀器和材料主要有應(yīng)變分析儀；BSF120－1.5CA－T應(yīng)變花；屏蔽線；406快干膠；704硅膠；無水乙醇；焊錫；鑷子；電烙鐵；萬用表；脫脂棉等。其中應(yīng)變分析儀采用北京世紀(jì)興元科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)：DDS16動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)。

測(cè)試工況分別是高方平篩落地靜止、懸掛靜止、啟動(dòng)階段、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段和停車階段，前2種為靜態(tài)測(cè)量，后3種為動(dòng)態(tài)測(cè)量。先測(cè)量出各點(diǎn)的應(yīng)變值，然后再計(jì)算出應(yīng)力值。系統(tǒng)測(cè)試框圖如圖6所示。

圖6 DDS16動(dòng)態(tài)信號(hào)系統(tǒng)測(cè)試框圖

3.2 測(cè)量點(diǎn)的選取

測(cè)量點(diǎn)的選取是整個(gè)試驗(yàn)的關(guān)鍵，根據(jù)有限元分析的結(jié)果、文獻(xiàn)資料的研究結(jié)果［7］和客戶使用情況的說明，選擇應(yīng)變值較大和容易斷裂的位置為測(cè)量點(diǎn)，共選取了8個(gè)測(cè)量點(diǎn)并進(jìn)行了測(cè)試，如圖7所示。

圖7 高方平篩測(cè)量點(diǎn)分布圖

3.3 數(shù)據(jù)處理

測(cè)量得到的是各工況下的電壓值，然后將電壓值轉(zhuǎn)化成應(yīng)變值。將2種工況下的應(yīng)變測(cè)試值相減，得到材料的應(yīng)變值，根據(jù)材料力學(xué)計(jì)算出各點(diǎn)的主應(yīng)變、主應(yīng)力和主應(yīng)力方向［8－9］，依據(jù)以下公式［10－11］：

式中：ε0、ε45和ε90分別為應(yīng)變花中的φ＝0°、45°、90°時(shí)的讀數(shù)應(yīng)變；E為構(gòu)件材料的彈性模量；μ為構(gòu)件材料的泊松比；φ和φ′其中一個(gè)為σmax所在平面，另一個(gè)為σmin所在平面。

式（2）是由式（4）推導(dǎo)而來，那么根據(jù)主應(yīng)力σ1■σ2■σ3的規(guī)定，對(duì)于二向應(yīng)力狀態(tài)的單元體，由式（2）算出來的結(jié)果中，若σmax＞0和σmin＞0，其3個(gè)主應(yīng)力分別為σ1＝σmax、σ2＝σmin和σ3＝0；若σmax＜0和 σmin＜0，則其3個(gè)主應(yīng)力分別為σ1＝0、σ2＝σmax和σ3＝σmin；如果滿足σmax＞0和σmin＜0，其3個(gè)主應(yīng)力分別為σ1＝σmax、σ2＝0和σ3＝σmin。

根據(jù)第四強(qiáng)度理論，相當(dāng)應(yīng)力為：

計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果／MPa

4 分析與結(jié)論

4.1 仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，起吊狀態(tài)下的靜態(tài)應(yīng)力，是箱體自重產(chǎn)生的，應(yīng)力較大的部位主要集中在第1、3、5、6、8點(diǎn)處，測(cè)試結(jié)果反映最大達(dá)到282 MP，在傳動(dòng)箱與篩箱的上螺栓連接處。

4.2 從測(cè)試結(jié)果看，靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的應(yīng)力值相差并不大，自重產(chǎn)生的靜態(tài)應(yīng)力是不能忽視的，所以降低高方平篩的質(zhì)量是提高機(jī)械強(qiáng)度和可靠性的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，設(shè)備輕量化是首要任務(wù)。

4.3 測(cè)試、仿真分析結(jié)果總趨勢(shì)基本一致，與實(shí)際情況基本吻合，部分點(diǎn)的對(duì)比誤差為20%～30%。

4.4 在進(jìn)行高方平篩的設(shè)計(jì)工作時(shí)應(yīng)注意危險(xiǎn)位置，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加適當(dāng)尺寸的加強(qiáng)筋，來提高設(shè)備的機(jī)械強(qiáng)度。

［1］朱維斗.高方平篩實(shí)驗(yàn)應(yīng)力與結(jié)構(gòu)和工藝的改進(jìn)［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，1994（3）：286－289

［2］林濤.高方平篩的有限元分析［D］.鄭州：河南工業(yè)大學(xué)，2005

［3］邱明，廖振強(qiáng)，焦衛(wèi)東.基于剛?cè)狁詈系母叻狡胶Y動(dòng)力學(xué)建模與振動(dòng)模態(tài)分析［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2008，19（24）：2960－2964

［4］王東為，安曉寧.用柔度法校核高方平篩框架的彎曲疲勞強(qiáng)度［J］.武警工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，24（2）：17－20

［5］胡繼云，于翠萍.高方平篩停車過程動(dòng)力學(xué)分析［J］.河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，26（1）：26－28

［6］梁醒培，陳長(zhǎng)冰，楊伯源.高方平篩動(dòng)力有限元分析及壽命評(píng)價(jià)［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，31（11）：1843－1847

［7］計(jì)艷霞，江雪潔，黃筍林，等.高方平篩軸承座故障的分析［J］.現(xiàn)代面粉工業(yè)，2010，3（3）：33－34

［8］張紅星.復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)變測(cè)量和數(shù)據(jù)處理方法探析［J］.中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2006，32（2），52－55

［9］Young C W，Richard G B編.羅氏應(yīng)力應(yīng)變公式手冊(cè)［M］.岳珠峰，高行山，王峰會(huì)，等譯.北京：科學(xué)出版社，2005

［10］李德葆，沈觀林，馮仁賢.振動(dòng)測(cè)試與應(yīng)變電測(cè)基礎(chǔ)［M］，北京：清華大學(xué)出版社1987，421－424

［11］馬良珵.應(yīng)變電測(cè)與傳感技術(shù)［M］，北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1993，270－271.

The Stress－Strain Analysis and Testing of 10 Bins Square Plansifter

Wu Wenbin1Yuan Fulin2Du Shangwei3Mo Mingli1Jia Mian1

（Henan University of Technology1，Zhengzhou 450007）
（Kaifeng Maosheng Machinery Co.，Ltd2，Kaifeng 475200）
（Cofco Engineering and Technology Co.，Ltd3，Wuxi 214000）

The square plansifters is one of the three hosts of flour milling equipment.For the lack of data about designing，most designs borrow ideas of western design and experience.Breakdowns occurred when the plansifter was in use.The paper exhibited the simulation analysis by FEA based on Pro／e model and test results from the electrical measuring method to identify other larger stress points.The results showed that the weight of equipment was one of the main factors.The results of simulation and testing were basically the same.The reasonable suggestions for improvement were put forward，and the fault diagnosis and the optimization design of the structure had important guiding significance.

wheat flour milling，10 bins，plansifter，finite element，stress and strain analysis，electrical measuring method

TH112

A

1003－0174（2015）09－0094－04

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAD03B 01－03），河南工業(yè)大學(xué)高層次人才基金（2010BS050）

2014－02－28

武文斌，男，1959年出生，教授，博士，糧油機(jī)械的數(shù)字化設(shè)計(jì)及制造