基于ANSYS的大型振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究

魏 亮

(1.天地科技股份有限公司唐山分公司，河北 唐山 063012 ；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

基于ANSYS的大型振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究

魏 亮1,2

(1.天地科技股份有限公司唐山分公司，河北 唐山 063012 ；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS，結(jié)合大型振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際工作條件，建立了整機(jī)的三維有限元力學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行諧響應(yīng)分析和模態(tài)分析，以找出薄弱環(huán)節(jié)，為大型振動(dòng)篩優(yōu)化設(shè)計(jì)提供合理依據(jù)。

ANSYS軟件；大型振動(dòng)篩；有限元力學(xué)模型；諧響應(yīng)分析；模態(tài)分析

為了滿足大型和特大型選煤廠建設(shè)需求，近年來振動(dòng)篩產(chǎn)品的規(guī)格正逐漸向大型化和超大型化發(fā)展。國外大型振動(dòng)篩設(shè)計(jì)和制造技術(shù)比較先進(jìn)，生產(chǎn)出的大型篩分機(jī)械性能優(yōu)良，無故障運(yùn)行時(shí)間一般在3 000 h以上。我國振動(dòng)篩的發(fā)展經(jīng)歷了從單純模仿到自主開發(fā)的過程，但至今大型振動(dòng)篩的 可靠性問題依然困擾著礦產(chǎn)加工業(yè)，篩機(jī)使用壽命低、無故障運(yùn)行時(shí)間短的問題尚未得到根本性解決。為了給大型振動(dòng)篩的國產(chǎn)化提供可靠的理論依據(jù)，研究借助于先進(jìn)的有限元分析軟件ANSYS，對(duì)大型直線振動(dòng)篩ZK36525篩體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析。

1 篩體有限元模型建立

1.1 材料特性

本次研究的大型直線振動(dòng)篩ZK36525采用Q345C組焊，其材料具體性能如表1所示。

表1 材料性能

1.2 力學(xué)模型簡化

當(dāng)分析一個(gè)振動(dòng)機(jī)體的特性時(shí)，首先要建立它的力學(xué)模型，以代表這個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性以及外部激振情況。為了便于分析計(jì)算，需要對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)作一些簡化，建立的力學(xué)模型(圖1)，具體如下：

(1)質(zhì)量集中。實(shí)際的振動(dòng)機(jī)體構(gòu)造是分散的，在建立其參數(shù)模型時(shí)，需要適當(dāng)?shù)募?，如質(zhì)量大的，彈性小的簡化為不計(jì)彈性的集中質(zhì)量。

(2)偏心塊的處理。偏心塊自身受力情況不是研究所關(guān)注的重點(diǎn)，但由于其質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力是大型振動(dòng)篩工作過程中承受的主要?jiǎng)虞d荷，因此將其簡化為與偏心塊具有相同質(zhì)量特性的點(diǎn)質(zhì)量單元。

(3)阻尼集中。振動(dòng)過程中的阻尼多種多樣：彈簧的內(nèi)阻、外阻、篩箱運(yùn)動(dòng)中的摩擦、沖擊等等全部簡化為等效線性阻尼。

圖1 振動(dòng)篩力學(xué)模型

1.3 單元質(zhì)量、類型及網(wǎng)格劃分

單元類型及網(wǎng)格劃分質(zhì)量對(duì)仿真結(jié)果的精度有重要影響。在本力學(xué)模型建立的過程中，為了能夠真實(shí)模擬篩幫、橫梁、彈簧等參振構(gòu)件，采用了SHELL63、PLANE82、BEAM188、PIPE16、SOLID185等多種單元類型。在單元網(wǎng)格劃分過程中，除少數(shù)遠(yuǎn)離高應(yīng)力區(qū)的單元外，其他單元均滿足表2中所列要求。

表2 單元質(zhì)量要求

選擇好單元類型，設(shè)置好單元尺寸，使用Mesh Tool劃分網(wǎng)格，并檢查已劃分網(wǎng)格是否滿足質(zhì)量要求，不滿足的需手工調(diào)整、局部劃分，使單元滿足質(zhì)量要求。已劃分好的有限元模型如圖2所示。

圖2 振動(dòng)篩有限元力學(xué)模型

1.4 邊界條件及載荷

橡膠彈簧上端面節(jié)點(diǎn)與支撐頭節(jié)點(diǎn)自由度耦合模擬彈簧壓蓋與彈簧的連接，彈簧下端面自由度固定，如圖3所示。

圖3 橡膠彈簧約束示意圖

大型振動(dòng)篩激振力加載首先要選定分析類型為諧響應(yīng)分析，然后在篩幫激振孔中心處施加幅值為200 kN的簡諧載荷，方向垂直激振孔中心點(diǎn)連接線，頻率為16 Hz(轉(zhuǎn)速為960 r/min)。簡諧載荷如圖4所示。

圖4 簡諧載荷施加示意圖

2 有限元結(jié)果分析

2.1 諧響應(yīng)分析

結(jié)合整篩應(yīng)力分布云圖(圖5—8)可知，該振動(dòng)篩在交變載荷作用下工作，振動(dòng)篩各組成構(gòu)件應(yīng)力分布比較均勻，其最大應(yīng)力出現(xiàn)在支撐頭位置橫梁與篩幫連接處，最大應(yīng)力值為109 MPa，安全系數(shù)達(dá)到3.2，整篩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全可靠。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際使用情況認(rèn)為，該分析結(jié)果是正確可信的。

圖5 整篩X方向應(yīng)力云圖

圖6 整篩Y方向應(yīng)力云圖

圖7 整篩Z方向應(yīng)力云圖

2.2 模態(tài)分析

大型振動(dòng)篩是具有成百上千個(gè)自由度的大型系統(tǒng)，求解出全部固有頻率和振型向量是非常困難的。由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)過程中起主要作用的是低階模態(tài)，高階模態(tài)對(duì)響應(yīng)的貢獻(xiàn)很小，衰減很快，因此本研究只求解低階的前10階固有頻率，如表3所示。由表3可以看出，第6、7階固有頻率雖臨近激振載荷頻率16 Hz，但數(shù)值相差比較大，因此認(rèn)為該篩在工作載荷激勵(lì)下不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

圖8 整篩總應(yīng)力云圖

階數(shù)固有頻率/Hz階數(shù)固有頻率/Hz11.97613.5222.15719.2734.68821.3946.41924.81511.71028.34

但據(jù)該篩的振型圖(圖9—12)可以看出，當(dāng)激勵(lì)載荷頻率在第6、7階固有頻率附近時(shí)，振動(dòng)篩振型表現(xiàn)為篩幫的強(qiáng)烈彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，一旦主振型被激發(fā)出來，將嚴(yán)重影響整篩的使用壽命、工作的準(zhǔn)確性和安全可靠性，因此要避免工作環(huán)境周圍有激發(fā)主模態(tài)的變載荷，以保證整篩作業(yè)的安全可靠性。

圖9 第6階固有頻率篩幫振型圖

3 結(jié)論

通過運(yùn)用大型有限元分析軟件對(duì)大型直線振動(dòng)篩進(jìn)行整體力學(xué)模型建立，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算與動(dòng)力學(xué)分析，可得出以下結(jié)論：

圖10 第7階固有頻率篩幫振型圖

圖11 第6階固有頻率整篩振型圖

圖12 第7階固有頻率整篩振型圖

(1)該大型直線振動(dòng)篩各組成構(gòu)件設(shè)計(jì)合理，應(yīng)力分布均勻，整篩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全可靠。

(2)計(jì)算出整篩以及主要參振構(gòu)件的低階固有頻率及模態(tài)陣型圖，理論上檢驗(yàn)篩子結(jié)構(gòu)的合理性，找出了薄弱環(huán)節(jié)，為進(jìn)一步改進(jìn)提供理論依據(jù)。

(3)目前大型振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)均是以常規(guī)的設(shè)計(jì)校核和類比設(shè)計(jì)方法為主，合理應(yīng)用大型有限元分析軟件可以縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率及可靠性，避免了盲目生產(chǎn)和制造、人力資源浪費(fèi)和財(cái)力損失。

[1] 張永昌.ANSYS有限元分析理論基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[2] 郭乙木.有限元法與ANSYS 軟件的工程應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[3] 王兆申.基于有限元法的振動(dòng)篩模態(tài)特性分析[J].煤礦機(jī)械,2007(9):68-69.

[4] 李萬升,吳大泉.ZKB-1236型直線振動(dòng)篩改造[J].煤質(zhì)技術(shù),2004(6):15-16.

[5] 薛 瓏.振動(dòng)篩工作可靠性分析[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù),2007(1):28-29.

[6] 張朝暉.ANSYS工程應(yīng)用范例入門與提高[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[7] 聞邦椿.振動(dòng)機(jī)械的理論與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[8] 李瑞春.振動(dòng)篩支撐橫梁破斷分析及結(jié)構(gòu)改造[J].煤礦機(jī)械,2004(3):103-104.

[9] 朱維兵.基于有限元法和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的振動(dòng)篩動(dòng)力學(xué)參數(shù)研究[J].礦山機(jī)械,2007(1):63-64.

[10] 沈積雄.單軸振動(dòng)篩建模與仿真[J].山西焦煤科技,2007(11):15-17.

[11] 張 楠,侯曉林,聞邦椿. 四電機(jī)驅(qū)動(dòng)自同步振動(dòng)篩同步穩(wěn)定性判據(jù) [J].煤礦機(jī)械,2008(19):12-14.

Research on structural strengthen of large-scale vibrating screen based on ANSYS

WEI Liang1,2

(1. Tangshan Branch of Tiandi Science and Technology Co., Ltd., Tangshan, Hebei 063012, China;2. Coal Preparation Engineering &Technology Research Center of Hebei Province Tangshan, Hebei 063012, China)

On the basis of structural features and operating conditions of large-scale vibrating screen, three-dimensional finite element mechanical model was established by ANSYS, and then its harmonic response and modal analysis are made to find weakness, which can be a reasonable reference for optimal design of large-scale vibrating screen.

ANSYS；large-scale vibrating screen；finite element mechanical model；harmonic response analysis；modal analysis

TD456

A

1001-3571(2015)04-0019-04

2015-06-19

10.16447/j.cnki.cpt.2015.04.005

魏 亮(1981—)，吉林省四平市人，助理研究員，工學(xué)碩士，主要從事選煤廠設(shè)計(jì)與選煤裝備研發(fā)工作。

E-mail：weiliang0829@163.com Tel：0315-7759415 15230512755