基于ANSYS的多層振動(dòng)篩中間橫梁改進(jìn)

高陽(yáng),劉云飛,蔣文志,武甜,李晨光

(長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安　710064)

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基于ANSYS的多層振動(dòng)篩中間橫梁改進(jìn)

高陽(yáng),劉云飛,蔣文志,武甜,李晨光

(長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064)

摘要：針對(duì)某廠家生產(chǎn)的瀝青攪拌設(shè)備多層振動(dòng)篩的中間橫梁易堵塞骨料導(dǎo)致清理困難的問題，提出截面形狀類似2個(gè)“J”形槽鋼焊接結(jié)構(gòu)的中間橫梁結(jié)構(gòu)，在ANSYS中對(duì)改進(jìn)后的幾種方案進(jìn)行仿真分析，選出最優(yōu)方案，并進(jìn)行理論計(jì)算。結(jié)果表明:該改進(jìn)方案能有效解決原中間橫梁骨料堵塞問題，并且最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，滿足使用要求。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)篩；中間橫梁；ANSYS；仿真分析；理論分析

振動(dòng)篩是一種分離不同粒徑物料的振動(dòng)篩分設(shè)備，振動(dòng)篩將提升機(jī)送來的骨料按照粒徑的不同進(jìn)行重新篩分，為攪拌設(shè)備拌合前的精確計(jì)量做準(zhǔn)備，以便拌合出合格級(jí)配的瀝青混合料。直線振動(dòng)篩具有穩(wěn)定可靠、消耗少、噪音低、壽命長(zhǎng)、振型穩(wěn)、篩分效率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種高效的篩分設(shè)備，廣泛應(yīng)用于礦山、煤炭、冶煉、建材、耐火材料、輕工、化工等行業(yè)。振動(dòng)篩篩箱主要由接料斗、側(cè)板、振源板、支撐橫梁、中間橫梁、預(yù)緊橫梁等組成，中間橫梁作為篩體的基本組成部分，在振動(dòng)篩的工作過程中起著連接前端篩網(wǎng)和后端篩網(wǎng)的作用，并且可以調(diào)整前后端篩網(wǎng)的不同傾角。中間橫梁的強(qiáng)度和設(shè)計(jì)如果不滿足要求，將影響篩網(wǎng)的正常篩分狀況，最終將影響整個(gè)振動(dòng)篩的正常運(yùn)行。因此，對(duì)振動(dòng)篩中間橫梁進(jìn)行研究具有十分重要的意義[1-3]。

在對(duì)某振動(dòng)篩測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)其中間橫梁凹陷處易塞滿骨料導(dǎo)致清理困難，進(jìn)而增大更換篩網(wǎng)的難度。本文對(duì)該瀝青攪拌設(shè)備振動(dòng)篩中間橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并且利用ANSYS軟件進(jìn)行仿真分析。

1仿真分析

振動(dòng)篩原中間橫梁結(jié)構(gòu)如圖1所示，由2塊彎板、中間筋板以及兩側(cè)端板焊接而成，材料為Q345。振動(dòng)篩原方案能夠滿足使用要求，但是在更換篩網(wǎng)時(shí)，由于中間橫梁凹陷處塞滿骨料導(dǎo)致清理困難，使篩網(wǎng)更換不便。為此，對(duì)中間橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的中間橫梁結(jié)構(gòu)如圖2所示，選取材料為Q345[4]。

以中間橫梁不同寬度l與厚度t的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出橫梁的參數(shù)與分析結(jié)果如表1所示。

表1　不同結(jié)構(gòu)的中間橫梁截面幾何參數(shù)及ANSYS分析結(jié)果

在拉網(wǎng)鉤處各施加預(yù)緊力F=96 kN，在ANSYS中進(jìn)行靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析[5-6]，可以查看中間橫梁在振動(dòng)篩未工作和工作時(shí)的內(nèi)部應(yīng)力分布情況。從表1中可以看出：l120t12(橫梁寬度為120 mm、板材厚度為12 mm)仿真分析的靜應(yīng)力和諧響應(yīng)應(yīng)力均小于橫梁材料Q345在150 ℃條件下的許用應(yīng)力170 MPa，建議選用l120t12結(jié)構(gòu)。

l120t12中間橫梁位移等值線和Von Mises等效應(yīng)力分布[7]如圖3～6所示(圖3、5中單位為mm；圖4、6中單位為MPa)。

圖3　靜力學(xué)位移等值線圖

圖4　靜力學(xué)等效應(yīng)力分布圖

圖5　動(dòng)力學(xué)位移等值線圖

圖6　動(dòng)力學(xué)等效應(yīng)力分布圖

2受力分析

振動(dòng)篩中間橫梁兩端與篩體側(cè)板鉚接，兩端既不能轉(zhuǎn)動(dòng)，也不能移動(dòng)，相當(dāng)于兩端均為固定端支座[8]。

圖7　中間橫梁受力分析

該靜不定梁的受力分析如圖7所示，橫梁兩端受到來自振動(dòng)篩側(cè)板的支反力偶MA、MB，水平支反力FAx、FBx和垂直支反力FAy、FBy作用，梁上受到來自篩網(wǎng)鉤的均布力q作用，梁的長(zhǎng)度為l。

由圖7可得：FAy+FBy=ql，考慮到結(jié)構(gòu)對(duì)稱性及中間梁實(shí)際受力情況[9]，有

由圖2所示，將上下2個(gè)篩網(wǎng)拉力F(分別與水平線的夾角為8°和11°)分解到垂直形心主軸1上得到力F1，分解到垂直形心主軸2上得到力F2，同時(shí)產(chǎn)生力矩M的作用[10]，即

式中：d1、d2為F到形心軸的距離。

即中間橫梁可以視為分別受到F1、F2和M的作用。

在F1作用下，以A點(diǎn)為原點(diǎn)，AB方向?yàn)閤軸正方向建立數(shù)軸(見圖2)可得

根據(jù)撓曲線近似微分方程

式中：ω為撓度；E為材料彈性模量;I為截面對(duì)中性軸的慣性矩。

可得各段轉(zhuǎn)角[11]

式中a為常數(shù)。

所以在力F1作用下，彎矩表達(dá)式為

將橫梁基本尺寸及篩網(wǎng)拉力F帶入以上計(jì)算結(jié)果可得F1作用下最大彎矩為2 175.6 N·m，同理可得F2作用下最大彎矩為5 580.13 N·m。最大扭矩為4 141.44 N·m，位于橫梁兩端。

彎曲正應(yīng)力計(jì)算公式為:

σ=My/I，

(1)

式中：M為彎矩，y為質(zhì)點(diǎn)到中性軸的距離。

根據(jù)式(1)可分別計(jì)算出σA=121.9 MPa，σB=51.43 MPa，σC=-121.9 MPa，σD=-51.43 MPa。

扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力計(jì)算公式[12]為:

τ=Tρ/IP,

(2)

式中：T為扭矩，ρ為質(zhì)點(diǎn)距軸線的距離，Ip為截面的極慣性矩。

根據(jù)式(2)可求出τA=21.184 MPa，τB=28.424 MPa，τC=21.184 MPa，τD=28.424 MPa。

按照第三強(qiáng)度理論，計(jì)算應(yīng)力

式中:σ為彎曲應(yīng)力，MPa；τ為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；α為折合系數(shù)，此處為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取α=0.6。

計(jì)算得到改進(jìn)后中間橫梁端部的計(jì)算應(yīng)力為：(σca)A=124.52 MPa，(σca)B=61.71 MPa，(σca)C=124.52 MPa，(σca)D=61.71 MPa。

理論計(jì)算的最大應(yīng)力與仿真結(jié)果基本吻合，比仿真結(jié)果(147 MPa)小15.3%，且均小于Q345的許用應(yīng)力170 MPa，滿足使用要求。

3端板與側(cè)板間摩擦力分析

圖8　中間橫梁端板的結(jié)構(gòu)圖

鉚接良好的端板和側(cè)板之間應(yīng)該有足夠的摩擦力,保證工作過程中兩者之間不得有滑移現(xiàn)象發(fā)生[13-15]。該橫梁在前半層與后半層篩網(wǎng)的拉力作用下，兩端產(chǎn)生逆時(shí)針最大扭矩為4 141.44 N·m，所以有必要對(duì)兩者的貼合情況進(jìn)行校核。中間橫梁端板的結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

振動(dòng)篩采用16 mm環(huán)槽鉚釘緊固，單個(gè)鉚釘?shù)你T接力為72 kN，鋼與鋼之間在無(wú)潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)μ取0.15，則保守計(jì)算中間橫梁上6個(gè)鉚釘產(chǎn)生的最大反力矩

Mmax=4 989.6 N·m>4 141.44 N·m。

每側(cè)端板通過6個(gè)鉚釘把中間橫梁鉚接在側(cè)板上的結(jié)構(gòu)滿足要求。

4結(jié)語(yǔ)

根據(jù)分析與計(jì)算，建議將原中間橫梁結(jié)構(gòu)改為類似兩個(gè)“J”型槽鋼焊接結(jié)構(gòu)，橫梁材料為Q345，取寬度l=120 mm、高度h=100 mm、板材厚度t=12 mm，其中焊接點(diǎn)焊縫設(shè)置于E、G點(diǎn)處；并嚴(yán)格要求加工工藝，焊前材料進(jìn)行預(yù)熱，焊后進(jìn)行去應(yīng)力回火，最后對(duì)法蘭兩側(cè)連接端面進(jìn)行機(jī)加工。改進(jìn)后的橫梁能有效解決原中間橫梁骨料堵塞問題，并且最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，滿足使用要求。

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(責(zé)任編輯：郭守真)

收稿日期：2016-03-04

作者簡(jiǎn)介：高陽(yáng)(1991—)，女，陜西渭南人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與優(yōu)化,E-mail: 1522578653@qq.com.

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2016.02.014

中圖分類號(hào)：U415.52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-0032(2016)02-0075-05

The Improvement of Middle Cross Beam of Multi-Layer Vibrating Screen Based on ANSYS

GAOYang，LIUYunfei，JIANGWenzhi，WUTian，LIChenguang

(KeyLaboratoryforHighwayConstructionTechnologyandEquipmentofMinistryofEducation,Chang′anUniversity,Xi′an710064,China)

Abstract:Aiming at the problem that it is difficult to clean up because of the aggregate blockage caused by the middle beam of the multi-layer vibrating screen of the asphalt mixture equipment made by a factory, this paper puts forward a new middle beam structure with the cross section similar to two J-type welted steel structures. Then it makes the simulation analyses of several improved plans in the ANASYS, selects the optimized one and also conducts the relevant theoretical calculation. The results show that the improved plan can effectively solve the problem of the aggregate blockage of the original middle beam, and the maximum stress is less than that of the allowable stress of material, which meets the requirements.

Key words:vibrating screen; middle cross beam; ANSYS; simulation analysis; theoretical analysis