振動(dòng)篩振動(dòng)與強(qiáng)度的思考

張曉旭+郭鑫迪

摘 要：振動(dòng)篩作為大型機(jī)械設(shè)備，廣泛應(yīng)用在礦山及治金企業(yè)中。但是振動(dòng)篩屬于往復(fù)振動(dòng)形式，進(jìn)而日常運(yùn)行振動(dòng)情況下，還會(huì)出現(xiàn)破壞振動(dòng)，振動(dòng)篩的面積越大，所造成的破壞面積就會(huì)越大，縮短振動(dòng)篩應(yīng)用壽命。因此，傳功靜態(tài)設(shè)計(jì)及類比手段已經(jīng)無(wú)法滿足礦山及治金企業(yè)對(duì)振動(dòng)篩的需求，所以，就必須對(duì)振動(dòng)篩動(dòng)態(tài)強(qiáng)度問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)處理，這也是本文想要解決的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)篩；動(dòng)態(tài)特性；模態(tài)分析；有限元分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.052

0 前言

伴隨著振動(dòng)篩功能越加齊全，人們對(duì)于振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越加關(guān)注?，F(xiàn)階段，為了能夠解決振動(dòng)篩振動(dòng)強(qiáng)度問(wèn)題，研究人員已經(jīng)從多個(gè)方面進(jìn)行了大量研究工作，基本上都是通過(guò)有限元軟件對(duì)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。但是由于振動(dòng)篩有限元數(shù)量較多，進(jìn)而整個(gè)研究成本及時(shí)間都較高。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法對(duì)振動(dòng)篩的振動(dòng)與強(qiáng)度進(jìn)行研究，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 香蕉篩實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

模態(tài)分析產(chǎn)生于上世紀(jì)30年代，是以導(dǎo)納及機(jī)械阻抗作為前提條件，經(jīng)過(guò)多代研究人員共同努力，現(xiàn)在已經(jīng)形成了相對(duì)完善理論方案。近幾年，模態(tài)分析理論還是和自動(dòng)控制、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等知識(shí)相結(jié)合，并且按照自身發(fā)展特征，構(gòu)建了全新理論體系，這也為模態(tài)分析奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)條件。

1.1 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的支撐方式

試驗(yàn)結(jié)構(gòu)主要由兩部分構(gòu)成，分別為原型及模型，對(duì)特殊結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析上主要應(yīng)用模型試驗(yàn)。模型試驗(yàn)在應(yīng)用振動(dòng)篩分析研究過(guò)程中，需要按照有關(guān)理論制造模型，在考慮幾何相似情況下，還需要考慮振動(dòng)篩動(dòng)力相似性。任何試驗(yàn)都需要考慮結(jié)構(gòu)邊界，即便物體結(jié)構(gòu)相同而邊界條件不同，結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)出來(lái)的特性就會(huì)存在差別。按照模型實(shí)際結(jié)構(gòu)情況，結(jié)構(gòu)邊界條件主要可以分為三種類型，分別為固定支撐、原裝支撐及自由支撐。一般情況下，試驗(yàn)主要選擇遠(yuǎn)程支撐方式，本文也就選擇原裝支撐的支撐方式。

1.2 激振器與激勵(lì)方式

振動(dòng)篩模態(tài)試驗(yàn)分析過(guò)程中，最為關(guān)鍵的一個(gè)步驟就是激勵(lì)系統(tǒng)配置及安裝。激勵(lì)系統(tǒng)是否選擇及安裝合作，對(duì)最終試驗(yàn)結(jié)果精度會(huì)造成直接影響。一般情況下，激勵(lì)裝置主要分別為兩種類型，分別為力錘錘擊法與激振器激勵(lì)。激振器體積較大，搬動(dòng)難度較高，但是力錘攜帶方便，并且可以激振起香蕉篩，進(jìn)而本文選擇力錘錘擊法。

按照模態(tài)試驗(yàn)理論，從激勵(lì)數(shù)量及區(qū)域來(lái)說(shuō)，激勵(lì)方式主要可以分為兩種類型，分別為單點(diǎn)激勵(lì)與多點(diǎn)激勵(lì)。單點(diǎn)激勵(lì)作為最常見(jiàn)的激勵(lì)方式，是一個(gè)點(diǎn)向一個(gè)方向所作出的激勵(lì)測(cè)試，并不需要其他坐標(biāo)方向作為保證。多點(diǎn)激勵(lì)表示同時(shí)向多個(gè)點(diǎn)施加激勵(lì)的方式。多點(diǎn)激勵(lì)在應(yīng)用過(guò)程中可以顯著增加激勵(lì)能量，但是整個(gè)激勵(lì)流程十分復(fù)雜，進(jìn)而小型試驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展多點(diǎn)激勵(lì)。按照現(xiàn)階段試驗(yàn)室硬件配備來(lái)說(shuō)，本文采取單點(diǎn)激勵(lì)方式。

1.3 激勵(lì)點(diǎn)及響應(yīng)點(diǎn)的布置

一般情況下，無(wú)法立即就在實(shí)驗(yàn)中找到最佳激勵(lì)點(diǎn)，進(jìn)而必須具有一定耐心。傳感器自身就具有質(zhì)量，進(jìn)而傳感器在與振動(dòng)篩相連接之后，振動(dòng)篩需要承受附加質(zhì)量，試驗(yàn)檢測(cè)精確度就會(huì)受到影響。按照試驗(yàn)理論分析可知，傳感器質(zhì)量在低于全部構(gòu)件十分之一情況下，可以暫時(shí)忽視傳感器的質(zhì)量。傳感器在實(shí)際安裝過(guò)程中需要特別注意：（1）合理選裝傳感器的安裝位置，保證振動(dòng)篩可以全面反應(yīng)所檢測(cè)到的響應(yīng)；（2）傳感器自身的質(zhì)量對(duì)振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)會(huì)造成一定影響，進(jìn)而需要盡可能減少傳感器附加質(zhì)量，進(jìn)而保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確性，具體實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)如圖1所示。

1.4 模態(tài)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

由于試驗(yàn)時(shí)間較為緊張，本次試驗(yàn)并未對(duì)香蕉篩進(jìn)行振型向量檢測(cè)，僅僅對(duì)香蕉篩頻的頻率、振型、質(zhì)量、剛度等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

為了能夠保證模態(tài)實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果精確性，筆者特意測(cè)試了一下響應(yīng)及錘擊狀態(tài)下香蕉篩情況。香蕉篩不管是在響應(yīng)還是在錘擊狀態(tài)下，都和香蕉篩實(shí)際運(yùn)行情況相吻合，進(jìn)而本次實(shí)驗(yàn)具有一定可操作性。

2 高頻脫水篩有限元分析

2.1 模態(tài)分析

2.1.1 正對(duì)稱約束時(shí)固有頻率及振型

為了能夠?qū)Ω哳l脫水篩正對(duì)稱約束固有頻率及振型深入了解，筆者對(duì)開(kāi)展了多次試驗(yàn)。在試驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn)，高頻脫水篩的正對(duì)稱約束時(shí)固有頻率及振型為107.58HZ，這也就表示高頻脫水篩額定頻率為24HZ，和運(yùn)行頻率之間相差將近4.4倍，進(jìn)而高頻脫水篩在運(yùn)行中不會(huì)出現(xiàn)共振問(wèn)題。

2.1.2 反對(duì)稱約束時(shí)的固有頻率和振型

在對(duì)高頻脫水篩前30個(gè)階段固有頻率及振型計(jì)算完畢之后，按照試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示可知，高頻脫水篩反對(duì)稱約束的固有頻率為28.48Hz。

2.2 靜力學(xué)分析

2.2.1 整體的位移及應(yīng)力

在經(jīng)過(guò)分析計(jì)算之后，對(duì)高頻脫水篩的等效位移分布情況有了初步了解，具體如圖2所示。由圖2顯示可知，高頻脫水篩所產(chǎn)生的最大應(yīng)力應(yīng)該位于螺栓上面，數(shù)值大約為35MPa。

2.2.2 靜力學(xué)結(jié)果分析

按照上述內(nèi)容顯示可知，高頻脫水篩所產(chǎn)生的最高應(yīng)力出現(xiàn)在主梁上面，應(yīng)力數(shù)值為36.4854MPa。脫水篩箱體主要材料為鍋爐鋼，但是主梁的主要材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼。脫水篩箱體在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)受到動(dòng)態(tài)載荷約束，進(jìn)而脫水篩所選擇的安全系數(shù)應(yīng)該為5。

3 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析也被稱之為時(shí)間歷程分析，主要了解結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間變化載荷所發(fā)生的變化。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析可以在瞬態(tài)載荷、靜載荷、簡(jiǎn)諧載荷等結(jié)構(gòu)之下，了解位移、應(yīng)力、應(yīng)變隨著時(shí)間推移所發(fā)生的變化。在瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析中，時(shí)間及載荷是其中主要影響因素，在慣性力及阻尼數(shù)值較小情況下，瞬態(tài)分析可以用靜力學(xué)分析所替代。

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析常見(jiàn)的方法有三種，分別為完全法、縮減法及模態(tài)疊加法。本文在對(duì)振動(dòng)篩瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析中，應(yīng)用模態(tài)疊加法分析。模態(tài)疊加法主要是借助模態(tài)所檢測(cè)到的振型，然后乘以因子，最終求得計(jì)算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)數(shù)值。振型疊加法在應(yīng)用過(guò)程中，主要分為兩個(gè)步驟，分別為計(jì)算固有頻率及動(dòng)力響應(yīng)。動(dòng)力響應(yīng)和低階模態(tài)之間有著一定關(guān)聯(lián)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)決定著低階模態(tài)頻率。所以，本文在分析研究過(guò)程中，僅僅考慮低階振型，通過(guò)振型截?cái)喾ǎ私饩仃囋诮財(cái)嘀笏霈F(xiàn)的變化。振型疊加法可以應(yīng)用微分方程計(jì)算，可以有效減少方程組數(shù)量，縮短結(jié)果計(jì)算時(shí)間。但是直接積分法在對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算中，整體計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，進(jìn)而本文直接應(yīng)用積分法計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，并且最終計(jì)算結(jié)果和微分方程組耦合，保證計(jì)算結(jié)果精確可靠，可以全面體現(xiàn)出振動(dòng)篩整體振動(dòng)實(shí)際情況，為瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析提供數(shù)據(jù)保證。

3.1 積分方法的選擇

結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)實(shí)際上受到較多因素影響，其中時(shí)間步長(zhǎng)就是主要影響因素。對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置過(guò)程中，需要從計(jì)算精確度角度分析，確定振動(dòng)篩最大時(shí)間步長(zhǎng)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)有關(guān)問(wèn)題分析研究中，主要應(yīng)用隱式算法分析，進(jìn)而對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)的要求僅僅體現(xiàn)在精度上面。本文在對(duì)振動(dòng)篩瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析研究中，積分方案沒(méi)有任何穩(wěn)定條件，進(jìn)而本文應(yīng)用隱式算法。

3.2 時(shí)間步長(zhǎng)的計(jì)算

時(shí)間步長(zhǎng)決定著瞬態(tài)分析計(jì)算結(jié)果的精確性，時(shí)間步長(zhǎng)差值越小，瞬態(tài)分析計(jì)算結(jié)構(gòu)精確度也就越高。但是時(shí)間步長(zhǎng)要是過(guò)大，模態(tài)響應(yīng)就會(huì)受到影響。所以，在對(duì)模態(tài)響應(yīng)計(jì)算過(guò)程中，在盡可能選擇較小的時(shí)間步長(zhǎng)情況下，還需要提升計(jì)算資源利用率。

可以將振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，看成是每一個(gè)階段模態(tài)響應(yīng)的結(jié)果。時(shí)間步長(zhǎng)數(shù)值應(yīng)該可以計(jì)算出振動(dòng)篩整體響應(yīng)最佳模態(tài)數(shù)值，應(yīng)用隱式算法確定積分方案時(shí)，最為理想精度級(jí)結(jié)果為時(shí)間步長(zhǎng)為最高頻率的倒數(shù)。

3.3 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)

高頻脫水篩瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果如圖3所示。

4 結(jié)論

本文對(duì)香蕉篩進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，對(duì)香蕉篩的固有頻率及模態(tài)質(zhì)量等數(shù)值有了初步了解，然后對(duì)高頻脫水篩進(jìn)行了有限元分析，初步了解高頻脫水篩運(yùn)行情況。除此之外，本文還對(duì)振動(dòng)篩的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析，最終得到了高頻脫水篩的時(shí)間位移曲線示意圖。

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