糧油籽粒振動(dòng)清理篩結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性研究

王中營(yíng)，王鳳成，原富林，郭永剛，何常銀

(1.河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450007； 2.國(guó)家糧食加工裝備工程技術(shù)研究中心，河南 開(kāi)封 475200； 3.河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，鄭州 450007； 4.河南茂盛機(jī)械制造有限公司，河南 開(kāi)封 475200)

振動(dòng)清理篩是糧油加工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的清理設(shè)備之一，其作用是清除糧油籽粒中的大、中、小雜質(zhì)[1]，倘若配置吸風(fēng)分離系統(tǒng)還能清除糧油籽粒中的灰塵和輕雜。近年來(lái)，我國(guó)糧油加工企業(yè)逐漸向規(guī)?；⒓苫痛笮突姆较虬l(fā)展，對(duì)大型、高效、節(jié)能環(huán)保、高可靠性以及高穩(wěn)定性的振動(dòng)清理篩的需求日益強(qiáng)烈[2]。然而，振動(dòng)清理篩工作環(huán)境惡劣，受力狀況復(fù)雜，其主要零部件要長(zhǎng)期承受周期性交變載荷，導(dǎo)致篩箱側(cè)板、橫梁等零部件時(shí)常發(fā)生斷裂事故，嚴(yán)重影響振動(dòng)清理篩工作的可靠性和使用壽命[3-6]，給糧油加工企業(yè)帶來(lái)安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)眾多研究者對(duì)糧油籽粒振動(dòng)清理篩進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析和試驗(yàn)研究。余南輝[7]、高燕[8]、趙丹[9]等先后采用有限元法對(duì)不同型號(hào)的TQLZ型振動(dòng)清理篩的篩箱進(jìn)行了模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析，得到了不同結(jié)論。武文斌等[10]采用有限元法對(duì)TQLZ型振動(dòng)清理篩的篩箱進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力學(xué)分析，并采用動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x測(cè)量了篩體的機(jī)械強(qiáng)度，結(jié)果顯示最大應(yīng)力發(fā)生在篩體的支撐處。上述研究主要是針對(duì)篩箱進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析，實(shí)際上進(jìn)料箱和出料箱與篩箱是通過(guò)螺栓聯(lián)接的，進(jìn)料箱和出料箱作為振動(dòng)的一部分對(duì)篩箱振動(dòng)和剛度的影響是不可忽略的。然而，有關(guān)進(jìn)料箱、出料箱和篩箱以及機(jī)架作為一個(gè)振動(dòng)整體的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究尚不多見(jiàn)。

本文以TQLZ100×200型振動(dòng)清理篩為研究對(duì)象，在建立振動(dòng)清理篩的三維實(shí)體簡(jiǎn)化模型后，采用有限元法對(duì)振動(dòng)清理篩整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，以尋求振動(dòng)清理篩整機(jī)結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型以及易斷裂部位，使振動(dòng)清理篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振和斷裂，為今后開(kāi)展動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 振動(dòng)清理篩的結(jié)構(gòu)與工作原理

糧油籽粒振動(dòng)清理篩的三維結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。如圖1所示，振動(dòng)清理篩主要由機(jī)架、篩箱、振動(dòng)電機(jī)、進(jìn)料箱、出料箱、篩格以及橡膠彈簧等部分組成。篩箱前、后端分別與進(jìn)料箱和出料箱連接，篩箱內(nèi)安裝有兩層抽屜式篩格，篩箱兩側(cè)中心圓盤(pán)電機(jī)座上安裝有2臺(tái)振動(dòng)電機(jī)，圓盤(pán)電機(jī)座與篩箱通過(guò)高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接。篩箱由4組橡膠彈簧支撐在機(jī)架上，橡膠彈簧存在較大阻尼，使振動(dòng)清理篩在啟動(dòng)或停機(jī)時(shí)能有效地抑制產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，降低篩箱共振振幅。

圖1 振動(dòng)清理篩的三維結(jié)構(gòu)

振動(dòng)清理篩工作時(shí)，2臺(tái)振動(dòng)電機(jī)以相同的角速度相向轉(zhuǎn)動(dòng)，振動(dòng)電機(jī)內(nèi)部偏心塊產(chǎn)生的離心慣性力沿篩體橫向方向上相互抵消，沿篩體縱向方向上相疊加，篩體在這一簡(jiǎn)諧力的作用下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。松開(kāi)圓盤(pán)電機(jī)座上的高強(qiáng)度螺栓，圓盤(pán)電機(jī)座可以繞其中心軸進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而改變雙振動(dòng)電機(jī)的激振力方向和振動(dòng)清理篩的振動(dòng)方向。通過(guò)調(diào)節(jié)振動(dòng)電機(jī)內(nèi)部一對(duì)偏重塊的重疊面積，可以改變雙振動(dòng)電機(jī)的激振力大小和振動(dòng)清理篩的振幅。

2 振動(dòng)清理篩有限元模型建立

2.1 簡(jiǎn)化模型建立

綜合考慮振動(dòng)清理篩的結(jié)構(gòu)形狀、邊界約束條件、載荷加載方式、計(jì)算時(shí)間成本及可行性等，在滿(mǎn)足工程精度的前提下，對(duì)振動(dòng)清理篩三維實(shí)體模型的一些特征進(jìn)行簡(jiǎn)化：振動(dòng)電機(jī)的整體剛度遠(yuǎn)大于篩箱外殼及橫梁的剛度，因此將振動(dòng)電機(jī)簡(jiǎn)化為剛性的實(shí)心變截面圓柱體，其質(zhì)量、安裝方式、外形結(jié)構(gòu)及尺寸與原型機(jī)一致；省略掉尺寸較小的倒角、圓角、螺栓、螺母、小孔等，并采用原實(shí)體材料進(jìn)行覆蓋。在SolidWorks軟件中建立振動(dòng)清理篩三維實(shí)體模型并導(dǎo)入ANSYS Workbench模態(tài)分析模塊中。

2.2 材料屬性

振動(dòng)清理篩采用2種材料，如表1所示，在模態(tài)分析模塊中根據(jù)此表格輸入材料庫(kù)。

表1 材料屬性

2.3 接觸面定義

振動(dòng)清理篩是由不同零部件裝配而成，在劃分有限元網(wǎng)格前需要明確各零部件之間的裝配關(guān)系，即各零部件接觸部位的作用方式，否則，機(jī)械結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)作中，各零部件之間的相互作用關(guān)系就會(huì)失效，在這種情況下做出的仿真分析，結(jié)果是沒(méi)有實(shí)際參考價(jià)值的。因此，在幾何結(jié)構(gòu)中將一起運(yùn)動(dòng)的零部件即篩箱、進(jìn)料箱、出料箱、圓盤(pán)電機(jī)座、振動(dòng)電機(jī)等各部件之間的接觸方式設(shè)置為粘貼，使其作為一個(gè)運(yùn)動(dòng)整體，同時(shí)將橡膠彈簧與機(jī)架和篩體的連接方式設(shè)置為綁定接觸。

2.4 有限元網(wǎng)格劃分

振動(dòng)清理篩有限元網(wǎng)格劃分采用軟件自動(dòng)網(wǎng)格劃分模式，根據(jù)部件的不同結(jié)構(gòu)和部件間的接觸面類(lèi)型會(huì)產(chǎn)生不同的單元類(lèi)型和不同的網(wǎng)格密度，劃分后見(jiàn)圖2。

圖2 振動(dòng)清理篩有限元模型

如圖2所示，振動(dòng)清理篩有限元模型生成的有限元單元73 365個(gè)，節(jié)點(diǎn)153 096個(gè)。

3 振動(dòng)清理篩模態(tài)分析

3.1 約束與載荷施加

模態(tài)分析時(shí)外界載荷無(wú)需加載，只需要將機(jī)架4個(gè)腳與地面設(shè)置為固定約束即可。

3.2 模態(tài)分析結(jié)果

由振動(dòng)力學(xué)理論可知，在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)過(guò)程中，高階的固有頻率和振型因阻尼而迅速衰減，較低階的固有頻率和振型起主導(dǎo)作用，隨機(jī)振動(dòng)90%的能量包含在前10階固有頻率中[2]，TQLZ100×200型振動(dòng)清理篩的工作頻率是16 Hz，屬于低階振動(dòng)，因此本文在對(duì)振動(dòng)清理篩進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，只需要提取前10階0～30 Hz的固有頻率和振型即可。表2為提取的振動(dòng)清理篩前10階的固有頻率和振型描述，圖3為振動(dòng)清理篩部分振型圖。振型圖反映了振動(dòng)清理篩振動(dòng)位移的相對(duì)變化規(guī)律，是位移比值，如果要求計(jì)算振動(dòng)清理篩在激振力作用下的真實(shí)位移、應(yīng)力和應(yīng)變，需要進(jìn)行諧響應(yīng)分析。

表2 振動(dòng)清理篩前10階模態(tài)

圖3 振動(dòng)清理篩部分振型圖

分析表2和圖3可以看出，前6階模態(tài)中振動(dòng)清理篩僅沿某個(gè)方向或繞某軸做剛體平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，第7～10階模態(tài)是橡膠彈簧在做振動(dòng)而篩體振型值幾乎為零，振動(dòng)清理篩的工作頻率16 Hz介于第6階和第7階模態(tài)之間。因此，振動(dòng)清理篩在穩(wěn)定工作狀態(tài)中不會(huì)產(chǎn)生共振，符合機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求。但是，振動(dòng)清理篩在啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)1～6階的固有頻率，如果篩體左、右或者前、后受力差別較大，篩體會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的剛性平動(dòng)或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，需要一段時(shí)間才能穩(wěn)定下來(lái)。因此，在振動(dòng)清理篩的設(shè)計(jì)時(shí)必須計(jì)算好篩體的中心位置，使橡膠彈簧的彈性系數(shù)接近，雙振動(dòng)電機(jī)的電氣參數(shù)和激振力大小盡量保持一致，這樣振動(dòng)清理篩在啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中經(jīng)過(guò)共振區(qū)的時(shí)間很短暫，振幅也很小，對(duì)振動(dòng)清理篩的結(jié)構(gòu)和振動(dòng)特性的影響甚微。

4 振動(dòng)清理篩諧響應(yīng)分析

4.1 約束與載荷施加

諧響應(yīng)分析過(guò)程與模態(tài)分析類(lèi)似，諧響應(yīng)分析中簡(jiǎn)諧載荷加載需要給定頻率、幅值以及相位角。參照文獻(xiàn)[11]給出的參數(shù)計(jì)算施加在篩體上的激振合力幅值為2.4×104N，設(shè)置圓盤(pán)電機(jī)座為載荷面，每個(gè)圓盤(pán)電機(jī)座施加1.2×104N載荷，振動(dòng)方向角為30°，激振力加載后的模型如圖4所示。

圖4 施加載荷后的諧響應(yīng)分析模型

4.2 諧響應(yīng)分析結(jié)果

采用完全法對(duì)諧響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，將簡(jiǎn)諧載荷頻率設(shè)定在0～30 Hz之間，分析振動(dòng)清理篩在該頻率段簡(jiǎn)諧力作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況。

圖5為振動(dòng)清理篩在16 Hz簡(jiǎn)諧激振力作用下穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的等效應(yīng)力云圖。

圖5 振動(dòng)篩等效應(yīng)力云圖

如圖5所示，最大等效應(yīng)力發(fā)生在橡膠彈簧與篩體之間支撐板加強(qiáng)筋處，結(jié)果與文獻(xiàn)[10]試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合。

圖6為振動(dòng)清理篩在16 Hz簡(jiǎn)諧激振力作用下的位移云圖。由圖6可以看出，整個(gè)篩體的振幅比較均勻，幅值為4.11 mm。在振動(dòng)清理篩側(cè)壁上取4個(gè)測(cè)量點(diǎn)，如圖7中所示的前端點(diǎn)、中上點(diǎn)、中下點(diǎn)和后端點(diǎn)，研究測(cè)量點(diǎn)沿y向和z向的位移-頻率響應(yīng)曲線。

圖6 振動(dòng)篩總體位移云圖

圖7 測(cè)量點(diǎn)取點(diǎn)位置

圖8為前端點(diǎn)的y向和z向位移-頻率響應(yīng)曲線。由圖8可以看出，在16 Hz時(shí)前端點(diǎn)y向和z向振幅均遠(yuǎn)離共振區(qū)域的振幅，其他點(diǎn)與該點(diǎn)擁有類(lèi)似的響應(yīng)曲線。

圖8 位移-頻率響應(yīng)曲線

表3為通過(guò)位移-頻率響應(yīng)曲線得到的各測(cè)量點(diǎn)位移。

表3 各測(cè)量點(diǎn)的振幅 mm

由表3可以看出，前端點(diǎn)位移略大于后端點(diǎn)，差別僅為2.9%，從工程角度上可以認(rèn)為振動(dòng)清理篩在做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，篩體上下擺動(dòng)幅度可忽略不計(jì)。

5 結(jié) 論

針對(duì)目前振動(dòng)清理篩結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究存在的問(wèn)題，采用有限元法對(duì)TQLZ100×200振動(dòng)清理篩整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真研究，得出如下結(jié)論：

(1)振動(dòng)清理篩前6階模態(tài)是沿某方向或繞某軸做剛體平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，第7～10階模態(tài)僅橡膠彈簧在做振動(dòng)，且篩體振動(dòng)型值幾乎為零，振動(dòng)清理篩工作頻率介于第6階和第7階固有頻率之間，振動(dòng)清理篩正常工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生共振。

(2)振動(dòng)清理篩在啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生短暫的共振，但由于時(shí)間短暫，對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)和振動(dòng)的影響可忽略不計(jì)。

(3)振動(dòng)清理篩在設(shè)計(jì)時(shí)必須準(zhǔn)確計(jì)算振動(dòng)電機(jī)的安裝位置，且使各組橡膠彈簧的彈性系數(shù)接近，雙振動(dòng)電機(jī)的電氣參數(shù)以及激振力大小盡量保持一致，這樣能有效地降低振動(dòng)清理篩在啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中經(jīng)過(guò)共振區(qū)的時(shí)間和振幅。

(4)振動(dòng)清理篩在工作頻率下正常運(yùn)行時(shí)最大等效應(yīng)力發(fā)生在橡膠彈簧與篩體之間支撐板加強(qiáng)筋處。

(5)振動(dòng)清理篩篩體整體振幅比較均勻，幅值為4.11 mm，篩體前端點(diǎn)振幅略大于后端點(diǎn)，差別僅為2.9%，從工程角度上可以認(rèn)為振動(dòng)清理篩在做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。