基于有限元的香蕉型振動篩動態(tài)特性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

高福明

摘要：振動篩在長期連續(xù)工作下承受著來自物料的交變載荷的作用，為了避免香蕉型振動篩主要結(jié)構(gòu)零部件的疲勞、斷裂等損傷失效，提高香蕉型振動篩的使用壽命，必須保證設(shè)計(jì)研制的香蕉型振動篩滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度和剛度需求。本文針對江蘇振強(qiáng)機(jī)械科技股份有限公司提出的ZD系列大型香蕉型振動篩使用需求作為工程研究背景，對企業(yè)所提出的特定工況條件對大型香蕉型振動篩的參數(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，尤其是對安裝激振器的主梁部分進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證了香蕉型振動篩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，避免了激振器主梁出現(xiàn)斷裂等現(xiàn)象，有效延長了振動篩的使用壽命。

關(guān)鍵詞：香蕉型振動篩;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);有限元;ANSYS;動態(tài)分析

1? 振動篩的組成、工作原理及特點(diǎn)

1.1 振動篩的組成

主要的結(jié)構(gòu)元件都有：激振器、工作篩箱、傳動裝置、減振裝置（彈性元件）和底座等，主要承載部件是由側(cè)板、激振器大梁、底梁、篩板、加強(qiáng)筋等組成的篩箱。

1.2 振動篩的工作原理及特點(diǎn)

振動篩主要是利用激振器所產(chǎn)生的復(fù)旋型振動而工作的。根據(jù)振動篩的結(jié)構(gòu)分析可知，其工作時(shí)，兩個(gè)驅(qū)動電機(jī)反向同步轉(zhuǎn)動在激振器上施加兩個(gè)反向的激振力，篩網(wǎng)在振動篩篩箱的作用下做縱向運(yùn)動，在激振力的作用下篩面上的物料沿拋射角做周期性拋射，從而物料被分離以完成篩分作業(yè)。

2? 香蕉型振動篩結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)與有限元模型

香蕉型振動篩是一種結(jié)構(gòu)體積龐大的大型礦用篩分機(jī)械設(shè)備，為避免在生產(chǎn)中出現(xiàn)橫梁斷裂、側(cè)板開裂的現(xiàn)象，基于Creo和ANSYS/Workbench軟件對香蕉型振動篩建立了有限元模型，對其結(jié)果參數(shù)展開設(shè)計(jì)，同時(shí)也為后續(xù)進(jìn)行有限元分析計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

2.1 香蕉型振動篩的結(jié)構(gòu)原理與技術(shù)參數(shù)計(jì)算

2.1.1 香蕉型振動篩結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)分類香蕉型振動篩歸屬于直線型振動篩，是一種新型結(jié)構(gòu)的直線振動篩，其工作原理與直線振動篩的原理類似。香蕉型振動篩傳動裝置內(nèi)部的電動機(jī)，其驅(qū)動兩個(gè)振動器做反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，偏心塊在在X′方向上法向離心力相互抵消，在Y′方向上的振動分力相互疊加，導(dǎo)致篩箱可在平面內(nèi)做直線往復(fù)運(yùn)動。香蕉型振動篩為了使物料可以快速運(yùn)動與快速分層，采用等厚篩分原理，在入料口采用了大傾角的設(shè)計(jì)并分成不同的篩面隔段，以更利于物料的透篩。篩面物料的減少及篩面傾角的減小導(dǎo)致物料的穿行速度降低，物料厚度保持一致使得其容易翻轉(zhuǎn)且容易松散，達(dá)到提高篩分效率及脫介效率的目的。

香蕉型直線振動篩相比較其它篩型振動篩而言，在篩分細(xì)小顆粒物料時(shí)具有非常好的優(yōu)勢。香蕉篩也可替代常規(guī)的傾斜或水平篩，用于干濕式篩分，并且還具有處理更大篩選量的特點(diǎn)，且不需占用更多的面積，因此可以有效減少空間和降低成本，對于需要增加篩分量但又受到現(xiàn)場空間限制的選煤廠或選礦廠是很好的選擇。

2.1.2 香蕉型振動篩技術(shù)參數(shù)

振動篩的基本參數(shù)包括有：篩面規(guī)格、篩面面積、最大入粒粒度、篩面層數(shù)與段數(shù)、篩孔尺寸、篩面傾角、振動角、振幅、頻率以及生產(chǎn)能力等。而對于香蕉型振動篩的運(yùn)動學(xué)以及動力學(xué)參數(shù)包括有：彈簧剛度、振動篩質(zhì)量、激振力、振動強(qiáng)度等。

①篩面規(guī)格。選取香蕉型振動篩篩面的寬度是3600m，長度是6100m。

②篩面傾角。選取的篩面傾角分別為10°、16°、22°、28°、31°。

③振幅和頻率。振幅值選取9～10mm，頻率為13.8Hz。

④振動篩處理量。振動篩的處理能力指振動篩單位小時(shí)內(nèi)處理物料的噸數(shù)，一般振動篩的處理量衡量了其工作能力的大小，該型香蕉篩的篩孔直徑為50mm，查閱資料可知，所以振動篩的處理量大約在850～900t/h。

⑤彈簧剛度。香蕉篩的彈簧可起到隔振作用，彈簧剛度的選取須考慮的參數(shù)有振動篩的總體質(zhì)量、工作角頻率和振動篩頻率比等。鑒于香蕉篩的振動方向角為？琢=45°，折算到振動方向上隔振彈簧總剛度為。

⑥計(jì)算振動篩質(zhì)量。香蕉型振動篩的總質(zhì)量主要來源于兩部分：一是參與振動的振動篩各部件的質(zhì)量，可由三維軟件直接計(jì)算得到，約為14813kg;二是來源于參與振動的物料的質(zhì)量，得到的本文香蕉型振動篩總質(zhì)量大約為15920kg。

⑦計(jì)算激振力。其大小為。

2.2 有限元分析方法在香蕉型振動篩中的應(yīng)用

2.2.1 有限元分析法基本理論

有限單元法是建立在變分原理的基礎(chǔ)上，將工程結(jié)構(gòu)問題離散為由連續(xù)地連接各種單元組成的計(jì)算模型，求解分析單元元素的位移、應(yīng)變、應(yīng)力特性以及本身固有特性等。由于描述單元節(jié)點(diǎn)的屬性不同從而使得有限元法中分析的結(jié)構(gòu)已不再是原來的物體或結(jié)構(gòu)，因此有限元分析計(jì)算所得的結(jié)果是系統(tǒng)的近似數(shù)值模型。一般情況下，單元劃分越細(xì)小，那么描述實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的變形越精確，但會導(dǎo)致計(jì)算量大的問題。

2.2.2 有限元法求解香蕉型振動篩問題的步驟

有限元法求解香蕉型振動篩的結(jié)構(gòu)問題是對真實(shí)情況的數(shù)值近似模擬仿真，通過對分析對象模型劃分網(wǎng)格，求解有限個(gè)數(shù)值來近似模擬真實(shí)環(huán)境，有限元法分析處理香蕉型振動篩的結(jié)構(gòu)問題一般包含六個(gè)步驟。

①物體結(jié)構(gòu)離散化。首先需要將模型用合適的單元進(jìn)行離散，單元選取是否恰當(dāng)，單元類型應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)確定。

②確定位移模式。采用位移法將單元中的應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)以節(jié)點(diǎn)位移來表示，一般須要根據(jù)單元位移的分布選取適當(dāng)?shù)奈灰颇Ｊ絹肀平到y(tǒng)的位移場。較為簡便的方式是以多項(xiàng)式表示位移模式來進(jìn)行有限元計(jì)算，如，ai其中是待定系數(shù)，？漬i是近似的單元位移多項(xiàng)式函數(shù)。

③單元特性分析。根據(jù)單元的位移模式，結(jié)合單元的材料性質(zhì)、類型等利用變分原理求解出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移關(guān)系式，從而導(dǎo)出單元的應(yīng)力矩陣和剛度矩陣。

④集合單元特性。把連續(xù)體有限個(gè)單元的剛度矩陣和單元應(yīng)力矩陣通過結(jié)構(gòu)的力平衡條件和邊界條件進(jìn)行組合，集合形成一個(gè)整體的有限元方程組：[K]{？啄}={P}，其中，[K]是結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，{？啄}是節(jié)點(diǎn)位移矩陣，{P}是載荷矩陣。

⑤求解未知節(jié)點(diǎn)位移。根據(jù)上述有限元方程組[K]{？啄}={P}，求解出方程組中的節(jié)點(diǎn)位移{？啄}。

⑥計(jì)算單元應(yīng)力應(yīng)變。根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移可利用結(jié)構(gòu)力學(xué)相關(guān)方程進(jìn)一步求解單元的應(yīng)力應(yīng)變，用云圖或表格的形式輸出并查看最后結(jié)果。

3? 香蕉型振動篩有限元模型的建立

3.1 香蕉型振動篩模型的簡化處理

針對較為復(fù)雜的香蕉型振動篩實(shí)體模型，在進(jìn)行有限元分析時(shí)不可能完全按照實(shí)體模型進(jìn)行仿真分析，應(yīng)在保證合理誤差范圍的前提下，忽略振動篩結(jié)構(gòu)工藝上的一些不重要的特征，將振動篩模型實(shí)施簡化，生成適合有限元分析的振動篩簡化模型。根據(jù)文獻(xiàn)對于振動篩有限元模型建立需考慮的因素，如是否需要建立二次隔振系統(tǒng)、是否需對模型進(jìn)行對稱處理、應(yīng)區(qū)分承載結(jié)構(gòu)件與工藝件等，本文在建立該系列香蕉型振動篩有限元模型時(shí)，忽略了諸如安裝支架的角鋼、篩面等非承載結(jié)構(gòu)件，忽略了篩箱本體的定位孔以及安裝孔，將篩箱本體中圓弧過渡簡化為直角過渡，以提高模型計(jì)算效率。最終在Creo軟件中建立的香蕉型振動篩簡化模型。

3.2 香蕉型振動篩三維造型設(shè)計(jì)

三維造型設(shè)計(jì)是在平面設(shè)計(jì)和二維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型設(shè)計(jì)方法，三維設(shè)計(jì)的實(shí)施是虛擬化、數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺的前提，可以讓設(shè)計(jì)目標(biāo)更加立體更加形象，本文對于香蕉型振動篩的三維造型采用Creo軟件，通過對香蕉型振動篩結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化造型，可以十分直觀方便的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的振動篩篩箱本體的三維實(shí)體造型。

由前面所述可知，香蕉型振動篩篩箱本體大致可以分為激振器主梁、側(cè)板、橫梁、加強(qiáng)筋、彈簧支架等構(gòu)成。首先在Creo軟件的統(tǒng)一坐標(biāo)系下對各個(gè)部件進(jìn)行三維造型，然后將各個(gè)部件使用裝配操作逐一組建在一起，最終形成香蕉型振動篩篩箱本體。

3.2.1 香蕉型振動篩激振器主梁結(jié)構(gòu)的三維造型

香蕉型振動篩的激振器主梁是最容易失效的部位，主梁結(jié)構(gòu)分為主梁隔板以及中間的圓形鋼管，對主梁隔板進(jìn)行三維造型時(shí)只需對其中一個(gè)隔板進(jìn)行草繪，其厚度為30mm，通過陣列操作可生成三個(gè)隔板實(shí)體，對中間的圓形鋼管進(jìn)行三維造型時(shí)需結(jié)合激振器的型號合理草繪鋼管的尺寸，可利用拉伸或旋轉(zhuǎn)操作得到實(shí)體特征，最終形成的激振器主梁三維實(shí)體結(jié)構(gòu)。

3.2.2 香蕉型振動篩側(cè)板結(jié)構(gòu)的三維造型

香蕉型振動篩的側(cè)板結(jié)構(gòu)較為簡單，但側(cè)板部位有加強(qiáng)筋以及焊接生成的彈簧支架，增加了三維造型的難度。具體的操作主要是利用草繪操作生成側(cè)板的輪廓，并在側(cè)板表面“生長”出加強(qiáng)筋，之后再利用對稱特征生成另一個(gè)側(cè)板，而對于四個(gè)彈簧支架可以在裝配操作時(shí)一并裝配生成。

3.2.3 香蕉型振動篩橫梁結(jié)構(gòu)的三維造型

由前所述，香蕉型振動篩的橫梁主要分為上支撐橫梁和下支撐橫梁，均通過法蘭盤由螺栓連接在側(cè)板，為簡化模型方便后續(xù)有限元分析，在三維造型時(shí)忽略法蘭盤和螺栓結(jié)構(gòu)，以及篩網(wǎng)和篩板結(jié)構(gòu)。在草繪橫梁截面時(shí)，應(yīng)結(jié)合橫梁的端面形狀尺寸，并根據(jù)香蕉型振動篩的五段不同層次的傾角依次排列，再進(jìn)行拉伸特征即可得到相對應(yīng)的橫梁結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過上述操作過程建立好各自的三維造型后，在Creo軟件里新建一個(gè)裝配圖，將建好的激振器主梁、側(cè)板、橫梁等部件分別導(dǎo)入，并根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸要求裝配在一起，再將香蕉型振動篩剩余部件（如入料板、彈簧支架等）利用拉伸特征裝配在整體結(jié)構(gòu)上，最終形成香蕉型振動篩三維結(jié)構(gòu)模型。

3.3 香蕉型振動篩有限元模型

將上述香蕉型振動篩的簡化裝配模型在Creo軟件中保存并輸出為igs格式文件，由于igs格式是根據(jù)IGES標(biāo)準(zhǔn)生成的文件，可用于不同三維軟件系統(tǒng)的文件轉(zhuǎn)換以及有限元軟件的模型輸入，導(dǎo)入ANSYS/Workbench軟件后生成的模型。

ANSYS/Workbench的網(wǎng)格劃分功能實(shí)用方便，且智能化程度非常高。針對香蕉型振動篩進(jìn)行有限元模型的重建過程，網(wǎng)格的關(guān)聯(lián)性設(shè)置為100（最高質(zhì)量），“Use Advanced Size Function”項(xiàng)設(shè)置為On Curvature，“Relevance Center”項(xiàng)設(shè)置為Fine，采用四面體單元劃分，其他保持默認(rèn)，軟件會根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何尺寸自動采用不同的單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

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