直線振動篩振動特性分析

本文作者：吳麗娟 李惠彬 (北京理工大學 機械與車輛工程學院)

摘 要: 采用軟件對某廠設計的型直線振動篩進行了模態分析和諧響應分析，計算出了該振動篩的前30階固有頻率，模態振型和工作頻率下的動應力響應，找出了振動篩在額定載荷作用下各部位的應力和變形的分布規律。利用計算結果對該振動篩的設計進行了局部修改。

1、引言

隨著煤炭深加工技術的推廣和應用，作為洗選煤的主要設備—振動篩正向著大型化、高速化發展，但大型振動篩價格昂貴，而且使用壽命較低。振動篩的損壞形式主要有下橫梁斷裂，兩側篩幫開裂，出料口橫梁及前幫開裂。工作過程中，振動篩承受激振器產生的激振力，物料在篩面上運動的作用力等。在這些力的作用下，振動篩各結構件的多階固有模態可能被激發出來，從而發生共振，導致振動篩的破壞。因此，在振動篩結構的設計和改進階段，應該對其模態有足夠的認識。為此，國內有許多同行采用工程分析軟件pro /E 或者1-DEAS對不同型號的振動篩進行動態分析或模態分析。本文運用有限元技術，采用工程分析軟件ANS YS對某廠設計的ZKZ21537 型直線振動篩進行了模態分析，了解該振動篩的模態振型，同時計算了振動篩的諧響應。振動篩結構的固有特性對動力響應有很大影響，動力響應是固有特性與激振力作用的綜合表現，進行動態分析可以了解在額定載荷下各部位的應力分布規律。

1、振動篩有限元模型的建立

ZKZ21537 型直線振動篩的整個篩箱由4個橡膠彈簧支撐，篩箱側板支撐方向加有縱向加強筋板，側板中部和安裝彈簧支撐座處的外側襯有加強板。兩側板與兩根聯軸節、8根上橫梁、6根下橫梁均通過焊接連接。激振橫梁兩端安裝有偏心塊激振裝置，通過電動機聯軸節和傳動齒輪帶動其上的8個偏心塊，從而驅動整個振動篩結構作直線強迫振動。

從有限元單元種類這一角度來看，篩箱是一個比較規則的空間板梁組合結構。為了在計算模態時不丟失模態，將篩箱整體劃分有限元網格，在不影響精度的條件下，對篩箱進行簡化計算模型如圖 1所示。

該模型分析采用了ANSYS中的板殼單元SHELL63、彈簧單元 COMBIN14和質量單元MASS21。側板、聯軸節、上下橫梁、內外襯板、篩箱側板支撐方向的縱向加強筋板、篩框、入料箱橫向加強筋、出料嘴和入料箱均按殼單元劃分；聯軸節中心處加質量單元；支撐彈簧按彈簧單元劃分。在該模型中，共有61892個節點，總質量約www.csir.com.cn。

質心坐標為XC=www.csir.com.cn m，

YC=www.csir.com.cn m，

ZC=www.csir.com.cn m 。

共有18488個SHLLE63單元,12個COMBIN單元,4個MASS21單元,其分析頻率范圍為2-8HZ,以評估該振動篩的設計合理性.

3、載荷工況和篩箱受力的簡化

在振動工作過程中，激振力主要是激振器偏心質量旋轉所產生的慣性力， 即慣性力起主導作用，阻尼力忽略不，因此在對篩箱進行強度分析時，篩箱所受載荷為激振力。

4、模態分析

該振動篩的有限元計算模型具有多階自由度，其無阻尼自由振動方程為

  5、振動篩模態振型及動力響應分析

從表1中可以看出振動篩第9階模態振型為側板的彎曲振動"其模態頻率為www.csir.com.cn,接近工作頻率16Hz容易發生共振。

振動篩在工作過程中，不僅承受較大的激振力，而且側板和上、下橫梁上還分布著很大的慣性力，使得側板和梁產生較大的動應力。通過有限元分析，可以得出任意時刻篩箱整體結構的響應，包括應力分布，變形情況等，據此可以判斷強度是否滿足條件，變形是否合乎要求。篩箱整體結構的動畫顯示可以再現整體結構隨時間變化的整個過程。

本文對ZKZ21537型直線振動篩進行了動態分析，求出了側板和梁上的動應力響應，進而找出了篩箱動應力的分布規律，其工作轉速是960r/min,振動加速度按5g計算。圖5即為該振動篩在工作頻率16Hz處的動應力分布云圖，從圖上可以看出，最大動應力發生在側板出料端與上橫梁的連接部位，其值為www.csir.com.cn，而其他部位的應力值都比較低，均小于許用應力24MPa，這說明在激振力的作用下，出料端上橫梁與篩箱側板的連接部位變形及應力值最大，表2列出了主要部位的最大應力值。   

為了避免發生共振以及由于應力值太大而造成破壞，可以在靠近出口端處再加一根上橫梁，這樣第9階模態頻率就變為www.csir.com.cn,離開工作頻率較遠，不會發生共振。應力集中的情況也得到了明顯的改善，改進后的應力分布情況見圖6，此時最大動應力www.csir.com.cn，小于許用應力24MPa。改進后的振動篩模態計算結果見表3。

5、結 論

 （1)、振動篩結構的模態分布主要為結構整體的剛體平動,俯仰振動,彎曲振動和扭轉振動.從低階模態振型來看,側板彎曲變形較大. 高階模態的頻率均較高,遠離工作頻率。在實際工作中不會引起共振。

（2）、振動篩第9階模態振型為側板的彎曲振動，其模態頻率為www.csir.com.cn，接近工作頻率16Hz，振動篩在工作過程中，篩箱側板與上橫梁的接觸部位存在四個應力集中區，其中最大動應力值達到了www.csir.com.cn。

（3）、為了避免在工作過程中發生破壞而造成嚴重后果，在靠近出口端處再加一根上橫梁，改進后最接近16Hz 的頻率為www.csir.com.cn，這樣就避免了共振的發生。同時應力集中的情況也會得到改善，最大動應力只有www.csir.com.cn，

其他各個部位動應力值也都比較低，小于許用應力24MPa，故篩箱側板滿足動強度要求。 

參考文獻

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