帮箱体结构大型振动筛的动态分析

摘要:针对传统大型振动筛在结构上存在的不足，发明了一种帮箱体结构大型振动筛。在此背景下，建立振动筛的三维模型，利用ANSYS Workbench软件对筛箱进行动力学分析，获得各阶固有频率及应力分布云图，并与传统大型振动筛进行对比分析，为大型振动筛的设计和改进提供了可靠的依据。

关键词:大型振动筛；帮箱体结构；动力学分析；应力分布

中图法分类号  TD403；   文献标志码  A

Dynamic Analysis of the Large Vibrating Screen with the Box Body Side-walls

ZOU Meng-qi

Abstract: Aimed at the shortcomings of the traditional large-scale vibrating screen, a large vibrating screen with the Box Body Side-walls was invented. In this context, the three-dimensional model of vibrating screen was established and the dynamic analysis of the screen box was carried out by using ANSYS Workbench software. The natural frequency and stress distribution were obtained and compared with traditional large-scale vibrating sieve. Has provided a reliable basis for the design and improvement of the large vibrating screen.

Key words:the large vibrating screen    box body side-walls    dynamic analysis    stress distribution

近年来，随着国民经济的快速增长和技术的进步，冶金、煤炭、矿山、建材、水电等行业迫切需要处理量大的振动筛进行高效地筛分、脱水、脱介作业。在煤炭行业，采煤机械化程度不断的提高和国民经济的发展对煤炭的需求越来越大，使得煤炭产量日益增加，这对筛分机械处理能力的要求也越来越高。因此，研究和制造大型振动筛就成为一项重要的课题^[2]。

为了适应时代的发展和满足煤炭行业生产的需求，发明了一种无加强梁的帮箱体结构振动筛。由于采用了帮箱体结构，无需加强梁，使得大型振动筛整体结构的重心降低，参振质量减轻，结构刚度增强。与已有的同类型振动筛相比，其重量减轻40%，振动筛高度尺寸降低300～500mm,侧帮抗弯能力强，变形小，纵向、横向抵抗载荷的能力强，整机综合机械性能可靠，具有广泛的实用性^[3]。

1帮箱体振动筛结构及工作原理

帮箱体结构大型振动筛主要由筛箱、减振弹簧、承重梁、支撑座、电机梁等部件组成，其结构如图1所示。其中振动筛筛箱的侧板为盒式结构帮箱体，盒式结构帮箱体由两块侧板、连接两块侧板的左右两块端板、上顶连接板和下底连接板组合而成，两块侧板的夹层内设计有多个定位连接柱，定位连接的数量根据盒式结构帮箱体不同部位的高矮增加或减少^[3]。

图1 大型振动筛的结构图

 

图2盒式结构帮箱体

1.筛箱 2.电机梁 3.承重梁 4.支撑座 5.减振弹簧 6.侧板7.上顶连接板 8.定位连接柱 9.下底连接板

振动筛的工作原理如图3 所示，利用同步异向旋转的双不平衡激振器激振，激振器两轴上偏心轮的偏心质量和偏心距均相等，两个激振器轴心的连线的垂直线与水平方向成45°夹角，分别由两台同步电机驱动匀速转动，旋转方向相反，起始相位相同，转速相同，这样，在每一瞬时偏心轮产生的离心惯性力，沿X方向的分力总是互相抵消，沿Y 方向的分力总是互相叠加，产生的激振力合力强迫筛体沿Y方向作近似直线的往复振动^[4]。

 

图3 振动筛工作原理^[5]

根据实际情况，查阅中华人民共和国机械行业标准“振动筛设计规范”，设计参数如表1所示。

表1 帮箱体结构振动筛运动参数

参振质量（kg）	激振力 （KN）	电机转速(r/min)	振动方向角(°)	筛箱振幅 (mm)
4200	142	720	45	6

2帮箱体振动筛的运动学仿真

运用Pro/E软件建立振动筛的三维模型，并导入ADAMS中对其进行仿真分析。在ADAMS中对振动筛支撑座施加3个方向上的弹簧-阻尼支撑，并根据设计参数设置弹簧刚度、阻尼系数及重力方向。弹簧刚度K=ω_g²M，式中取ω_g=1/3ω_j，ω_j为振动的圆频率^[6]。每个支撑装置处弹簧的刚度k=K/4=674N/mm，弹簧阻尼C取刚度值得1%。其它方向上弹簧刚度取竖直方向上刚度值的1/3，以模拟实体弹簧的横向刚度^[7]。

对电机梁施加正弦载荷：F=142000sin(76t)，取仿真时间为3秒，步长为0.03。得到如图4所示的位移-时间关系曲线。

   (a)x方向

  (b)y方向

图4 振动筛位移-时间关系曲线

从图4可以看出，在0~0.75s内，振动筛的运动比较剧烈，0.75s后开始趋于平稳。这是由于电机启动时激振力瞬间施加在筛体上，减振弹簧产生较大的变形造成的。在稳定运行时，振动筛在x方向上的振幅为3.63mm,在y方向的振幅为3.87mm，合振幅为5.3mm，振动方向角为46.83°。运动学仿真结果与设计参数基本吻合。

3帮箱体振动筛的动力学分析

3.1动力学有限元分析基本理论

大型振动筛系统属于无限多自由度振动系统，通常采用简化的方法归结为有限个自由度模型来进行分析。有限自由度弹性系统运动方程应用动载荷虚功原理推导出其矩阵形式为^[8]：

 

式中，M，C，K分别为系统的质量矩阵、阻尼及刚度矩阵; x 及 F分别为系统各点的位移响应向量及激励力向量。

3.2振动筛筛箱有限元模型的建立

运用Pro/E软件建立振动筛筛箱的三维模型，适当简化后转存为stp格式，导入workbench中。由于不考虑振动电机本身的应力应变问题，可以将振动电机使用同质量的点质量单元代替，并布置在电机梁的相应位置，并将激振力等效为施加在电机安装面上的当量均布力。在减振弹簧支座的三个方向上施加弹簧—大地连接。网格划分前对模型进行预处理，采用自由划分法，并限制网格尺寸，以获得较好的网格划分质量。网格划分时全部划分为Solid187,Solid186实体单元，共有219246个单元和448246个节点。振动筛筛箱的有限元模型如图5所示。

 

图5振动筛筛箱的有限元模型

3.3模态分析

模态分析主要用来求解结构的固有频率和模态振型，从而使结构设计避免共振，并预测在不同载荷作用下的结构振动形式。结构的频率和振型可由动力学方程的特征方程(k-ω²M)∅=0得出，其中ω为固有频率，∅为对应的特征向量。

对帮箱体结构振动筛进行模态分析，得到振动筛筛箱前十阶固有频率和固有阵型。图6给出了筛箱的第六阶和第七阶固有阵型，表2给出了筛箱的前十阶模态固有频率和固有阵型。

  第六阶模态振型

第七阶模态振型

图6 振动筛筛箱阵型

表2前十阶固有频率和阵型特征

模态阶数	固有频率/Hz	阵型特征
1	1.7209	沿着Z轴方向刚体移动
2	1.733	沿着X轴方向刚体移动
3	2.3761	整体绕Y轴扭转
4	2.9897	沿着Y轴方向刚体移动
5	3.9755	整体绕X轴扭转
6	4.1907	整体绕Z轴扭转
7	14.594	承重梁绕Y轴扭转
8	16.722	承重梁绕X轴扭转
9	18.57	侧板的弯曲振动
10	28.645	侧板的扭转运动

从图6和表2中可以看出:

帮箱体结构振动筛筛箱的刚体振动频率小于4.1907Hz，筛箱结构变形的振动频率大于14.594Hz，而振动筛的工作频率是12Hz。工作频率与上下相邻的两阶固有频率间隔大小的控制是评价一台振动筛动态特性优劣及设计成败的关键因素之一。可以看出此振动筛的工作频率被很好地控制在第6阶和第7阶固有频率之间,工作频率与第6阶固有频率的频率裕度为65％，工作频率与第7阶固有频率的频率裕度为21.6％，因此不会产生共振现象。

3.4瞬态动力学分析

瞬态动力学分析是时域分析，亦称时间历程分析，是分析结构在承受随时间任意变化的载荷作用下，系统动力响应过程的技术。其目的是为了获取结构在该动态响应下的应力应变，以便找出结构上受力薄弱之处，检验设计的可靠性，也为以后优化做铺垫。

在模态分析的基础上，运用模态叠加法，对大型振动筛进行瞬态动力学分析。在workbench的Transient分析中对电机梁施加激振力，点击solve进行求解。计算完成后，采用Von Mises（最大等效应力）准则对筛箱进行评估，得到筛箱的动态应力分布图如图7所示。

 

图7帮箱体结构振动筛动态应力分布图

4 传统结构振动筛与帮箱体结构振动筛对比分析

若将帮箱体结构中的两块侧板之间的间隔变为零，则帮箱体结构振动筛变成有着相同质量的传统振动筛。其结构如图8所示。

 

 

图8传统振动筛结构图

对其进行模态分析，结果对比如表3所示。

表3两种振动筛前十阶固有频率对比(Hz)

阶次	1	2	3	4	5
帮箱体结构	1.7209	1.733	2.3761	2.9897	3.9755
传统结构	1.7308	1.750	2.3788	3.0184	3.8948
阶次	6	7	8	9	10
帮箱体结构	4.1907	14.594	16.722	18.57	28.645
传统结构	4.1495	12.170	14.642	16.35	22.540

由特征方程(k-ω²M)∅=0可以看出，由于两种结构振动筛的质量几乎相同，所以两种振动筛的前六阶刚体运动的固有频率几乎相同。从第7阶开始，帮箱体结构振动筛的固有频率大于传统结构振动筛的固有频率，且差距越来越明显，说明帮箱体结构增大了侧板的刚度，有利于承受外界载荷。并且传统结构振动筛的第7阶频率为12.17Hz，与工作频率12 Hz非常接近，容易发生共振。

由应力分布图图9可知，传统结构振动筛的电机梁和侧板支座处分布着21~25MPa的应力，而振动筛行业的许用应力值是24.5MPa^[7]。因此容易发生横梁断裂、侧板开裂等情况。

 

 

图9普通结构振动筛动态应力分布图

5结束语

（1）分析表明，帮箱体结构大型振动筛的固有频率远离工作频率，正常工作时不会产生共振造成结构损坏。

（2）振动筛侧板在采用盒式帮箱体结构后，无需加强梁，有效地提高了侧板的结构刚度，降低了振动筛的高度尺寸，减轻了振动筛的参振质量，具有广泛的实用性。

（3）关于帮箱体结构大型振动筛的研究还有很多工作有待于今后进一步开展和深入。例如，动应力的试验测试，以及做完模态分析之后，对有限元模型的长宽、厚度和重量、应力分布、许用应力等方面做进一步的优化，使模型各方面条件都达到最优。

参考文献：

[1] Sergio Baragetti. Innovative structural solution for heavy loaded vibrating screens [J].Minerals Engineering, 2015, 84:15~26.

[2]  贺孝梅,刘初升,张成勇.超静定网梁激振结构大型振动筛动态特性[J].煤炭学报,2008,33(9):1040~1044.

[3]  赵跃民,张成勇,陈增强.帮箱体结构大型振动筛[P].中国专利: 200820032120. X, 2009-01-14.

[4]  王永岩.邰英楼.大型直线振动筛动态仿真的研究[J].计算力学学报.2001,18(1)：94~98.

[5]  贺鑫.大型直线振动筛动态仿真的研究[D].青岛：青岛科技大学,2008.

[6]  张翠萍,魏少强,郭勤淘等.振动筛设计规范[M].北京:国家机械工业局,1999:1~28.

[7]  武继达,刘初升,赵跃民等.振动流化床结构动态分析[J].制造业自动化,2014,36(9):128~131.

 

 [8]  彭晨宇,苏荣华.大型振动筛动态有限元模型建立及精度分析[J].煤炭学报,2012,37(2):344~349.

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