沥青搅拌设备振动筛筛体强度分析

孟彩茹，冯忠绪，李 磊，李学武

(长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安710064)

0 引言

对于沥青路面早期破坏问题，沙庆林院士等曾做过相关研究［1－2］，并提出拌合站生产不出符合要求的矿料级配是其根本原因之一，同一热料仓中矿料颗粒组成的变化太大，每一个热料仓中至少有一个筛孔尺寸的通过量的级差在10%以上，最大可达36.3%.究其原因，目前振动筛多是采用经验法进行设计，对于振动筛的箱体强度、振幅、频率等基本参数是否匹配，如何在保证箱体强度的条件下通过改变振动参数来提高筛分效率，这些都没进行过深入探讨［3］.针对此问题，笔者在对某振动筛的筛分效率和筛体应力进行试验分析的基础上，找出了造成筛分效率不高的主要原因是振幅较低，而提高振幅受限于振动筛筛体的强度与寿命，通过对增大振幅前后的筛体强度进行分析，验证通过增大振幅来提高筛分效率的办法是可行的.

另外，大型振动筛的关键问题之一是振动筛结构强度问题.振动筛强度的研究还处于起始阶段，仅仅对普通振动筛进行强度分析和结构改进，对于沥青搅拌设备振动筛的强度研究基本空白，笔者针对沥青搅拌设备振动筛的多层振动筛分效率、温热物料等特点进行了分析.

1 提高筛分效率

根据国家标准JBT 4042—2008《振动筛试验方法》对5SZD260型直线振动筛的筛分效率进行现场试验，此振动筛的基本参数见表1，通过现场采样并进行测试，试验数据及处理结果见表2.由以上试验数据可知，该振动筛筛分效率远达不到国家标准JTT 270—2002《强制间歇式沥青混合料搅拌设备》所规定的不低于85%的要求.

为寻找提高筛分效率的途径，在现场还同时进行了振动筛振动参数的测试.由测试数据可知，振幅的最大值为2.826 mm，最小为1.752 mm，小于设计的振幅值3 mm.因此，振动强度不够是造成该振动筛筛分效率低的主要原因，必须提高振幅.但提高振幅必会影响筛体强度［4］，故应对筛体进行强度分析.

表1 试验用振动筛基本参数Tab.1 Basic parameters of vibration screen for this Test

表2 筛分效率试验数据及处理结果Tab.2 The dates of this test and processing results

2 筛体强度分析

所采用的技术路线是：先在有限元软件ANSYS中进行仿真分析，得到应力最大点;选择十个应力较大点，通过粘贴应变片测量应力应变，来验证仿真模型是否正确;以此模型在ANSYS中进行静力分析，满足要求后再进行热力耦合分析和模态分析，来验证增大振幅后振动筛的强度和可靠性是否满足条件.

2.1 筛体强度的仿真

将振动筛在Pro-E中进行建模，建模完成后存为IGS格式后导入ANSYS中进行分析［5］，先对振动筛进行静力分析，振动筛侧板采用板壳单元，中间横梁采用梁单元，板与梁的连接设为刚性连接.将激振力加入模型中，同时加入4组弹簧单元.ANSYS中网格的划分及激振力的加载见图1(a)所示，在ANSYS中设定X向为沿振动筛长度方向，Y向为竖直方向，Z向为垂直于筛板方向.ANSYS静力仿真的应力分布图见图1(b)，振动筛Z方向上的应力见图1(c)所示.

由图1(b)可知，振动筛在连接振动梁的两侧板上受力集中，最大点为9.02 MPa，其他位置受力很均匀，没有突然变形，符合实际中振动筛的破坏位置.由图1(c)可知，振动筛Z方向上受力很小，大部分在 －1.9～1.2 MPa之间，所以实际测量中只需测X、Y两方向上的应力.

2.2 试验测试

通过应变仪来测得［6］.由于应变仪不便处理数据，在实际测量中，将应变仪与数据采集仪连接，这时的应变仪起增强信号的作用.数据采集仪灵敏度不高，如果信号不进行增强，数据采集仪将采集不到信号［7］.应变片贴片位置如图2所示，应变片采用双臂电桥补偿，在同一位置分别测量两个相互垂直的位置.试验振动筛处在空载常温状态下，试验现场见图3所示，得到振动筛各位置处应力大小和应力的仿真数据与测试数据的比较如表3所示.

图1 振动筛在ANSYS中的仿真Fig.1 Simulation of the vibration screen in ANSYS

图2 应变片布置图Fig.2 Arrangement of the strain gauge

实际测量的应力值比仿真值偏大，误差基本在20%以内，所以，ANSYS模型是基本符合实际情况的，可作为进一步分析的依据.同时发现，空载常温工作时筛体最大应力值11.24 MPa，筛体还可以承受更大的激振力.

图3 筛箱强度试验现场Fig.3 The test scene about screen box strength

表3 应力的仿真数据与测试数据及其比较Tab.3 Theoretical stress data with their test data and the comparison theirs

2.3 仿真分析

2.3.1 筛体静力强度分析

增加振幅就是提高激振力.在ADAMS中对振幅进行仿真，并找出激振力与振幅的关系，当激振力增加到1.6倍时振幅为3.99 mm，2倍时振幅4.72 mm.振幅增大后，在ANSYS中重新对振动筛进行筛体强度的分析，看是否大于振动筛的筛体许用应力，图1(d)为激振力增大到2倍时振动筛的总应力情况.由图1(d)可知，振动筛最大应力点的值51.8 MPa，仍然小于许用应力值，因此，振动筛的静力强度满足要求.

2.3.2 筛体热力耦合分析

由于在沥青搅拌设备中，振动筛的筛分物料是从干燥滚筒出来的热物料，温度对筛体应力应变有很大的影响［8］，故在ANSYS中应进行热应力分析.记下静强度分析中X向、Y向最大应变值，将几个最大应变值分别加载到热力耦合的单元中进行热力分析［9］.沿侧板长度方向在侧板上取0.8 mm的单元，侧板厚度为8 mm，故在 ANSYS中为一长方形面，设箱侧板内温度为160℃，箱外温度为25℃.采用间接法来计算热应力，对单元的节点进行热力耦合，将上面测得的最大应变值和温度场都加载到单元上，得到单元热应力变化情况，见图4(a)所示.

由图4(a)中热力分析可知，与普通振动筛相比，温度对沥青混合料筛体的强度是有很大影响的，应变呈层状分布，最大应力变为83.2 MPa，最大应力点为筛箱内侧的位置.将激振力增大到2倍时振动筛的总应变点的应变值记录下来，同样加载到模型上，加载结果见图4(b)所示，得最大的应力值为108 MPa，最大应力点位置不变.

由以上分析表明，温度场对振动筛筛体强度有很大的影响，振幅在4.72 mm时应力为108 MPa，还是满足许用应力要求的.

2.3.3 筛体模态分析

系统的固有特征一般用模态参数来表征［10］，故在ANSYS中对振动筛进行模态分析，得到1 Hz以上的前10阶频率如表4所示.由振动筛振动参数的测试得到振动筛的实际工作频率为19.5 Hz.由表4可看出，第8阶的17.63 Hz和第9阶的22.37 Hz都与工作频率19.5 Hz相差较大，不会产生共振现象，振动筛工作满足要求.

图4 筛体单元在ANSYS中的热应力模拟Fig.4 Thermal stress simulation of the screen unit in ANSYS

表4 振动筛10阶频率表Tab.4 10-order frequency table of vibration screen

从振动筛的模态分析可知，振动筛工作频率与固有频率不重合，观察其振型应力变化图可得，十阶振型中都没发生严重的变形.通过以上对振动筛的静力分析、热力耦合分析和模态分析可知，增大振幅后振动筛筛体强度满足要求.

3 试验验证

将此振动筛按照以上分析进行改进，激振力提高到原来的1.6倍，测得振幅最大值为4.596 mm，最小值为 3.464 mm，振幅有效值为 4.020 mm.对此时的振动筛再进行筛分效率试验，测得结果见表5所示.每层的筛分效率均能达到国家标准JTT 270—2002《强制间歇式沥青混合料搅拌设备》所规定的筛分效率.表2与表5比较可得，增加激振力，提高振幅，可有效提高筛分效率.

4 结论

(1)通过筛分效率试验，发现试验振动筛筛分效率低于国家标准，必须增大筛体的振幅.

表5 1.6倍激振力时各层筛分效率Tab.5 The screening efficiency in 1.6 times excitation force

(2)通过筛体的强度试验与分析可知，振动筛静力最大值集中在连接振动梁的两侧板上，其他位置受力很均匀，应力的分布是左右对称的，振动筛静力强度有足够的裕度.

(3)筛体的热力耦合分析可知，振动筛筛体在高温工作时应力值增加较多，在受热状态下筛体的强度也满足要求.

(4)仿真分析和实践证明，将振动筛激振力提高到原来的1.6倍，筛体名义振幅增大到4.02 mm，这时筛分效率能够达到国家标准的要求，筛体强度仍然足够.同时，提高振动筛幅值能有效的提高振动筛的筛分效率.

［1］冯忠绪，姚运仕，冯建生.热沥青混合料碾压过程的离析现象［J］.长安大学学报：自然科学版，2006，20(3)：96 －99.

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