ZK3654同步直线振动筛横梁断裂分析

王明恒，程相文，孙秋爽，邢树雪

（河北联合大学 机械学院，河北 唐山063009）

0 引言

振动筛是利用周期变化的激振力强迫筛体持续振动机械，其作用是使物料产生一定运动而实现筛分目的，广泛用于煤炭、石油、冶金、交通运输等工业部门［1］。振动筛的振动筛分设备主要向着高振动强度、大型化和轻型化方向发展。振动筛满足大处理量和高工作效率要求的同时，首要任务就是保证结构的强度和刚度［2］。为了得到较大的速度和加速度，筛机的振动强度随生产能力和筛分效果的高要求而逐渐增大，在使用过程中一些大型振动筛出现了一些问题，如：筛箱振动超限，侧板、横梁、筛板断裂［3］。除了制造工艺、选用材料和对振动筛的使用不当等原因外，振动筛的结构设计也不能忽视。实际使用时ZK3654振动筛横梁断裂，如图1所示。本文应用ANSYS软件对ZK3654型强迫同步直线振动筛（以下简称ZK3654振动筛）进行有限元分析，并提出横梁断裂的有效解决方案。

图1 ZK3654振动筛横梁断裂部位图

1 ZK3654振动筛三维建模

1.1 ZK3654振动筛的基本组成及工作原理

ZK3654振动筛筛面宽度为3.6m，长度为5.4m，主要由筛箱、筛框、筛网、激振器、电机设备、隔振弹簧、支架等组成，如图2所示。

ZK系列的直线振动筛是我国科研人员在分析我国生产需要，同时消化、吸收国内外振动筛特点的基础上，总结多年的经验设计研究出的高效新型的筛分设备，适用于选煤、选矿、发电、制糖、制盐、污水处理等部门。该系列振动筛主要对中细物料进行干、湿式粒度分级、脱水、脱介、脱泥作业。同其他直线振动筛一样，采用双电机驱动，两台电机做同步、反向旋转，两个激振器（偏心质量和偏心距相等）等速反向旋转，由偏心块所产生的离心力提供激振力在电机轴线平行方向抵消，垂直方向成为合力。两偏心质量通过力学原理使振动筛在振动方向上做往复直线或近似直线运动，实现自动同步运动。物料从给料机均匀地进入筛分机的进料口，通过多层筛网产生数种规格的筛上物、筛下物，分别从各自的出口排出，从而达到对物料进行筛选和分级的目的［4］。

1.2 ZK3654振动筛的三维建模

应用Creo2.0软件对振动筛进行三维实体建模。三维建模在不影响结构刚度情况下对振动筛做一定的简化处理：把铆钉连接简化为刚性连接，这样导致刚度增加；同时去掉主梁、横梁、后档板，这样导致刚度减小，因此，上述简化可行。除此以外，去除筛体上所有尺寸较小的倒角和铆接孔，在不影响筛体的强度和刚度的同时也不会导致离散化时小孔处网格细化，从而不会耗费计算时间。

应用Creo2.0绘制振动筛整体简化三维模型，如图3所示。

图3 ZK3654振动筛

2 ZK3654振动筛有限元模型的建立

2.1 振动筛有限元模型单元的选取

振动筛可以看作是空间板梁组合结构。为了减少单元和节点的数目，同时减少计算时间，许多对振动筛的研究分析中在进行网格划分时都采用壳单元、梁单元。壳单元网格划分模拟结构时，该结构一个方向的尺度（厚度）远小于其它方向的尺度，会忽略沿厚度方向的应力。对于梁单元，在有限元模型中会被抽象成直线，侧板与横梁之间的接触面则被简化为一个点，这样就会导致接触部位的应力值急剧增大，因此计算结果不够准确。与大多数采用壳单元、梁单元进行网格划分的有限元分析不同，本研究采用实体单元对振动筛进行网格划分。

采用实体单元进行网格划分来避免上述问题的出现：选用实体单元SOLID187、弹簧单元COMBIN14、点质量单元MASS21对ZK3654振动筛进行网格划分。筛箱（包括弹簧支撑管梁）采用SOLID187单元划分。SOUD187单元可以更好地用来模拟不规则的模型，每个单元有10个节点组成，各节点在其X，Y，Z方向上均有平移自由度，单元的优点是具有可适应塑性、应力刚化、超弹性、大应变和大变形能力。

划分弹簧单元时通过两个节点创建弹簧单元，通过弹簧－阻尼单元COMBIN14进行模拟。该模型共建立了12个轴向弹簧单元，8个横向弹簧单元。轴向弹簧单元的刚度为365N／mm，横向弹簧单元的刚度为121.7N／mm，是轴向刚度的1／3。MASS21单元用来表示具有质量的点元素，有6个方向的自由度，每个方向可赋予不同的质量和转动惯量。通过MASS21单元来模拟每组激振器偏心轮质量，单元质量为25kg，共8个偏心轮点质量单元。另外，通过点质量单元创建支撑管梁来建立刚性区域的中心节点［5］。

通过以上方式对振动筛网络加以划分，共划分成300多万个单元、将近600万个节点进行，如图4所示。

图4 ZK3654振动筛有限元模型

2.2 载荷和约束施加

2.2.1 激振力的施加

振动筛的激振力：P＝MAω2＝n2mrω2。

式中：M－参阵质量；A－振幅；ω－激振器回转角速度，ω＝，n＝，n为激振器的工作转速，i为速比；n－偏心轮的12组数，数量为4组；m－单组偏心块的质量；r－偏心轮质心的回转半径。

ZK3654振动筛激振器的工作转速为1 480r／min，速比为1.63。经计算ω＝95.08rad／s，激振力为255 348N。建立ZK3654振动筛的有限元模型时，通过MASS21单元来模拟每组激振器的偏心轮的质量。此振动筛共有2组激振器，每组激振器由4个偏心块组成，每一组偏心块用一个点质量单元代替，通过刚性区域法将点质量单元连接到激振器安装座上。

谐响应分析首先假定对模型施加的体载荷是符合简谐规律变化的。指定一个完整的简谐载荷需要输入3条信息：相位角、幅值和强制频率范围。振动筛偏心轮旋转产生两对离心力，将离心力沿坐标轴方向投影后得到4对同频不同相位的简谐力，按上述加载方式将简谐力施加在筛箱有限元模型上，对筛箱进行谐响应分析，如图5所示。

图5 ZK3654振动筛激振力施加图

2.2.2 约束施加

通过建立横向弹簧单元来模拟橡胶弹簧横向刚度，弹簧支撑管梁的中心主节点是由筛箱的轴向与横向弹簧通过公共节点连接在一起，另一端采用全约束，如图6所示。

图6 ZK3654振动筛约束施加图

振动筛的座耳通过弹簧与机架支座连接，起轴向支撑作用。振动筛的主要运动形式为平面运动，但筛箱会沿激振力方向做直线振动，同时在工作过程中也会受到诸多不确定因素的影响，因此振动筛有限元模型通过弹簧的轴向刚度和横向刚度来模拟振动筛的三维空间运动。

3 有限元分析结果

将计算出的激振力施加在模型上，通过有限元计算得出迭代频率为16Hz时，出现最大应力为121.493MPa。ZK3654振动筛的位移云图如图7所示。动应力云图如图8所示。从图中可以看出，ZK3654振动筛的最大应力主要集中在振动筛横梁中间部位，最大应力值为121.5MPa。

图7 ZK3654振动筛位移云图

图8 ZK3654振动筛动应力云图

根据有限元分析结果，提出解决方案：将振动筛横梁与侧板均加厚2cm，调整激振器的位置使其与箱体质心对齐，将应力减小到44MPa，满足振动筛设计规范要求。对改进后的振动筛进行谐响应分析，得到修改后的ZK3654振动筛的位移云图如图9所示。动应力云图如图10所示。最大应力减小到44.046 9MPa，说明提出的修改方案行之有效。

图9 ZK3654振动筛修正后位移云图

图10 ZK3654振动修正后动应力云图

4 结论

对振动筛的研究中大都采用壳单元和梁单元进行网格划分，而得到的横梁断裂结果出现在横梁与侧板交接处，与实际不符。针对ZK3654振动筛的研究，如果采用壳单元和梁单元建立振动筛的有限元模型，在横梁与侧板交接处也会产生应力集中。所以，本文采用实体单元划分网格，对ZK3654振动筛进行有限元分析，得到的动应力结果与实际横梁断裂部位相吻合。振动筛有限元模型的单元选取及网格划分可直接影响分析结果的准确性。根据最大应力的部位和值，通过对结构进行改进使动应力大大降低，结构设计准确、合理、可靠。

［1］ 段志善，郭宝良.我国振动筛分设备的现状与发展方向［J］.矿山机械，2009（4）：1－5.

［2］ 闻邦椿，刘树英，何勍.振动机械的理论与动态设计方法［M］.北京：机械工业出版社，2001：56－60.

［3］ 苏梅，童昕，刘强，等.振动筛筛箱的动应力分析及结构改进［J］.建筑机械，2010（13）：59－64.

［4］ 苏梅，童昕，刘强，等.振动筛筛箱模态特性分析及动强度校核［J］.金属矿山，2011（1）：112－116.

［5］ 王国强.实用工程数值模拟技术在ANSYS上的实践［M］.西安：西北工业大学出版社，1999：123－146.