椭圆等厚振动筛动态特性分析

方亚南 尹忠俊 韩 天 卢臣智

(北京科技大学机械工程学院 北京100083)

·技术分析·

椭圆等厚振动筛动态特性分析

方亚南 尹忠俊 韩 天 卢臣智

(北京科技大学机械工程学院 北京100083)

利用大型有限元分析软件ABAQUS，建立了三轴椭圆等厚振动筛筛箱的有限元分析模型，对振动筛筛箱进行了模态分析和动应力分析，得到了固有频率和相应的主振型，以及应力分布状态。指出了原筛箱结构存在的设计不足，并提出了改进措施，使结构各阶固有频率远离工作频率，应力分布更加均匀，系统动态特性得到了明显改善。

椭圆振动筛 模态 应力

椭圆振动筛是我国近来发展起来的一种高效的振动设备,广泛应用于冶金、采矿、石油等行业，创造了巨大的经济效益和社会效益。但是，振动筛在强大的交变载荷下做受迫振动，很容易发生疲劳破坏，在实际生产过程中经常发生筛箱横梁断裂、侧板撕裂等事故[1-3]。

以某钢铁公司使用的三轴椭圆等厚振动筛为研究对象，利用大型有限元分析软件ABAQUS对该型振动筛筛箱结构的动态特性问题做了较深入的分析，得到了筛箱各节点处动应力分布情况，并在此基础上对筛箱结构进行了改进设计，得到了满意的结果。

1 有限元模型的建立

三轴椭圆等厚振动筛筛面由不同倾角的三段组成，使物料层在筛面各段厚度近似相等；采用三轴驱动，强迫同步激振原理，运动状态稳定，在过共振区域工作，振幅比较稳定，筛箱运动轨迹为椭圆，其结构见图1。椭圆等厚筛分有利于物料在筛面上的向前输送、分层和透筛，故与普通直线筛和圆运动筛相比有较大的处理量和较高的筛分效率。

1.1 模型简化

要对该模型进行模态分析，取对称模型不能很好地观察模型的振型，所以对完整的三维模型进行分析。

图1 椭圆等厚振动筛结构简图

1-筛箱; 2-隔振弹簧; 3-弹簧支架; 4-二次隔振系统; 5-激振器; 6-阻尼器

为了方便后面有限元分析，减少单元数量，对模型进行了一定的简化，忽略工艺孔、约束孔、铆钉孔和筛孔，将非危险区域的圆弧过渡简化为直角，略去小的连接件、安装支架等非承载构件及功能件，同时二次隔振系统主要作用是减少振动筛对地基的冲击，而对筛体的动应力分布影响不大，在建模时不予考虑。

1.2 约束和激振力的施加

该三轴椭圆等厚振动筛实际工作过程中只在竖直方向装有弹簧，但是该弹簧同时具有竖直和水平方向的刚度，所以在进行模拟时需要在竖直和水平两个方向同时添加弹簧约束。在ABAQUS软件里可以采用点—地连接的方式直接添加弹簧。

在动力学分析中一般要考虑所有参与运动的质量。激振器安装在激振器安装座上，给振动筛提供激振力。它有三根主轴，每根轴两端安装有偏心块。三轴之间通过齿轮连接。前后轴做同向，中间轴做反向等速转动，适当的调整偏心块质量和距离，就可以产生各种不同的合力，如图2所示。

图2 椭圆等厚振动筛工作原理图

激振器随振动筛筛体一起运动，产生惯性力。将激振器质量用点质量来模拟，通过点的耦合设置可以实现激振力向振动筛筛体的传递。

m1、m2和m3分别为激振器三根轴两端的偏心质量。A，B位置，三偏心质量运动方向相同，此时激振力最大，振动筛的振幅最大。C，D位置m1，m3与偏心质量m2相反，此时的激振力最小，振动筛的振幅最小[4]。由于ABAQUS中的集中力是在节点上施加的，所以将偏心块产生的激振力在两坐标轴分解处理为简谐力形式施加于偏心块质量单元节点上[5]，两坐标轴方向分别为与工作平面成45°的两个方向。

2 结果分析

模态分析结果前六阶是刚体模态，频率很小；后几阶是变形模态，这里重点考虑与工作频率接近的三阶变形模态。从计算结果中可以知道，筛体固有振型主要为刚体运动和筛箱弯曲变形两种，7～9阶固有频率见表1。

表1 振动筛7～9阶固有频率

第八阶固有频率13.029Hz接近激振频率13.33Hz，易引起共振，需要对结构进行改进。

分析振动筛在一个振动周期内的应力变化，找出图3中所示的四个应力集中区域。

在振动筛的振动过程中，应力呈现周期变化。经过分析，应力集中区域主要在以下几个部位：①激振器安装板与侧板连接部位，此处应力较大，最大应力值92.76MPa，见图3a)；②靠近入料口处弹簧支座上方的角钢部位，最大应力值27.11MPa,见图3b)；③支撑梁与侧板连接处，最大应力值达68.01MPa，见图3c)；④靠近出料口处弹簧支座上方的角钢部位，最大应力值26.51MPa,见图3d)。相比而言，其他区域应力值水平相对较低。

3 结构改进

根据固有频率和集中应力分布的分析结果分析，对振动筛应力薄弱环节进行改进。支撑梁是由3.3m长的两根32#b槽钢由上下两端各三块钢板连接，钢板的原尺寸是500mm×284mm×10mm，将两侧的钢板结构更改为 900mm×284mm×10mm；在隔振弹簧支座上方水平与竖直两个方向和激振器安装板与侧板接合的边缘位置分别添加角钢。

a)

b)

c)

d)图3 振动周期内出现应力集中的区域(单位MPa)

对振动筛结构加强后重新计算振动筛的固有频率，见表2。可见第八阶固有频率相比之前提高了22.4%，远离了激振频率13.33Hz。从避免共振的角度看满足要求。

表2 结构加强后振动筛7～9阶固有频率

对改进结构后的筛箱进行动应力分析，观察可以发现，在激振器安装板与筛箱侧板用角钢进行结构加强以后，该处的最大应力值明显减小，最大应力为73.09MPa，如图4a)，同时，支撑梁与侧板连接处的应力分布也得到改善，最大应力为55.57MPa，如图4c)，而隔振弹簧支座上方角钢的应力分布没有得到明显改善，但是相比之下，这些部位的应力水平相对来说比较低。所以总体上，对结构的改进达到了比较满意的效果。

a)

b)

c)

d)图4 改进结构后筛箱的应力分布情况(单位MPa)

4 结语

应用大型有限元分析软件ABAQUS建立了振动筛筛箱结构的有限元模型，并对比分析了结构改进前后的振动筛固有频率和集中应力分布情况，改进后的振动筛较好地反映了筛箱实际结构特点，满足了应力分析的要求。通过动态特性分析可知，筛箱原结构存在设计缺陷，局部存在较严重的应力集中，经过结构改进后不仅使得原结构的固有频率远离了激振频率，而且减缓了应力集中，应力水平显著降低。

[1]陈文.三轴椭圆等厚振动筛分设备技术应用及其自同步研究[D].湖南:湘潭大学，2006.

[2]张功学,王小龙,游丽嘉.大型振动筛的动特性分析及结构优化[J].矿山机械,2013,Vol.41(8):84-87.

[3]方治华,赵爽.基于ANSYS的振动筛筛箱强度的有限元分析及改进设计[J].煤矿机械,2007,Vol.29(12):143-144.

[4]王建英.3TS2460三轴椭圆振动筛[J].矿山机械,2000(10):41-43.

[5]尹忠俊，刘建平等.交变载荷作用下大型振动筛的应力分析[J].天津大学学报，2007,Vol.40(11):1363-1366.

Dynamic Characteristic Analysis of Elliptical Equal-thick Vibrating Screen

Fang Yanan Yin Zhongjun Han Tian Lu Chenzhi

(School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083)

Using large-scale finite element analysis software ABAQUS, established the finite element model of three-shaft elliptical equal-thick screen. Carried out modal analysis and dynamic stress analysis. Calculated the natural frequency and the relevant vibration mode, the dynamic stress distribution state of the screen box. Pointed out that design deficiencies of the original screen box structure, and put forward the improvement measures which make the structure of each order natural frequency far from working frequency, stress distribution is more homogeneous, system dynamic characteristics has obviously improved.

Elliptical vibrating screen Modal Stress

方亚南，女，1988年出生，北京科技大学硕士研究生，研究方向：机械系统动力学与仿真研究

TD452

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.04.007

2014-03-25)