振动筛横梁早期失效的原因及改进方案

2015-05-07刘哲明谭敏

机械工程师 2015年5期

刘哲明，谭敏

（中冶长天国际有限责任公司机械分院，长沙 410007）

0 引言

椭圆等厚振动筛是一种大型的筛分设备，广泛适用于冶金、矿山行业的矿石分级，煤炭行业的分级、脱介等功能，是现有大型筛分的理想设备。该系列筛的筛面是由不同倾角的三段筛面组成，采用三轴驱动，三驱动轴依靠同步器实现强迫同步，稳定运动状态，筛子的运动轨迹为椭圆，物料在筛面各段的厚度近似相等。

振动筛横梁在使用过程中出现裂纹，在靠近横梁两端裂纹较重,为延长该类筛子的使用寿命；本文以某公司设计的椭圆振动筛（图1）为例，对其横梁进行有限元分析，得出构件的模态和振型，并分析其在给定的激振工况下的受力，对其合理性进行评价。

图1 振动筛实物图

1 横梁的模态分析

横梁的材料为20钢，其机械性能如表1所示。

表1 20钢机械性能表

我院自主研发的椭圆振动筛横梁结构如图2所示。

根据横梁的结构特点,有限元分析时所选取单元为shell63单元。

条件假设：假定焊缝不存在缺陷和未焊牢的情况；忽略焊缝高度的影响;忽略温度的影响。

工况：构件在两端的法兰处受振动负荷作用，振幅为8～10 mm，频率为 800 次/min（即 13.333 Hz），相差相位角为 90°。

约束条件：横梁两端与侧板固定，在进行模态分析时，可认为横梁两端为全约束。

图2 横梁结构图

利用有限元分析软件ANSYS分析可得出该横梁结构的前五阶振型的振动频率如表2所示。

表2 横梁结构前五阶振型的振动频率表Hz

图3 一阶振型相对位移变化图

从以上分析看出,梁的固有频率离受迫振动频率较远,说明共振不是造成梁被破坏的主要原因。

2 横梁的谐响应分析

在进行谐响应分析时,根据横梁的工作情况,在梁两端分别加上振幅为10 mm，频率为13.333 Hz，相位差为90°的如图4所示的振源。

对横梁进行谐响应分析后，其最大等效应力如图5所示，其最大等效应力局部放大图如图6所示。

图4 振源示意图

图6 最大等效应力局部放大图

振动筛的使用寿命很短，横梁出现裂纹的最主要原因是横梁结构在交变振动负荷作用下引起疲劳所致。梁疲劳极限的计算

式中：εσ为构件尺寸系数；kσ为外形造成的应力集中系数；β1为表面加工系数,

从以上公式可知，由于结构尺寸、焊接加工及外形尺寸等因素造成的应力集中,尤其是横梁上的筋板与梁上钢管焊接处应力最大处比较急陡、焊缝圆角小，引起了较大的应力集中，使得梁在较短时间就出现断裂破坏。

3 结构改进后分析

由横梁受力分析,我们知道横梁在筋板的尖端部位所受应力值最大,横梁筋板的尖端部位应力集中引起裂纹产生的可能性也最大，也最有可能演变为横梁的断裂。

从前面的计算分析可以看出，动应力是造成梁早期破坏的直接原因,而梁的原设计结构不合理,产生了较大的应力集中。

经过综合分析,将加强板修改为沿梁轴向成一通线如图7所示，以解决梁应力集中过大的问题，并增加梁的强度及提高梁的抗弯截面模量。对所有焊缝都开有焊接坡口以提高焊接强度，组焊后进行回火处理，以消除焊接应力，组装前对梁表面进行喷丸处理，使产生冷硬层和表面残余应力，以提高其使用寿命。

图7 修改后加强板示意图

利用有限元分析软件ANSYS分析可得出该改进后横梁结构的前五阶振型的振动频率如表3所示。

表3 改进后横梁结构前五阶振型的振动频率表Hz

进行谐响应分析后所得的应力云图如8、图9所示。

由图8和图9可以得到改进后和横梁的最大应力降低到263 MPa，并且其振动频率没有多大改变，其一阶振动频率为173.39 Hz，也是远远大于激振频率13.33 Hz，不会引起共振；若图7中的半径R50变大一些，此最大应力还会降低。

图8 等效应力云图

4 结论

本文通过对振动筛的横梁的早期断裂进行了理论分析，得出横梁早期断裂的原因是因为横梁的结构设计不合理，造成横梁的加强板位置产生了应力集中。针对该振动筛横梁进行设计改进，并对设计改进前、后的横梁进行了有限元模态分析和谐响应分析，改进前横梁的最大应力为362 MPa，而改进后的最大应力值为263 MPa，降低了近 100 MPa，相对降低值为 Δ=（362-263）÷362=27.35%，从图中可以得出，改进后的最大应力是在加强板的R50的圆弧处，增大圆弧半径可减小应力值，并且横梁若有破坏的话，是先从横梁上的加强板开始产生，这便于观查判断。