小型泥浆平动椭圆振动筛数字样机运动仿真

范 鹏 张 杰

（四川理工学院机械工程学院，四川 自贡643000）

0 引言

目前，筛分机械在采矿、石油开采行业中的运用十分广泛。由于兼具直线振动筛和圆振动筛各自的优点［1－2］，笔者基于虚拟样机技术对GW－S1［3］型小型泥浆振动筛进行了动态仿真，希望能为泥浆筛制造提供参考。

1 泥浆振动筛结构

泥浆筛主要包括激振器、筛箱以及隔振装置，其中激振器由一对规格不同的偏心块组成，筛箱包括侧板、筛网、L梁、圆横梁等，采用一次隔振装置减振。当电机带动两激振器工作时，基于力心理论［4］，泥浆筛在自重和强大的交变激振力作用下进行平动椭圆的轨迹运动。

筛箱通过固定的4个支座支撑，筛面与地面倾角介于－1°～5°。筛箱支座与基座由4个圆柱螺旋压缩钢弹簧连接，两侧板之间由8根L型梁连接，包括一对圆横梁的支撑增加筛箱横向刚度，两侧板外侧焊接6根直梁增加筛框纵向稳定性。

2 振动筛仿真轨迹分析

2．1 主要参数的确定

根据文献［5］，针对泥浆筛运动工况，为实现合理筛分效果，采用以下设计参数：电机转速1 500 r／min，振动筛振幅≥3 mm，椭圆长轴倾角0°，椭圆度1∶4。

设计的振动筛总质量为226．574 kg，考虑激振器启动过共振区［6］，基于标准 GB／T2089—94选用圆柱螺旋压缩钢弹簧YB8×90×220。

2．2 模型的导入

由SolidWorks建立简易模型，创建筛箱、激振器、弹簧支座等部件，装配并导入。在Adams中振动筛各部件相互独立，不存在装配中相互约束关系，故需设置约束副实现各部件运动的关联。各约束关系如表1所示。

表1 小型泥浆平动椭圆振动筛各部件约束关系

同时，对筛箱支座与底板之间设置轴套力约束。选用弹簧纵向刚度为26．8 N／mm，按相关公式［7－8］计算各向刚度及阻尼值。在筛体所处环境Z向施加重力约束，值为－9 806 kg·mm／s2，材料密度7 850 kg／m3。图1为添加约束后的模型。

图1 振动筛约束模型

3 振动筛运动仿真设置

在 Adams－View模块中设置旋转驱动转速为9 000 d／s，End Time为5 s，Steps为4 000，施加运动驱动进行动力学分析。

4 仿真结果分析

4．1 静力分析

在动力学分析之前，需进行静力分析，求得施加在隔振装置上的预载荷［9］，检验弹簧参数的合理性。

泥浆筛在自重下，隔振弹簧受迫变形，其变形量为静位移。根据理论公式［9］，振动筛纵向静位移为65 mm。即：

筛体在自重作用下压缩弹簧，由于阻尼，间歇振荡的振幅会逐渐降低，最终为0。根据图2，泥浆筛振动经过3 s过后，最终弹簧Z向静压缩量为Z0＝65．081 5 mm。与理论值基本一致，验证了模拟效果的正确性。

图2 筛体重力作用下Z向位移随时间变化

在Y向，在安装激振器过程中，保证力心过整个泥浆筛的质心极其困难，只要保证工程所需精度即可。由模拟结果可知，由起始到稳定后，前后位置相差Y0＝0．096 5 mm，这与理论值0接近，满足工程运用要求。Y向振动变化趋势如图3所示。

4．2 振动位移分析

设置好驱动函数、运动时间、仿真步数后进行分析，图4～6表示泥浆筛各向位移随时间的变化关系。

图4 筛箱Z向位移与时间变化关系

图5 筛箱Y向位移与时间变化关系

图6 筛箱X向位移与时间变化关系

由图可得，振动筛启动过程中，过共振区，各方向上振幅变化剧烈，随后趋向稳定。

在Z向，由起始到稳定期内，弹簧纵向最大压缩量为118．401 5 mm。由于阻尼，振幅逐渐衰减，3 s后，振幅平均稳定在4．2 mm。同样，弹簧横向最大压缩量13．874 8 mm。稳定后Y向振幅稳定为1．061 mm。故稳定后，轨迹的椭圆度为I＝，与理论值基本一致，说明模拟状况理想。

振动筛要想稳定工作，其横向振幅规定不得大于0．5 mm［10］。根据图6，振动筛起始质心由平衡位置按简谐规律振荡，由于阻尼减振，振幅降低并趋于平稳，其最大值为不超过1×10－5mm，远远小于规定，一般不考虑横向摆动。

4．3 运动轨迹的描述

为验证在交变力作用下的泥浆筛稳定后沿着一定的轨迹工作，提取4～5 s工作时间段Z、Y向的位移数据，合成为平面椭圆运动轨迹并随时间往复变化，如图7所示。

图7 振动筛运动轨迹随时间变化关系

泥浆筛在YOZ平面的运动轨迹为一个长轴倾角为0、椭圆度为1：3．96的平面椭圆，这与理论预想一致，故仿真结果可信。

5 结语

本文利用数字样机技术实现振动筛运动轨迹仿真，预测其工作状况，得到振动筛的各方向分析数据，进而得到振动筛的运动轨迹。仿真结果与理论值比较，振动筛的运动特性均在经验参考值范围内，符合预期设计目标，可为设计方案的实施提供指导。

［1］柳君．大力开发第四种运动轨迹振动筛［J］．石油机械，2000，28（7）：65．

［2］张锋，尹忠俊，金玲，等．基于虚拟样机技术的椭圆振动筛仿真分析［J］．冶金设备，2009（2）：38－41．

［3］王玉国，侯勇俊，宋杰萍，等．GW－S1型自同步平动椭圆振动筛动力学［J］．石油机械，2005，33（8）：1－5．

［4］侯勇俊，张明洪，吴华，等．双轴自同步平动椭圆振动筛研究［J］．天然气工业，2004（3）：84－87，148．

［5］朱维兵，张明洪．钻井液振动筛固相运移动力学分析［J］．石油机械，2000，28（7）：37－39，69．

［6］林景尧．高效单元组合振动筛的三维设计及运动学与动力学的分析与仿真［D］．赣州：江西理工大学，2011．

［7］阳光武，肖守讷，张卫华．螺旋圆弹簧的横向刚度分析［J］．中国铁道科学，2010，31（4）：59－62．

［8］李增彬．基于虚拟样机技术的振动筛动力学分析及优化设计［D］．太原：太原理工大学，2010．

［9］马富强．振动筛动态特性浅析［J］．矿山机械，1996（6）：40．

［10］周靖皓，周毅钧，张欢乐．基于ADAMS的圆振动筛运动特性仿真分析［J］．煤矿机械，2013，34（4）：101－103．