四振动电机同步驱动圆振动筛有限元分析

2018-06-15田晓冲黄海潮王子文

建筑机械化 2018年5期

田晓冲，黄海潮，李隽，王子文

TIAN Xiao-chong, HUANG Hai-chao, LI Jun, WANG Zi-wen

（国家工程机械质量监督检验中心，北京 102199）

振动筛在21世纪初得到迅速发展，广泛应用于采矿、冶金、建筑等行业。近年港口矿产贸易发展迅速，诸多如金属矿石一般要求在港口卸料即能完成初级筛分。结合港口筛分空间小、矿石卸料高度大、卸料量大等条件，港口矿石振动筛的使用寿命短一直成为国内难以解决的技术难题。本文所设计的四振动电机同步驱动圆振动筛构造简单、占地空间小、筛分效果显著，利用ANSYS软件对筛体结构进行强度验证。

1 圆振动筛结构组成

四振动电机同步驱动圆振动筛由筛箱、激振电机、支撑弹簧、刚体筛面等结构组成。图1为振动筛的机构简图，激振电机装在激振大梁上，4台激振电机产生的激振力通过激振大梁传递到筛箱上，振动筛整体做圆运动，物料从盲板进入筛面，支撑弹簧起着隔振的作用。

图1 圆振动筛结构简图

2 四振动电机自同步驱动分析

如图2所示为四振动电机振动筛的力学模型，在正常工作状态中，振动筛是刚体的平面运动，激振力不完全通过质心，所以，分析三自由度的双质体运动：①质体1、2在水平x方向上的运动；②由于质体1和质体2之间有二力杆的存在，使得两质体在y方向上几乎没有相对运动，质体1、2在铅直y方向上同步运动；③由于激振力不过质心，使得机体还有绕质心的转动。

图2 圆振动筛力学模型

在忽略掉阻尼的时候，所建立的力学模型如图3所示，由于质体1、2在铅直y方向上同步运动。

图3 圆振动筛自同步原理图

设轴2超前轴1某相位差角Da做等速回转，则机体沿x方向和y方向的振动方程及其质心扭摆振动的方程可以近似表示为：

式中m+2m0——筛机质量和偏心块总质量；

J+2J0—— 筛机对质心的转动惯量及偏心块对筛机质心的转动惯量；

cx，cy，cj——x，y方向的阻力系数及对质心的扭振阻力矩系数；

kx，ky，kj——x，y方向的弹簧刚度系数及对质心的扭振弹簧刚度系数；

Fx，Fy，M0——x，y方向的激振力幅值及对质心的扭振激振力矩幅值；

l0——激振电机主轴轴心与机体质心之矩；

Da——两激振电机偏心块相位之差；

r——偏心块质心与其回转轴心的距离；

w——回转角频率。

DMd-DMμ为电机转矩与摩擦转矩之差；D称为同步性指数；D的绝对值的大小表征振动机同步性的强弱程度。D的绝对值越大表征实现同步越容易。为了提高振动机的同步性，增大m20w2r2W和减小DMd-DMμ都是有效的，即可以通过增加振动电机的转速、偏心块的质量矩及稳定性指数W、选择电机特性接近相同摩擦阻矩接近相等的自同步振动机等。

3 筛箱结构有限元分析

3.1 模型建立

为了缩短计算机的运行时间，在保证达到足够计算精度的前提下，分析圆振动筛机的实际工作状况，需要对振动筛的局部进行简化处理：①设定Bond连接方式代替筛箱上的螺栓连接；②在激振器大梁上设定相同质量元代替四台激振电机。

3.2 模态分析

模态是机械结构的一种固有振动属性，利用有限元方法进行模态分析，可得出机械结构模态频率和对应振型，是动态设计中的重要一环。

式中 [K]——刚度矩阵；

[M]——质量矩阵；

ωi——第i阶模态的固有频率；

[Φi]——第i阶模态的振型向量。

通过ANSYSworkbench仿真平台，得到该圆振动筛前8阶的振型和固有频率，如表1所示。

表1 圆振动筛前8阶模态

该型圆振动筛选用激振电机转速为960r/min，工作频率f0=16Hz。当其自身的固有频率接近其工作频率时，就容易发生共振，因此，将该型圆振动筛机前8阶的固有频率与工作频率进行对比，如表2所示。

表2 圆振动筛固有频率与工作频率的对比

分析上述结果发现，根据|fi－f0|/f0＞8%得，通过模态分析，优化后的圆振动筛前8阶固有频率没有发生与工作频率重叠的现象。从数值上来看，第6阶最接近工作频率，其相差值在9.0%，符合设计要求。如图4、图5所示。

图4 第5阶振型图

图5 第6阶振型图

4 应力分析

矿用振动筛主要受力除了激振力、各节点的质量惯性力外，主要是金属矿石物料的冲击力对其结构有较大影响。对矿石料流跌落筛面过程为非线性冲击过程，设置响应时间为0.1s，冲击力250kN，同时施加激振力300kN。通过有限元软件进行应力分析，得出应力云图,如图6、图7。可以看出，振动筛的最大应力主要集中在激振器大梁以及弹簧支撑梁处，均低于各自材料的屈服极限。