粮油籽粒振动清理筛结构动力学特性研究

王中营，王凤成，原富林，郭永刚，何常银

(1.河南工业大学 机电工程学院，郑州 450007； 2.国家粮食加工装备工程技术研究中心，河南 开封 475200； 3.河南工业大学 粮油食品学院，郑州 450007； 4.河南茂盛机械制造有限公司，河南 开封 475200)

振动清理筛是粮油加工业中应用最为广泛的清理设备之一，其作用是清除粮油籽粒中的大、中、小杂质[1]，倘若配置吸风分离系统还能清除粮油籽粒中的灰尘和轻杂。近年来，我国粮油加工企业逐渐向规模化、集成化和大型化的方向发展，对大型、高效、节能环保、高可靠性以及高稳定性的振动清理筛的需求日益强烈[2]。然而，振动清理筛工作环境恶劣，受力状况复杂，其主要零部件要长期承受周期性交变载荷，导致筛箱侧板、横梁等零部件时常发生断裂事故，严重影响振动清理筛工作的可靠性和使用寿命[3-6]，给粮油加工企业带来安全隐患和经济损失。

近年来，国内众多研究者对粮油籽粒振动清理筛进行结构动力学仿真分析和试验研究。余南辉[7]、高燕[8]、赵丹[9]等先后采用有限元法对不同型号的TQLZ型振动清理筛的筛箱进行了模态分析、谐响应分析，得到了不同结论。武文斌等[10]采用有限元法对TQLZ型振动清理筛的筛箱进行了结构静、动力学分析，并采用动态测量仪测量了筛体的机械强度，结果显示最大应力发生在筛体的支撑处。上述研究主要是针对筛箱进行了结构动力学仿真分析，实际上进料箱和出料箱与筛箱是通过螺栓联接的，进料箱和出料箱作为振动的一部分对筛箱振动和刚度的影响是不可忽略的。然而，有关进料箱、出料箱和筛箱以及机架作为一个振动整体的结构动力学研究尚不多见。

本文以TQLZ100×200型振动清理筛为研究对象，在建立振动清理筛的三维实体简化模型后，采用有限元法对振动清理筛整机结构进行动力学分析，以寻求振动清理筛整机结构的固有频率、振型以及易断裂部位，使振动清理筛的结构设计避免共振和断裂，为今后开展动力学试验研究和结构优化提供理论依据。

1 振动清理筛的结构与工作原理

粮油籽粒振动清理筛的三维结构见图1。如图1所示，振动清理筛主要由机架、筛箱、振动电机、进料箱、出料箱、筛格以及橡胶弹簧等部分组成。筛箱前、后端分别与进料箱和出料箱连接，筛箱内安装有两层抽屉式筛格，筛箱两侧中心圆盘电机座上安装有2台振动电机，圆盘电机座与筛箱通过高强度螺栓联接。筛箱由4组橡胶弹簧支撑在机架上，橡胶弹簧存在较大阻尼，使振动清理筛在启动或停机时能有效地抑制产生的共振现象，降低筛箱共振振幅。

图1 振动清理筛的三维结构

振动清理筛工作时，2台振动电机以相同的角速度相向转动，振动电机内部偏心块产生的离心惯性力沿筛体横向方向上相互抵消，沿筛体纵向方向上相叠加，筛体在这一简谐力的作用下做往复运动。松开圆盘电机座上的高强度螺栓，圆盘电机座可以绕其中心轴进行一定角度的旋转，进而改变双振动电机的激振力方向和振动清理筛的振动方向。通过调节振动电机内部一对偏重块的重叠面积，可以改变双振动电机的激振力大小和振动清理筛的振幅。

2 振动清理筛有限元模型建立

2.1 简化模型建立

综合考虑振动清理筛的结构形状、边界约束条件、载荷加载方式、计算时间成本及可行性等，在满足工程精度的前提下，对振动清理筛三维实体模型的一些特征进行简化：振动电机的整体刚度远大于筛箱外壳及横梁的刚度，因此将振动电机简化为刚性的实心变截面圆柱体，其质量、安装方式、外形结构及尺寸与原型机一致；省略掉尺寸较小的倒角、圆角、螺栓、螺母、小孔等，并采用原实体材料进行覆盖。在SolidWorks软件中建立振动清理筛三维实体模型并导入ANSYS Workbench模态分析模块中。

2.2 材料属性

振动清理筛采用2种材料，如表1所示，在模态分析模块中根据此表格输入材料库。

表1 材料属性

2.3 接触面定义

振动清理筛是由不同零部件装配而成，在划分有限元网格前需要明确各零部件之间的装配关系，即各零部件接触部位的作用方式，否则，机械结构在实际运作中，各零部件之间的相互作用关系就会失效，在这种情况下做出的仿真分析，结果是没有实际参考价值的。因此，在几何结构中将一起运动的零部件即筛箱、进料箱、出料箱、圆盘电机座、振动电机等各部件之间的接触方式设置为粘贴，使其作为一个运动整体，同时将橡胶弹簧与机架和筛体的连接方式设置为绑定接触。

2.4 有限元网格划分

振动清理筛有限元网格划分采用软件自动网格划分模式，根据部件的不同结构和部件间的接触面类型会产生不同的单元类型和不同的网格密度，划分后见图2。

图2 振动清理筛有限元模型

如图2所示，振动清理筛有限元模型生成的有限元单元73 365个，节点153 096个。

3 振动清理筛模态分析

3.1 约束与载荷施加

模态分析时外界载荷无需加载，只需要将机架4个脚与地面设置为固定约束即可。

3.2 模态分析结果

由振动力学理论可知，在机械结构系统的振动过程中，高阶的固有频率和振型因阻尼而迅速衰减，较低阶的固有频率和振型起主导作用，随机振动90%的能量包含在前10阶固有频率中[2]，TQLZ100×200型振动清理筛的工作频率是16 Hz，属于低阶振动，因此本文在对振动清理筛进行模态分析时，只需要提取前10阶0～30 Hz的固有频率和振型即可。表2为提取的振动清理筛前10阶的固有频率和振型描述，图3为振动清理筛部分振型图。振型图反映了振动清理筛振动位移的相对变化规律，是位移比值，如果要求计算振动清理筛在激振力作用下的真实位移、应力和应变，需要进行谐响应分析。

表2 振动清理筛前10阶模态

图3 振动清理筛部分振型图

分析表2和图3可以看出，前6阶模态中振动清理筛仅沿某个方向或绕某轴做刚体平动或转动，第7～10阶模态是橡胶弹簧在做振动而筛体振型值几乎为零，振动清理筛的工作频率16 Hz介于第6阶和第7阶模态之间。因此，振动清理筛在稳定工作状态中不会产生共振，符合机械结构动态设计要求。但是，振动清理筛在启动和停机过程中会经过1～6阶的固有频率，如果筛体左、右或者前、后受力差别较大，筛体会产生较强的刚性平动或扭转振动，需要一段时间才能稳定下来。因此，在振动清理筛的设计时必须计算好筛体的中心位置，使橡胶弹簧的弹性系数接近，双振动电机的电气参数和激振力大小尽量保持一致，这样振动清理筛在启动和停机过程中经过共振区的时间很短暂，振幅也很小，对振动清理筛的结构和振动特性的影响甚微。

4 振动清理筛谐响应分析

4.1 约束与载荷施加

谐响应分析过程与模态分析类似，谐响应分析中简谐载荷加载需要给定频率、幅值以及相位角。参照文献[11]给出的参数计算施加在筛体上的激振合力幅值为2.4×104N，设置圆盘电机座为载荷面，每个圆盘电机座施加1.2×104N载荷，振动方向角为30°，激振力加载后的模型如图4所示。

图4 施加载荷后的谐响应分析模型

4.2 谐响应分析结果

采用完全法对谐响应进行计算，将简谐载荷频率设定在0～30 Hz之间，分析振动清理筛在该频率段简谐力作用下的动态响应情况。

图5为振动清理筛在16 Hz简谐激振力作用下稳态工作时的等效应力云图。

图5 振动筛等效应力云图

如图5所示，最大等效应力发生在橡胶弹簧与筛体之间支撑板加强筋处，结果与文献[10]试验测量结果吻合。

图6为振动清理筛在16 Hz简谐激振力作用下的位移云图。由图6可以看出，整个筛体的振幅比较均匀，幅值为4.11 mm。在振动清理筛侧壁上取4个测量点，如图7中所示的前端点、中上点、中下点和后端点，研究测量点沿y向和z向的位移-频率响应曲线。

图6 振动筛总体位移云图

图7 测量点取点位置

图8为前端点的y向和z向位移-频率响应曲线。由图8可以看出，在16 Hz时前端点y向和z向振幅均远离共振区域的振幅，其他点与该点拥有类似的响应曲线。

图8 位移-频率响应曲线

表3为通过位移-频率响应曲线得到的各测量点位移。

表3 各测量点的振幅 mm

由表3可以看出，前端点位移略大于后端点，差别仅为2.9%，从工程角度上可以认为振动清理筛在做往复运动，筛体上下摆动幅度可忽略不计。

5 结 论

针对目前振动清理筛结构动力学研究存在的问题，采用有限元法对TQLZ100×200振动清理筛整机结构进行动力学仿真研究，得出如下结论：

(1)振动清理筛前6阶模态是沿某方向或绕某轴做刚体平动或转动，第7～10阶模态仅橡胶弹簧在做振动，且筛体振动型值几乎为零，振动清理筛工作频率介于第6阶和第7阶固有频率之间，振动清理筛正常工作时不会产生共振。

(2)振动清理筛在启动和停机过程中会产生短暂的共振，但由于时间短暂，对整机结构和振动的影响可忽略不计。

(3)振动清理筛在设计时必须准确计算振动电机的安装位置，且使各组橡胶弹簧的弹性系数接近，双振动电机的电气参数以及激振力大小尽量保持一致，这样能有效地降低振动清理筛在启动和停机过程中经过共振区的时间和振幅。

(4)振动清理筛在工作频率下正常运行时最大等效应力发生在橡胶弹簧与筛体之间支撑板加强筋处。

(5)振动清理筛筛体整体振幅比较均匀，幅值为4.11 mm，筛体前端点振幅略大于后端点，差别仅为2.9%，从工程角度上可以认为振动清理筛在做往复运动。