基于有限元的香蕉型振动筛动态特性分析与结构优化设计研究

高福明

摘要：振动筛在长期连续工作下承受着来自物料的交变载荷的作用，为了避免香蕉型振动筛主要结构零部件的疲劳、断裂等损伤失效，提高香蕉型振动筛的使用寿命，必须保证设计研制的香蕉型振动筛满足设计强度和刚度需求。本文针对江苏振强机械科技股份有限公司提出的ZD系列大型香蕉型振动筛使用需求作为工程研究背景，对企业所提出的特定工况条件对大型香蕉型振动筛的参数结构进行了设计研究，尤其是对安装激振器的主梁部分进行了结构优化，保证了香蕉型振动筛的结构强度，避免了激振器主梁出现断裂等现象，有效延长了振动筛的使用寿命。

关键词：香蕉型振动筛;结构设计;有限元;ANSYS;动态分析

1  振动筛的组成、工作原理及特点

1.1 振动筛的组成

主要的结构元件都有：激振器、工作筛箱、传动装置、减振装置（弹性元件）和底座等，主要承载部件是由侧板、激振器大梁、底梁、筛板、加强筋等组成的筛箱。

1.2 振动筛的工作原理及特点

振动筛主要是利用激振器所产生的复旋型振动而工作的。根据振动筛的结构分析可知，其工作时，两个驱动电机反向同步转动在激振器上施加两个反向的激振力，筛网在振动筛筛箱的作用下做纵向运动，在激振力的作用下筛面上的物料沿抛射角做周期性抛射，从而物料被分离以完成筛分作业。

2  香蕉型振动筛结构参数设计与有限元模型

香蕉型振动筛是一种结构体积庞大的大型矿用筛分机械设备，为避免在生产中出现横梁断裂、侧板开裂的现象，基于Creo和ANSYS/Workbench软件对香蕉型振动筛建立了有限元模型，对其结果参数展开设计，同时也为后续进行有限元分析计算奠定基础。

2.1 香蕉型振动筛的结构原理与技术参数计算

2.1.1 香蕉型振动筛结构原理

根据分类香蕉型振动筛归属于直线型振动筛，是一种新型结构的直线振动筛，其工作原理与直线振动筛的原理类似。香蕉型振动筛传动装置内部的电动机，其驱动两个振动器做反向旋转运动，偏心块在在X′方向上法向离心力相互抵消，在Y′方向上的振动分力相互叠加，导致筛箱可在平面内做直线往复运动。香蕉型振动筛为了使物料可以快速运动与快速分层，采用等厚筛分原理，在入料口采用了大倾角的设计并分成不同的筛面隔段，以更利于物料的透筛。筛面物料的减少及筛面倾角的减小导致物料的穿行速度降低，物料厚度保持一致使得其容易翻转且容易松散，达到提高筛分效率及脱介效率的目的。

香蕉型直线振动筛相比较其它筛型振动筛而言，在筛分细小颗粒物料时具有非常好的优势。香蕉筛也可替代常规的倾斜或水平筛，用于干湿式筛分，并且还具有处理更大筛选量的特点，且不需占用更多的面积，因此可以有效减少空间和降低成本，对于需要增加筛分量但又受到现场空间限制的选煤厂或选矿厂是很好的选择。

2.1.2 香蕉型振动筛技术参数

振动筛的基本参数包括有：筛面规格、筛面面积、最大入粒粒度、筛面层数与段数、筛孔尺寸、筛面倾角、振动角、振幅、频率以及生产能力等。而对于香蕉型振动筛的运动学以及动力学参数包括有：弹簧刚度、振动筛质量、激振力、振动强度等。

①筛面规格。选取香蕉型振动筛筛面的宽度是3600m，长度是6100m。

②筛面倾角。选取的筛面倾角分别为10°、16°、22°、28°、31°。

③振幅和频率。振幅值选取9～10mm，频率为13.8Hz。

④振动筛处理量。振动筛的处理能力指振动筛单位小时内处理物料的吨数，一般振动筛的处理量衡量了其工作能力的大小，该型香蕉筛的筛孔直径为50mm，查阅资料可知，所以振动筛的处理量大约在850～900t/h。

⑤弹簧刚度。香蕉筛的弹簧可起到隔振作用，弹簧刚度的选取须考虑的参数有振动筛的总体质量、工作角频率和振动筛频率比等。鉴于香蕉筛的振动方向角为？琢=45°，折算到振动方向上隔振弹簧总刚度为。

⑥计算振动筛质量。香蕉型振动筛的总质量主要来源于两部分：一是参与振动的振动筛各部件的质量，可由三维软件直接计算得到，约为14813kg;二是来源于参与振动的物料的质量，得到的本文香蕉型振动筛总质量大约为15920kg。

⑦计算激振力。其大小为。

2.2 有限元分析方法在香蕉型振动筛中的应用

2.2.1 有限元分析法基本理论

有限单元法是建立在变分原理的基础上，将工程结构问题离散为由连续地连接各种单元组成的计算模型，求解分析单元元素的位移、应变、应力特性以及本身固有特性等。由于描述单元节点的属性不同从而使得有限元法中分析的结构已不再是原来的物体或结构，因此有限元分析计算所得的结果是系统的近似数值模型。一般情况下，单元划分越细小，那么描述实际工程结构的变形越精确，但会导致計算量大的问题。

2.2.2 有限元法求解香蕉型振动筛问题的步骤

有限元法求解香蕉型振动筛的结构问题是对真实情况的数值近似模拟仿真，通过对分析对象模型划分网格，求解有限个数值来近似模拟真实环境，有限元法分析处理香蕉型振动筛的结构问题一般包含六个步骤。

①物体结构离散化。首先需要将模型用合适的单元进行离散，单元选取是否恰当，单元类型应根据结构确定。

②确定位移模式。采用位移法将单元中的应力、应变等参数以节点位移来表示，一般须要根据单元位移的分布选取适当的位移模式来逼近原系统的位移场。较为简便的方式是以多项式表示位移模式来进行有限元计算，如，ai其中是待定系数，？渍i是近似的单元位移多项式函数。

③单元特性分析。根据单元的位移模式，结合单元的材料性质、类型等利用变分原理求解出单元节点力和节点位移关系式，从而导出单元的应力矩阵和刚度矩阵。

④集合单元特性。把连续体有限个单元的刚度矩阵和单元应力矩阵通过结构的力平衡条件和边界条件进行组合，集合形成一个整体的有限元方程组：[K]{？啄}={P}，其中，[K]是结构的刚度矩阵，{？啄}是节点位移矩阵，{P}是载荷矩阵。

⑤求解未知节点位移。根据上述有限元方程组[K]{？啄}={P}，求解出方程组中的节点位移{？啄}。

⑥计算单元应力应变。根据节点位移可利用结构力学相关方程进一步求解单元的应力应变，用云图或表格的形式输出并查看最后结果。

3  香蕉型振动筛有限元模型的建立

3.1 香蕉型振动筛模型的简化处理

针对较为复杂的香蕉型振动筛实体模型，在进行有限元分析时不可能完全按照实体模型进行仿真分析，应在保证合理误差范围的前提下，忽略振动筛结构工艺上的一些不重要的特征，将振动筛模型实施简化，生成适合有限元分析的振动筛简化模型。根据文献对于振动筛有限元模型建立需考虑的因素，如是否需要建立二次隔振系统、是否需对模型进行对称处理、应区分承载结构件与工艺件等，本文在建立该系列香蕉型振动筛有限元模型时，忽略了诸如安装支架的角钢、筛面等非承载结构件，忽略了筛箱本体的定位孔以及安装孔，将筛箱本体中圆弧过渡简化为直角过渡，以提高模型计算效率。最终在Creo软件中建立的香蕉型振动筛简化模型。

3.2 香蕉型振动筛三维造型设计

三维造型设计是在平面设计和二维设计的基础上发展起来的新型设计方法，三维设计的实施是虚拟化、数字化设计平台的前提，可以让设计目标更加立体更加形象，本文对于香蕉型振动筛的三维造型采用Creo软件，通过对香蕉型振动筛结构进行参数化造型，可以十分直观方便的实现复杂的振动筛筛箱本体的三维实体造型。

由前面所述可知，香蕉型振动筛筛箱本体大致可以分为激振器主梁、侧板、横梁、加强筋、弹簧支架等构成。首先在Creo软件的统一坐标系下对各个部件进行三维造型，然后将各个部件使用装配操作逐一组建在一起，最终形成香蕉型振动筛筛箱本体。

3.2.1 香蕉型振动筛激振器主梁结构的三维造型

香蕉型振动筛的激振器主梁是最容易失效的部位，主梁结构分为主梁隔板以及中间的圆形钢管，对主梁隔板进行三维造型时只需对其中一个隔板进行草绘，其厚度为30mm，通过阵列操作可生成三个隔板实体，对中间的圆形钢管进行三维造型时需结合激振器的型号合理草绘钢管的尺寸，可利用拉伸或旋转操作得到实体特征，最终形成的激振器主梁三维实体结构。

3.2.2 香蕉型振动筛侧板结构的三维造型

香蕉型振动筛的侧板结构较为简单，但侧板部位有加强筋以及焊接生成的弹簧支架，增加了三维造型的难度。具体的操作主要是利用草绘操作生成侧板的轮廓，并在侧板表面“生长”出加强筋，之后再利用对称特征生成另一个侧板，而对于四个弹簧支架可以在装配操作时一并装配生成。

3.2.3 香蕉型振动筛横梁结构的三维造型

由前所述，香蕉型振动筛的横梁主要分为上支撑横梁和下支撑横梁，均通过法兰盘由螺栓连接在侧板，为简化模型方便后续有限元分析，在三维造型时忽略法兰盘和螺栓结构，以及筛网和筛板结构。在草绘横梁截面时，应结合横梁的端面形状尺寸，并根据香蕉型振动筛的五段不同层次的倾角依次排列，再进行拉伸特征即可得到相对应的横梁结构。

经过上述操作过程建立好各自的三维造型后，在Creo软件里新建一个装配图，将建好的激振器主梁、侧板、横梁等部件分别导入，并根据设计尺寸要求装配在一起，再将香蕉型振动筛剩余部件（如入料板、弹簧支架等）利用拉伸特征装配在整体结构上，最终形成香蕉型振动筛三维结构模型。

3.3 香蕉型振动筛有限元模型

将上述香蕉型振动筛的简化装配模型在Creo软件中保存并输出为igs格式文件，由于igs格式是根据IGES标准生成的文件，可用于不同三维软件系统的文件转换以及有限元软件的模型输入，导入ANSYS/Workbench软件后生成的模型。

ANSYS/Workbench的网格划分功能实用方便，且智能化程度非常高。针对香蕉型振动筛进行有限元模型的重建過程，网格的关联性设置为100（最高质量），“Use Advanced Size Function”项设置为On Curvature，“Relevance Center”项设置为Fine，采用四面体单元划分，其他保持默认，软件会根据结构的几何尺寸自动采用不同的单元进行网格划分。

参考文献：

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