茶叶振动筛结构设计及模态分析

史俊超，陶然，葛小乐

（黄山学院机电工程学院，安徽 黄山 245041）

1 引言

我国是产茶大国，茶叶种植面积和茶叶产量均位居世界第一位。茶叶除杂是茶叶精细加工过程中的一个重要环节，茶叶的除杂效率和除杂水平直接影响茶叶的生产效率和生产品质。振动筛是常用的除杂、分选设备，在农产品加工、矿物处理、建筑等领域都有着广泛的应用。很多学者都对不同类型振动筛的结构进行过设计和改进。渠丽宏对洗煤用的振动筛进行了有限元分析，并根据有限元分析结果对振动筛的横梁结构进行了改进，取得了较好的优化效果。高福明对大型香蕉筛的动态特性进行了有限元分析，并对香蕉筛的主梁结构进行了局部优化，有效提高了主梁的强度。蔡培良等人设计了一种烟草振动筛，并采用ANSYS Workbench对烟草振动筛进行了模态分析，结果表明，所设计的烟草振动筛不会产生共振，能够满足使用要求。柴保明等人针对直线振动筛设计了不同类型的筛板加强筋结构，并进行了静力学和模态分析，根据仿真结果确定了较优的加强筋形状。

由上述研究内容可以看出，目前对振动筛的结构设计主要以大型工业矿用振动筛为主，而对小型家用茶叶振动筛的设计相对较少，虽然两者的工作原理相同，但是，对于具体工况的结构件选择、加工制造等方面还存在差异。随着我国茶产业的蓬勃发展，茶叶产量和规模不断扩大，茶叶除杂设备的需求量也不断增多，小型茶叶振动筛具有良好的市场前景。基于此，本文设计了一种小型家用茶叶振动筛结构，完成了茶叶振动筛的三维建模，并对茶叶振动筛进行了模态分析，得到了不同阶次的固有频率和振型。

2 茶叶振动筛结构设计

2.1 整体结构设计

茶叶振动筛整体结构如图1所示。所设计的茶叶振动筛主要由底座、振动电机、弹簧、振动架、筛箱、支撑调节架等部分组成。底座对整个茶叶振动筛起到了支撑作用，底座上方安装有四个弹簧，弹簧底部与底座相连，弹簧顶部与振动架相连。底座和振动架都为方形空心钢并通过焊接组装在一起。振动电机通过V字型支撑杆与振动架通过螺栓相连，茶叶振动筛的振动能量都由振动电机提供。筛箱两侧通过伸出轴与支撑座中的轴承相配合，支撑座通过螺栓固定在振动架上，筛箱可以在两侧的两个支撑座中转动。筛箱后端连接到支撑调节架上，支撑调节架可以通过旋转中间的调整轴实现筛箱后端的上升和下降，进而实现筛网倾斜角度的变化以适应不同工况的筛分要求。支撑调节架中的调整轴两端设计有方向相反的丝杆，并与调节架两端的调整螺母相连，当沿某一方向旋转调整轴时，两侧的调整螺母同时往内或同时往外运动，使筛箱后端的高度上升或下降，达到调整筛网倾角的目的。接料盘通过螺栓固定在底座上，以便于筛上物的收集。茶叶振动筛各结构件都较简单，易于加工，且各部分主要采用焊接和螺栓连接等常规方法进行装配，装配难度小，生产成本较低，符合家用振动筛低成本的设计要求。

图1 茶叶振动筛整体结构

茶叶振动筛的长、宽、高分别为1200mm、850mm和1300mm。由于茶叶振动筛的整体尺寸较小，待筛分的茶叶物料较轻，因此，振动电机的转速选为1000r/min。

2.2 工作原理

当进行茶叶筛分作业时，首先打开振动电机，此时，振动电机开始工作，振动电机产生的周期性激振力通过支撑杆传递到振动架上，带动振动架产生周期性振动。由于筛箱固定在振动架上，当振动架产生周期性振动时，筛箱中的筛网也产生周期性的振动。当待筛分的茶叶从入料斗中下落到筛箱中时，在筛网的振动作用下细小的碎茶叶末、茶茎等杂质透过筛网下落，而尺寸较大完整的茶叶则由筛面上方下滑到接料盘中，从而实现细碎茶末、茶茎等的除杂分离。当需要调整筛网的倾斜角度时，只需转动支撑调节架中的调节轴到适当位置并将调节后的调整螺母位置锁定，使其在振动的过程中保持该位置不变即可。该茶叶振动筛的工作过程简单，筛网倾角的调节便捷，占地面积小，在茶叶精细加工中具有良好的应用前景。

3 茶叶振动筛模态分析

每个机械系统都有其固有频率，当机械系统的固有频率接近外部振动源的频率时，机械系统会产生共振。产生共振后会使机械系统的振幅增大，易造成结构件的损坏，对整个机械系统的运动也会产生较大的危害，因此，在实际工程应用中应避免产生共振。为确定所设计的茶叶振动筛在工作时是否会产生共振，需对其进行模态分析，通过模态分析可以确定茶叶振动筛的固有频率和振型，进而为共振的判断提供依据。

3.1 茶叶振动筛模态分析模型的建立

采用ANSYS Workbench对茶叶振动筛进行模态分析。为了便于分析，首先将茶叶振动筛三维模型进行简化，去除对振动过程影响较小的接料盘和入料斗，随后将简化后的茶叶振动筛模型导入ANSYS Workbench中进行参数设置。茶叶振动筛各结构件的材料都设置为Q235-A，密度为7800kg/m3，弹性模量为2.06E+11Pa，泊松比为0.3。采用自动网格划分方法对茶叶振动筛进行网格划分，网格尺寸设置为6mm，对于尺寸较小的结构进行局部加密处理，划分后的网格共有318738个单元、850008个节点。将茶叶振动筛的四个支撑底面设置为固定约束。由于在机械系统的振动中大部分能量都集中在前6阶，高阶模态对振动的影响较小，因此，本文只求解茶叶振动筛的前6阶模态。

3.2 模态分析结果

茶叶振动筛的前6阶固有频率如表1所示。

表1 茶叶振动筛的各阶固有频率

由表1可以看出，茶叶振动筛的第1阶固有频率为4.387Hz，第2阶固有频率为25.795Hz，第3阶固有频率为27.78Hz，第4阶固有频率为28.745Hz，第5阶固有频率为33.711Hz，第6阶固有频率为39.82Hz，随着阶数的逐渐增加，茶叶振动筛的固有频率不断增大。茶叶振动筛振动电机的激振频率为16.667Hz，介于第1阶固有频率和第2阶固有频率之间。由振动稳定性准则可知，为了避免共振，机械系统的固有频率和振动源的频率应满足下述关系：

0.85f＞fp或1.15f＜fp

其中，f为系统固有频率，fp为激振频率。

可以求得系统固有频率的合理范围为：f＞ 19.608Hz或 f＜ 14.493Hz。而系统的第1阶固有频率为4.387Hz，小于14.493Hz，系统的第2阶频率为25.795Hz，大于19.608Hz，满足振动稳定性准则，因此，茶叶振动筛在工作过程中不会产生共振，能够满足筛分作业要求。

茶叶振动筛在不同阶次下的振型如图2所示。

图2 不同阶次下的茶叶振动筛振型图

茶叶振动筛的第1阶振型主要表现为振动电机及支撑杆沿X方向的水平摆动，第2阶振型表现为振动筛筛面前端沿Z方向的上下摆动，第3阶振型表现为茶叶振动筛支撑调节架沿Y方向的水平摆动，同时，伴随振动筛筛面前端沿Z方向的上下摆动，第4阶振型表现为振动筛筛箱后挡板沿Z方向的转动，第5阶振型表现为振动筛筛箱后挡板及支撑调节架沿Y方向的水平摆动，第6阶振型表现为振动筛筛面前端和振动筛筛面后端在筛面中间位置处沿X方向的转动。介于茶叶振动筛固有频率之间的第1阶振型和第2阶振型总体表现为在X方向的小幅度摆动和Z方向的上下摆动，对茶叶振动筛的振动不会产生明显的干涉。

总的来看，茶叶振动筛的固有频率与激振源的频率错位较大，满足振动稳定性准则，在工作过程中不会产生共振，振型也较为合理，这表明所设计的茶叶振动筛能够满足实际使用要求。

4 结语

本文进行了小型茶叶振动筛的整体结构设计，并对所设计的茶叶振动筛进行了模态分析，得出了茶叶振动筛的前6阶固有频率和振型。振动电机的激振频率位于第1阶固有频率和第2阶固有频率之间，激振频率与第1阶固有频率和第2阶固有频率之间的差值满足振动稳定性准则，茶叶振动筛在工作时不会产生共振，能够满足实际使用要求。