香蕉型振动筛的结构优化设计

方 鹏，沈 琴

（溧阳市天目湖中等专业学校，江苏 溧阳 213300）

引言

振动筛是利用振子激振所产生的往复振动而工作的，是一种适合潮湿细粒级难筛物料干法筛分的振动筛分机械设备，具有大振幅、大振动强度、较低的频率和弹性筛面等特点，较高的开孔率可保证其具有较高的筛分效率和处理能力。不同型号规格的振动筛所具有的筛分面积以及处理能力是不同的，可根据现场实际需求选择振动筛。

1 香蕉型振动筛的结构设计内容及具体方法

本文以江苏振强机械科技股份有限公司提出的ZD系列香蕉型振动筛的应用场合，为适应长时间高振动强度工作的环境工况要求，企业提出对该型香蕉型振动筛的整体结构再设计，以满足新环境的使用要求，确保香蕉型振动筛具有更高的强度和刚度。因此，为满足企业提出的非标设计香蕉型振动筛的作业需求，研究结构设计合理、性价比高的香蕉型振动筛具有十分重要的实用价值。

1.1 香蕉型振动筛的功能需求分析

香蕉型振动筛是大型矿业选煤的常用设备，较水平型振动筛而言，香蕉型振动筛的结构和负载情况更为复杂，在其设计过程以及生产样机过程中需要注意的环节更多，以避免香蕉型振动筛容易出现的侧板开裂、激振主梁断裂等故障问题。现目前，虽然国产矿用大型香蕉型振动筛的发展迅猛，针对不同应用场合生产出矿用单层香蕉筛和多层香蕉筛等多种型号（如图1），但距离国际先进水平依然存在一定的差距。因此，对于香蕉型振动筛的发展需求，运行高可靠性的大型香蕉型振动筛已成为各大选煤企业迫切需要解决的问题。

图1 不同型号的矿用香蕉型振动筛图例

结合企业目前对于香蕉型振动筛的应用需求，并分析前期各型号振动筛故障失效的原因可知，主要有两点需要在设计新型香蕉型振动筛结构时引起注意，一是振动筛筛箱本体的工作频率使用不合理，导致筛体局部发生共振现象，二是振动筛的出料端的强度及刚度均偏低，导致该部位最易失效[1]。本文针对企业提出的新应用环境工况要求，设计的香蕉型振动筛的筛箱按照前面介绍主要由侧板、激振器主梁、横梁、加强梁等组成，上述结构应满足如下要求：

1）整体结构应具有高可靠性。目前，力封闭式的整体筛箱结构可形成空间桁架式，该结构可达到在同等工况下具有极高的使用寿命，保证了振动筛整体的寿命。

2）关键部件应采用优质合金钢。香蕉型振动筛的关键部件位于激振器主梁以及出料口侧板，应采用具有耐低温冲击韧性和抗层状撕裂能力的优质合金结构钢。

3）结构设计与加工制造应更加合理。横梁部位可采用方形或圆形无缝管相结合的形式，截面强度需经过合理计算，同时横梁外部应涂耐磨防腐材料，保证其表面的耐磨性、耐腐蚀性和耐冲击性；对于侧板，应采用整块钢板制作，并采用无焊缝设计，保证振动筛箱体整体结构无残余应力。

1.2 香蕉型振动筛的整体方案设计

目前，对于香蕉型振动筛的设计主要依据是机械行业的标准《JB/T9022-1999振动筛设计规范》与《JB/T10460-2004香蕉型直线振动筛》。按照行业标准的设计要求，香蕉型振动筛的整机性能应在振幅误差、筛箱横向摆动、振动角误差、振动频率误差、空载运行噪声等方面要满足标准要求，同时，还应结合实际使用工况条件，对香蕉型振动筛各设备参数进行选型以及校核验算，以保证其新型结构在正常使用的条件下满足更高的使用寿命，提高香蕉型振动筛的使用效率，减少故障损失时间。根据前面所述，本文以江苏振强机械科技股份有限公司的ZD系列香蕉型振动筛产品的研发为工程研究背景，针对企业所提出的新工况环境要求对香蕉型振动筛的结构设计展开研究，设计了一种新型的香蕉型振动筛结构方案。为达到上述目的，笔者根据行业标准以及使用工况条件，计算给定了香蕉型振动筛的筛面规格、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，并结合香蕉型振动筛各零部件的尺寸信息用Creo进行三维造型，再借助ANSYS/Workbench有限元分析软件对振动筛的结构强度、刚度等做了仿真分析，得到了前10阶固有频率与频响特性曲线，并对香蕉型振动筛的激振器主梁结构参数进行了优化分析。结果表明：在优化后的香蕉型振动筛整体结构性能满足使用要求，从而在结构上较好的解决了在特定工况下香蕉型振动筛的故障失效问题，可满足企业对于香蕉型振动筛的设计要求。

1.3 香蕉型振动筛分析的软件实现

目前流行的三维造型软件主要Solidworks、Creo、NX UG、CATIA等，而CAE分析软件主要有NASTRAN、ABAQUS、ADINA和ANSYS等。结合企业的实际情况，以及笔者之前对ANSYS有一定的使用基础，本文使用的主要软件是三维造型软件Creo以及有限元分析软件ANSYS/Workbench。以下对两款软件的特点做如下介绍。

ANSYS是目前最常用的通用有限元分析软件之一，其融合电场、结构、磁场、流体、声场分析于一体，适应于多物理场和非线性问题的有限元分析。它包括若干个模块，主要有前处理，计算模块以及后处理。其中，前处理主要是模型建立以及网格划分；计算模块可分为结构分析、电磁场分析、压电分析等，本文用到的是ANSYS公司开发的新一代产品研发集成平台ANSYS/Workbench，运用的计算模块是结构分析模块，以便进行静力学以及动力学分析；后处理模块可以根据初始设置时监控参数的计算状态并可在计算过程中进行实时监控。后处理模块有内置很多计算公式，使用者可以根据需要进行参数选择，也可以在初始设置时自行输入公式，计算结束时在后处理模块中查看结果[2]。

Creo是美国参数技术公司（PTC）旗下的三维造型软件，整合了该公司的Pro/Engineer的参数化技术、CoCreate的直接建模技术和ProductView的三维可视化技术的新型CAD设计软件包，具有互操作性、开放、易用等特点，可提供整个产品生命周期（包括设计、工程、制造等）的系统管理，在目前的三维造型软件领域中占据重要的地位。Creo的主要设计内容有：特征驱动、参数化建模、曲面造型和载荷计算等。

2 香蕉型振动筛优化设计

2.1 香蕉型振动筛相关问题的处理

对于谐响应分析，系统假定的前提是施加的所有载荷是随时间按正弦或简谐规律变化的，必须指定需要输入的载荷的幅值、相位角和强制频率范围。如果系统结构只承受单个载荷的作用，相位角可以忽略；如果系统结构同时承受若干个同频率载荷，则相位角必须输入。而系统结构对不同频率载荷的动态响应情况可以通过后处理器叠加不同频率的载荷状态而得到。

因此，由于激振器产生的各个坐标轴上的激振力是有时间差的，本文所考虑的香蕉型振动筛在谐响应分析中施加的载荷也必须要考虑相位角，否则将会影响计算结果的正确性。香蕉型振动筛的简谐激振力示意图如图2所示。

图2 香蕉型振动筛的激振力方位示意图

香蕉型振动筛的激振器产生的激振力幅值大小为P0=343756 N，工作频率为ω=86.29 rad/s，从模态分析的计算可以看出，在前10阶的固有频率中前2阶固有频率在25 Hz以内，分别为22.640 Hz和24.198 Hz，而该香蕉型振动筛工作状态时的激励频率为0～35Hz，因此在进行谐响应分析时，定义的频率范围不能低于35 Hz，这里定义的强制频率范围为0～40 Hz，设置300个子步来获得参考节点位移对频率的曲线图。从上述计算结果可以看出激励载荷的幅值均为85939 N，仅相位角不一样，其中Fy1、Fx2、Fy2相对于的相差分别为、π。

2.2 谐响应结果分析与优化讨论

采用ANSYS/Workbench有限元分析软件进行谐响应分析，导入Harmonic Response分析模块，依次定义材料属性，导入几何模型，划分网格，定义弹性约束和激励幅值与相位角，并设置好频率求解范围。分析结束后对香蕉型振动筛结构的频响特性曲线进行查看，如图3所示。

图3 香蕉型振动筛谐响应分析的频响特性曲线图

从图3中可以看出，香蕉型振动筛结构出现最大位移的临界频率为26 Hz，最大位移为5.3 mm。因此，对频率为26 Hz的香蕉型振动筛结构的应力应变云图作进一步分析，可得到如图4所示的振动筛结构应力与位移云图。

图4 香蕉型振动筛在频率为26 Hz时的分析云图

从图4可知，香蕉型振动筛结构在谐响应分析时，其频率为26 Hz下的结构应力最大值为234 MPa，其位置在振动筛入料口的挡板处。由于该处的材料为Q235B钢板，其应力值接近结构材料的许用值，表明香蕉型振动筛在频率为26Hz时结构强度不符合设计要求，需要将对该型香蕉振动筛的结构进行改进优化。

针对振动筛主梁横梁较为容易出现常见的断裂或开裂等现象，本文对于香蕉型振动筛的结构改进选择对中间主梁的横梁截面尺寸进行优化设计，计划通过增大横梁截面尺寸，从而增强横梁的结构刚度，以避免由于共振所造成的应力值过大，使其整体香蕉型振动筛的结构更为安全可靠。由于香蕉型振动筛的主梁分为两种型号的钢管，为便于区分，上面三个横梁称为“横梁1号”，下面三个横梁称为“横梁2号”，如图5所示，具体的优化参数如表1所示。

表1 香蕉型振动筛主梁的横梁结构具体优化参数表

图5 香蕉型振动筛主梁的两种横梁结构

针对优化结构后的香蕉型振动筛再次进行谐响应分析，并对其进行频响特性曲线查看，如图6所示。从图6中可知，优化后的香蕉型振动筛在临界频率处的最大位移值明显下降，其数值为2.6 mm。

图6 优化结构后的香蕉型振动筛谐响应分析的频响特性曲线图

同时，还给出了对应频率26 Hz下的优化结构后的香蕉型振动筛的应力应变云图，如图7所示，可看出其最大应力值为117 MPa，低于材料的强度极限，因此，优化后的香蕉型振动筛在工作状态下，其优化后的结构设计完全满足要求，不会出现横梁断裂或开裂的情况，可以保证香蕉型振动筛的正常使用。

图7 优化结构后香蕉型振动筛在频率为26 Hz时的分析云图

3 实践意义

本设计是在以江苏振强机械科技股份有限公司的ZD系列香蕉型振动筛产品为工程研发背景下，对香蕉型振动筛的整体结构和性能进行设计计算与仿真分析。针对在设计香蕉型振动筛结构时存在的筛箱工作频率使用不合理、强度及刚度偏低等问题，结合企业归纳总结的工况使用环境载荷条件，全面设计了香蕉型振动筛的结构技术参数。为此，分别对香蕉型振动筛的激振器主梁、侧板、横梁等主要零部件进行了结构参数设计，尤其是对安装激振器的主梁横截面尺寸进行了优化设计，保证了香蕉型振动筛的结构强度，延长了振动筛的使用寿命。