瀝青攪拌設(shè)備振動(dòng)篩篩體強(qiáng)度分析

孟彩茹，馮忠緒，李 磊，李學(xué)武

(長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064)

0 引言

對于瀝青路面早期破壞問題，沙慶林院士等曾做過相關(guān)研究［1－2］，并提出拌合站生產(chǎn)不出符合要求的礦料級配是其根本原因之一，同一熱料倉中礦料顆粒組成的變化太大，每一個(gè)熱料倉中至少有一個(gè)篩孔尺寸的通過量的級差在10%以上，最大可達(dá)36.3%.究其原因，目前振動(dòng)篩多是采用經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，對于振動(dòng)篩的箱體強(qiáng)度、振幅、頻率等基本參數(shù)是否匹配，如何在保證箱體強(qiáng)度的條件下通過改變振動(dòng)參數(shù)來提高篩分效率，這些都沒進(jìn)行過深入探討［3］.針對此問題，筆者在對某振動(dòng)篩的篩分效率和篩體應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，找出了造成篩分效率不高的主要原因是振幅較低，而提高振幅受限于振動(dòng)篩篩體的強(qiáng)度與壽命，通過對增大振幅前后的篩體強(qiáng)度進(jìn)行分析，驗(yàn)證通過增大振幅來提高篩分效率的辦法是可行的.

另外，大型振動(dòng)篩的關(guān)鍵問題之一是振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題.振動(dòng)篩強(qiáng)度的研究還處于起始階段，僅僅對普通振動(dòng)篩進(jìn)行強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)，對于瀝青攪拌設(shè)備振動(dòng)篩的強(qiáng)度研究基本空白，筆者針對瀝青攪拌設(shè)備振動(dòng)篩的多層振動(dòng)篩分效率、溫?zé)嵛锪系忍攸c(diǎn)進(jìn)行了分析.

1 提高篩分效率

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)JBT 4042—2008《振動(dòng)篩試驗(yàn)方法》對5SZD260型直線振動(dòng)篩的篩分效率進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，此振動(dòng)篩的基本參數(shù)見表1，通過現(xiàn)場采樣并進(jìn)行測試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果見表2.由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該振動(dòng)篩篩分效率遠(yuǎn)達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)JTT 270—2002《強(qiáng)制間歇式瀝青混合料攪拌設(shè)備》所規(guī)定的不低于85%的要求.

為尋找提高篩分效率的途徑，在現(xiàn)場還同時(shí)進(jìn)行了振動(dòng)篩振動(dòng)參數(shù)的測試.由測試數(shù)據(jù)可知，振幅的最大值為2.826 mm，最小為1.752 mm，小于設(shè)計(jì)的振幅值3 mm.因此，振動(dòng)強(qiáng)度不夠是造成該振動(dòng)篩篩分效率低的主要原因，必須提高振幅.但提高振幅必會(huì)影響篩體強(qiáng)度［4］，故應(yīng)對篩體進(jìn)行強(qiáng)度分析.

表1 試驗(yàn)用振動(dòng)篩基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of vibration screen for this Test

表2 篩分效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果Tab.2 The dates of this test and processing results

2 篩體強(qiáng)度分析

所采用的技術(shù)路線是：先在有限元軟件ANSYS中進(jìn)行仿真分析，得到應(yīng)力最大點(diǎn);選擇十個(gè)應(yīng)力較大點(diǎn)，通過粘貼應(yīng)變片測量應(yīng)力應(yīng)變，來驗(yàn)證仿真模型是否正確;以此模型在ANSYS中進(jìn)行靜力分析，滿足要求后再進(jìn)行熱力耦合分析和模態(tài)分析，來驗(yàn)證增大振幅后振動(dòng)篩的強(qiáng)度和可靠性是否滿足條件.

2.1 篩體強(qiáng)度的仿真

將振動(dòng)篩在Pro-E中進(jìn)行建模，建模完成后存為IGS格式后導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行分析［5］，先對振動(dòng)篩進(jìn)行靜力分析，振動(dòng)篩側(cè)板采用板殼單元，中間橫梁采用梁單元，板與梁的連接設(shè)為剛性連接.將激振力加入模型中，同時(shí)加入4組彈簧單元.ANSYS中網(wǎng)格的劃分及激振力的加載見圖1(a)所示，在ANSYS中設(shè)定X向?yàn)檠卣駝?dòng)篩長度方向，Y向?yàn)樨Q直方向，Z向?yàn)榇怪庇诤Y板方向.ANSYS靜力仿真的應(yīng)力分布圖見圖1(b)，振動(dòng)篩Z方向上的應(yīng)力見圖1(c)所示.

由圖1(b)可知，振動(dòng)篩在連接振動(dòng)梁的兩側(cè)板上受力集中，最大點(diǎn)為9.02 MPa，其他位置受力很均勻，沒有突然變形，符合實(shí)際中振動(dòng)篩的破壞位置.由圖1(c)可知，振動(dòng)篩Z方向上受力很小，大部分在 －1.9～1.2 MPa之間，所以實(shí)際測量中只需測X、Y兩方向上的應(yīng)力.

2.2 試驗(yàn)測試

通過應(yīng)變儀來測得［6］.由于應(yīng)變儀不便處理數(shù)據(jù)，在實(shí)際測量中，將應(yīng)變儀與數(shù)據(jù)采集儀連接，這時(shí)的應(yīng)變儀起增強(qiáng)信號(hào)的作用.數(shù)據(jù)采集儀靈敏度不高，如果信號(hào)不進(jìn)行增強(qiáng)，數(shù)據(jù)采集儀將采集不到信號(hào)［7］.應(yīng)變片貼片位置如圖2所示，應(yīng)變片采用雙臂電橋補(bǔ)償，在同一位置分別測量兩個(gè)相互垂直的位置.試驗(yàn)振動(dòng)篩處在空載常溫狀態(tài)下，試驗(yàn)現(xiàn)場見圖3所示，得到振動(dòng)篩各位置處應(yīng)力大小和應(yīng)力的仿真數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)的比較如表3所示.

圖1 振動(dòng)篩在ANSYS中的仿真Fig.1 Simulation of the vibration screen in ANSYS

圖2 應(yīng)變片布置圖Fig.2 Arrangement of the strain gauge

實(shí)際測量的應(yīng)力值比仿真值偏大，誤差基本在20%以內(nèi)，所以，ANSYS模型是基本符合實(shí)際情況的，可作為進(jìn)一步分析的依據(jù).同時(shí)發(fā)現(xiàn)，空載常溫工作時(shí)篩體最大應(yīng)力值11.24 MPa，篩體還可以承受更大的激振力.

圖3 篩箱強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.3 The test scene about screen box strength

表3 應(yīng)力的仿真數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)及其比較Tab.3 Theoretical stress data with their test data and the comparison theirs

2.3 仿真分析

2.3.1 篩體靜力強(qiáng)度分析

增加振幅就是提高激振力.在ADAMS中對振幅進(jìn)行仿真，并找出激振力與振幅的關(guān)系，當(dāng)激振力增加到1.6倍時(shí)振幅為3.99 mm，2倍時(shí)振幅4.72 mm.振幅增大后，在ANSYS中重新對振動(dòng)篩進(jìn)行篩體強(qiáng)度的分析，看是否大于振動(dòng)篩的篩體許用應(yīng)力，圖1(d)為激振力增大到2倍時(shí)振動(dòng)篩的總應(yīng)力情況.由圖1(d)可知，振動(dòng)篩最大應(yīng)力點(diǎn)的值51.8 MPa，仍然小于許用應(yīng)力值，因此，振動(dòng)篩的靜力強(qiáng)度滿足要求.

2.3.2 篩體熱力耦合分析

由于在瀝青攪拌設(shè)備中，振動(dòng)篩的篩分物料是從干燥滾筒出來的熱物料，溫度對篩體應(yīng)力應(yīng)變有很大的影響［8］，故在ANSYS中應(yīng)進(jìn)行熱應(yīng)力分析.記下靜強(qiáng)度分析中X向、Y向最大應(yīng)變值，將幾個(gè)最大應(yīng)變值分別加載到熱力耦合的單元中進(jìn)行熱力分析［9］.沿側(cè)板長度方向在側(cè)板上取0.8 mm的單元，側(cè)板厚度為8 mm，故在 ANSYS中為一長方形面，設(shè)箱側(cè)板內(nèi)溫度為160℃，箱外溫度為25℃.采用間接法來計(jì)算熱應(yīng)力，對單元的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行熱力耦合，將上面測得的最大應(yīng)變值和溫度場都加載到單元上，得到單元熱應(yīng)力變化情況，見圖4(a)所示.

由圖4(a)中熱力分析可知，與普通振動(dòng)篩相比，溫度對瀝青混合料篩體的強(qiáng)度是有很大影響的，應(yīng)變呈層狀分布，最大應(yīng)力變?yōu)?3.2 MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)為篩箱內(nèi)側(cè)的位置.將激振力增大到2倍時(shí)振動(dòng)篩的總應(yīng)變點(diǎn)的應(yīng)變值記錄下來，同樣加載到模型上，加載結(jié)果見圖4(b)所示，得最大的應(yīng)力值為108 MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)位置不變.

由以上分析表明，溫度場對振動(dòng)篩篩體強(qiáng)度有很大的影響，振幅在4.72 mm時(shí)應(yīng)力為108 MPa，還是滿足許用應(yīng)力要求的.

2.3.3 篩體模態(tài)分析

系統(tǒng)的固有特征一般用模態(tài)參數(shù)來表征［10］，故在ANSYS中對振動(dòng)篩進(jìn)行模態(tài)分析，得到1 Hz以上的前10階頻率如表4所示.由振動(dòng)篩振動(dòng)參數(shù)的測試得到振動(dòng)篩的實(shí)際工作頻率為19.5 Hz.由表4可看出，第8階的17.63 Hz和第9階的22.37 Hz都與工作頻率19.5 Hz相差較大，不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，振動(dòng)篩工作滿足要求.

圖4 篩體單元在ANSYS中的熱應(yīng)力模擬Fig.4 Thermal stress simulation of the screen unit in ANSYS

表4 振動(dòng)篩10階頻率表Tab.4 10-order frequency table of vibration screen

從振動(dòng)篩的模態(tài)分析可知，振動(dòng)篩工作頻率與固有頻率不重合，觀察其振型應(yīng)力變化圖可得，十階振型中都沒發(fā)生嚴(yán)重的變形.通過以上對振動(dòng)篩的靜力分析、熱力耦合分析和模態(tài)分析可知，增大振幅后振動(dòng)篩篩體強(qiáng)度滿足要求.

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

將此振動(dòng)篩按照以上分析進(jìn)行改進(jìn)，激振力提高到原來的1.6倍，測得振幅最大值為4.596 mm，最小值為 3.464 mm，振幅有效值為 4.020 mm.對此時(shí)的振動(dòng)篩再進(jìn)行篩分效率試驗(yàn)，測得結(jié)果見表5所示.每層的篩分效率均能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)JTT 270—2002《強(qiáng)制間歇式瀝青混合料攪拌設(shè)備》所規(guī)定的篩分效率.表2與表5比較可得，增加激振力，提高振幅，可有效提高篩分效率.

4 結(jié)論

(1)通過篩分效率試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)振動(dòng)篩篩分效率低于國家標(biāo)準(zhǔn)，必須增大篩體的振幅.

表5 1.6倍激振力時(shí)各層篩分效率Tab.5 The screening efficiency in 1.6 times excitation force

(2)通過篩體的強(qiáng)度試驗(yàn)與分析可知，振動(dòng)篩靜力最大值集中在連接振動(dòng)梁的兩側(cè)板上，其他位置受力很均勻，應(yīng)力的分布是左右對稱的，振動(dòng)篩靜力強(qiáng)度有足夠的裕度.

(3)篩體的熱力耦合分析可知，振動(dòng)篩篩體在高溫工作時(shí)應(yīng)力值增加較多，在受熱狀態(tài)下篩體的強(qiáng)度也滿足要求.

(4)仿真分析和實(shí)踐證明，將振動(dòng)篩激振力提高到原來的1.6倍，篩體名義振幅增大到4.02 mm，這時(shí)篩分效率能夠達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，篩體強(qiáng)度仍然足夠.同時(shí)，提高振動(dòng)篩幅值能有效的提高振動(dòng)篩的篩分效率.

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