基于ANSYS Workbench的直線振動(dòng)篩動(dòng)態(tài)特性分析

彭 飛

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063299）

0 引言

直線振動(dòng)篩由于結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、篩分效率高等特點(diǎn)在選煤行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。這種篩子的篩箱裝有2個(gè)帶有偏心塊的激振器，2個(gè)激振器內(nèi)部的偏心塊由于自同步原理在穩(wěn)態(tài)下保持同步反向旋轉(zhuǎn)，從而使振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線，因此這種篩子被稱為直線篩。國產(chǎn)的直線篩一般拋射角為45°，擁有較大的加速度，特別適用于細(xì)粒級煤炭的脫水、脫介和脫泥。本文以ZKX3636型直線振動(dòng)篩為研究對象，利用Workbench對其進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，得到其動(dòng)態(tài)特性，為篩箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

1 有限元模型的建立

振動(dòng)篩的零部件較多，在建模的過程中省略掉了一些對分析結(jié)果影響不大的零件，比如篩板、橡膠墊、入料襯板、彈簧支撐座等。由于側(cè)板、加強(qiáng)梁、橫梁等部件上的孔容易造成應(yīng)力集中，在建模過程中也進(jìn)行了省略。本文采用自由網(wǎng)格劃分方法對軸進(jìn)行劃分，控制Body Sizing為100mm。建立完的有限元模型共有138 229個(gè)節(jié)點(diǎn)，69 350個(gè)單元，網(wǎng)格單元質(zhì)量較好，能夠比較精確的進(jìn)行計(jì)算。

圖1 振動(dòng)篩有限元模型

各部分材料的參數(shù)設(shè)置見表1。

2 邊界條件的設(shè)置

本研究在振動(dòng)篩彈簧前支座和后支座的位置以Body-Ground的形式添加4個(gè)彈簧，用來模擬振動(dòng)篩的橡膠彈簧；在側(cè)板上2個(gè)激振器安裝孔中間的位置添加2個(gè)質(zhì)量點(diǎn)，用來模擬激振器的質(zhì)量；并在質(zhì)量點(diǎn)上添加遠(yuǎn)程作用點(diǎn)，激振力的作用點(diǎn)位于此位置。振動(dòng)篩的激振力來源于激振器內(nèi)偏心塊的離心力。

表 1 材料物理特性

式中P(t)為激振力，m0為偏心塊的質(zhì)量，m0=67kg，r為偏心塊的偏心距，r=85.4mm，ω為偏心塊的角速度，ω=101.5rad/s。經(jīng)計(jì)算，得到單個(gè)激振器的激振力P(t)=117404.3N。

3 模態(tài)分析

本研究設(shè)置模態(tài)求解階數(shù)為10，采用自動(dòng)求解方式，計(jì)算得到前10階的固有頻率和相應(yīng)振型如表1所示?？芍?，直線篩的固有頻率22.86Hz最接近其工作頻率16.17Hz，二者相差41%，篩箱不會發(fā)生共振，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 模態(tài)計(jì)算結(jié)果

整體上看，隨著固有頻率的增大，振動(dòng)篩振動(dòng)產(chǎn)生的最大位移呈逐漸增大的趨勢，但是位移量都相對較小。振動(dòng)篩的工作頻率較低，所以一般只關(guān)注振動(dòng)頻率附近的固有頻率和振型[1-2]。圖2、3列出了第7、8階的振型圖。

圖2 第7階振型圖

圖3 第8階振型圖

4 諧響應(yīng)分析

本研究設(shè)置頻率范圍為0～25Hz，間隙為50次，采用完全法進(jìn)行諧響應(yīng)分析。計(jì)算得到頻響曲線如圖4所示，篩箱振幅總體隨激振力頻率的增大而降低，且整體趨勢平穩(wěn)，在3Hz附近位置振幅出現(xiàn)峰值，這是由于在此位置出現(xiàn)共振現(xiàn)象，這也與3.35Hz的固有頻率的結(jié)果比較相符。圖5、6分別為頻率22.85Hz下的應(yīng)力云圖和位移云圖，可知最大應(yīng)力為12.46Hz，位于入料端梁與側(cè)板相接的位置，這是由于應(yīng)力集中造成的。除此之外，應(yīng)力較大的部分位于側(cè)板2個(gè)激振器中間位置和加強(qiáng)梁中部，大小在7.55～10.78MPa之間，其余部分應(yīng)力分布均勻，且均小于許用應(yīng)力。

圖4 頻響曲線

圖5 22.85Hz頻率下應(yīng)力云圖

圖6 22.85Hz頻率下總位移云圖

圖7 、8、9分別為工作頻率16.17Hz下的X軸、Y軸、Z軸方向的位移響應(yīng)。X軸方向的最大位移位于加強(qiáng)梁中部，大小為1.58mm，Y軸方向的最大位移位于側(cè)板出料梁方向的位置，大小為-1.29mm，二者比較相近，符合振動(dòng)方向角45±5°的設(shè)計(jì)要求。Z軸方向的最大位移為0.074mm，接近與0，說明篩箱無橫擺。圖10為工作頻率16.17Hz下的總位移云圖，可知篩箱整體位移在1.83～2.25mm之間，符合直線篩雙振幅3.5～5mm的設(shè)計(jì)要求，且振幅變化幅度較小，說明篩機(jī)整體運(yùn)行平穩(wěn)。圖11為工作頻率16.17Hz下的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為11.68 MPa，依然位于入料端梁與側(cè)板相接的位置。除此之外側(cè)板2個(gè)激振器中間部分和加強(qiáng)梁中部應(yīng)力相對較大，但整體應(yīng)力分布均勻，且小于許用應(yīng)力，說明篩箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理[3-5]。

圖7 16.17Hz頻率下X方向位移云圖

圖8 16.17Hz頻率下Y方向位移云圖

圖9 16.17Hz頻率下Z方向位移云圖

圖10 16.17Hz頻率下總位移云圖

圖11 16.17Hz頻率下應(yīng)力云圖

5 小結(jié)

本研究利用SolidWorks完成了ZKX3636型直線篩的建模，并做了適當(dāng)簡化；導(dǎo)入Workbench里完成模態(tài)分析，得到其固有頻率和振型，得知工作頻率遠(yuǎn)離固有頻率；通過諧響應(yīng)分析，得到了振幅的頻響曲線，分析了22.85Hz和16.17Hz頻率下的位移和應(yīng)力響應(yīng)，篩箱整體應(yīng)力分布均勻，數(shù)值在許用值范圍內(nèi)，篩機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)且無橫向擺動(dòng)，篩箱整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。