基于Workbench的BVB4361香蕉篩動態特性研究

呂高常

(1.天地(唐山)礦業科技有限公司，河北 唐山063399；2.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山063012；3.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山063012)

近年來，由于我國對保護環境和節約能源的高度重視，原煤入選比例逐年提高，煤炭洗選加工行業得到快速發展。振動篩在煤炭洗選加工作業中具有脫泥、脫介、脫水、分級等作用，是煤炭洗選加工作業的重要設備，在選煤廠應用比較廣泛[1-2]。隨著我國大型選煤廠的建設和老選煤廠的升級改造，振動篩尤其是大型振動篩將在選煤廠得到大量使用。

振動篩是由側板和橫梁、加強梁、驅動梁等組成的三維空間結構，在交變載荷作用下，其結構不可避免的產生整體或局部彈性形變，進而產生動應力。如果動應力數值較大或分布不均，篩機容易產生篩箱側板開裂、橫梁斷裂等故障[3-4]。為此，采用Workbench有限元分析軟件，對BVB4361香蕉篩(屬于大型振動篩)動態特性進行研究，并分析篩機模態參數分布規律及其在簡諧激振力作用下的應力響應、位移響應，進而為大型振動篩的結構優化提供具體思路。

1 BVB4361香蕉篩

1.1 結構組成

BVB4361香蕉篩是天地(唐山)礦業科技有限公司在SXJ系列香蕉篩基礎上優化設計而成的新型設備，主要用在洗選能力5.00 Mt/a以上的大型選煤廠。BVB4361香蕉篩主要由篩箱、激振器、傳動裝置、支撐裝置等組成，效果圖如圖1所示。

圖1 BVB4361香蕉篩效果圖

1.2 結構特點

BVB4361香蕉篩具有以下結構特點：

(1)與SXJ系列香蕉篩相比，BVB4361香蕉篩側板位置經過優化，側板周邊及其他部位布置有加強角鋼和異形加強板，進而形成力封閉式結構，使側板縱橫兩向的剛度得到增強，工作過程中的彈性形變減少，從而有效避免側板開裂問題。

(2)篩下橫梁采用矩形無縫鋼管焊接而成，表面噴涂有彈性體材料，使其表面的耐腐蝕性提高，橫梁使用壽命延長。

(3)篩機采用強迫同步型箱式激振器驅動，該激振器采用大螺旋角精密齒輪傳動，具有質量輕、激振力強、噪聲小的特點，且運行平穩，使用壽命長。

(4)激振器安裝梁(驅動梁)選用質量輕、抗彎抗扭強度和剛度大的箱形梁，鋼板選用具有抵抗厚度方向變形能力的合金結構鋼[5]。驅動梁經焊接、完全去除應力處理后，在高精度加工中心一次完成各裝配面，能夠有效保證加工精度。

(5)篩機選用立式皮帶輪減速傳動裝置，其具有結構緊湊、可靠性高、拆裝方便等優點。

(6)篩機可配置入料量在線監測系統，能夠實現根據入料量變化在線調節篩機的振動強度，從而達到提高篩分效率，降低設備能耗，延長設備使用壽命的目的。

2 模態分析

2.1 有限元網格模型的建立

BVB4361香蕉篩屬于大型振動設備，必須對其結構進行模態分析，以確定篩機模態參數是否合理，進而避免結構共振的問題出現[6]。為此，在Solidworks中建立 BVB4361香蕉篩的三維模型，并將其導入Workbench中；將各零部件組成一個多體部件體，以實現各零部件仿真計算的拓撲共享[7-8]。利用Workbench的自動網格劃分功能對其進行網格劃分，形成326 968個單元，節點數為647 393個。最終生成的BVB4361香蕉篩網格模型如圖2所示。

圖2 BVB4361香蕉篩的有限元網格模型

由于劃分網格的質量直接決定計算結果的精確度，故Workbench中評價劃分網格質量的指標單元質量(element quality)是衡量準則為網格的邊長比，該數值越接近1，說明劃分網格的質量越好。在結構分析中，當單元質量平均值大于0.30時，即可滿足一般的工程需要，此次網格劃分的單元質量平均值為0.41。

2.2 邊界條件的設置

首先，將BVB4361香蕉篩的四個支座位置設置成彈簧連接[9-10]；再在Workbench求解器中修改提取模態數量為20，求解方法選擇program controlled，其余為默認設置；然后進行求解，得到篩機前20階模態參數。其中，40 Hz以內的前13階模態頻率和振型見表1。

由表1可知：前6階振型分別表現為篩機沿三個軸的平動和繞三個軸的轉動，不存在扭曲變形，不會對篩機運轉產生額外的應力，故稱為篩機的剛體模態，它是任何固體結構固有的模態參數；前6階低頻階段全部為剛體模態，說明邊界條件及約束處理是合理的。7—13階振型表現為篩機整體或局部扭動，導致篩機產生彈性形變，進而產生應力，這部分模態屬于彈性模態；第7、第8兩階頻率分別為13.21、15.81 Hz，與篩機工作頻率15.50 Hz比較接近，且這兩階振型(圖3、圖4)表現為篩機出料端、入料端的左右扭動，進而產生動應力。因此，需要進一步分析篩機在這兩個頻率下具體的動應力數值及分布，以確定這兩階模態參數是否對篩機正常工作產生不良影響。

表1 前13階模態參數

圖3 第七階振型(13.21Hz)

圖4 第八階振型(15.81 Hz)

2.3 動應力分析

BVB4361香蕉篩在實際工作過程中的振動是各種模態振型按照一定比例疊加的結果，因此，篩機工作時會產生一定程度的形變，從而產生動應力。為了提高篩機工作的可靠性，必須對動應力進行分析，確定動應力數值及其分布是否合理。

在模態分析的基礎上采用Workbench對BVB4361香蕉篩進行諧響應分析，先將激振力加載在驅動梁上的激振器安裝位置，采用程序默認的方法求解，進而獲得篩機在正弦載荷作用下的穩態響應。頻率分別為13.21、15.81 Hz時篩機的動應力響應如圖5、圖6所示。

圖5 頻率13.21 Hz時篩機的動應力響應

圖6 頻率15.81 Hz時篩機的動應力響應

由圖5可知：在頻率為13.21 Hz時，動應力最大值為21.99 MPa，該數值出現在側板內側篩板支撐角鋼的角上，這是由應力集中引起的，可以不做考慮；排除應力集中后，動應力較大的部位在出料端加強梁中間，其數值在9.78～12.21 MPa之間，其余部位的動應力值均小于4.89 MPa，說明篩機的整體動應力分布均勻，且數值均小于許用應力值34.50 MPa。對圖6進行分析，可以得出與圖5相同的結論。綜合分析，工作頻率附近的兩階彈性模態對篩機正常工作影響很小，可以不做考慮。

3 諧響應分析

3.1 位移響應分析

在工作頻率15.50 Hz下，BVB4361香蕉篩沿X軸(篩機長度)、Y軸(篩機高度)、Z軸(篩機寬度)三個方向的位移響應及合成位移響應如圖7—10所示。

圖7 篩機沿X軸的位移響應

圖8 篩機沿Y軸的位移響應

圖9 篩機沿Z軸的位移響應

圖10 篩機的合成位移響應

由圖7—10可知：篩機沿X、Y軸的位移響應在數值上幾乎一致，這驗證了篩機振動方向角為45°，與設計振動方向角一致。篩機沿Z軸的位移響應數值很小，幾乎為零，說明篩機工作時橫向擺動很小。篩機的合成位移最小值為4.49 mm，其出現在入料端；最大值為4.97 mm，出現在出料端；篩機前后兩端的位移差值較小，篩機運行平穩。

3.2 動應力響應分析

在工作頻率15.50 Hz下，BVB4361香蕉篩的動應力響應如圖11所示。由圖11可知：篩機的最大等效應力數值為18.21 MPa，其出現在出料端加強梁法蘭的邊角上(圖12)，這是由應力集中引起的；排除應力集中后，動應力較大的部位在出料端加強梁中間部位，數值在10.12～12.14 MPa之間，其余部位應力值均小于6.07 MPa，說明篩機的整體動應力分布均勻，且數值均小于許用應力值34.50 MPa，整體強度達到了振動篩設計規范要求。

圖11 工作頻率15.50 Hz時篩機的動應力響應

圖12 篩機的動應力最大部位

4 性能檢驗

按照JB/T 10460—2015《香蕉形直線振動篩》等技術標準，對BVB4361香蕉篩進行出廠檢驗，結果見表2。

表2 性能檢驗結果

由表2可知：篩機的各項應檢指標均達到了技術標準要求，對稱點振幅差、橫向擺動等關鍵性能指標數值遠遠低于技術標準規定的數值。

5 結論

采用Workbench有限元分析軟件對BVB4361香蕉篩進行模態分析和諧響應分析，可以得到以下結論：

(1)篩機工作頻率15.50 Hz附近存在13.21 Hz和15.81 Hz兩階彈性模態，兩者的動應力數值及其分布滿足工況要求；這兩階彈性模態對篩機正常工作影響很小，可以不做考慮。

(2)篩機工作頻率為15.50 Hz時，位移響應和應力響應均能滿足篩機的剛度和強度要求，篩機的各項性能指標達到了相關技術標準要求。