基于ANSYS的大型香蕉篩應力強度分析

趙環帥

0 引言

篩分是煤炭洗選的重要環節，香蕉篩作為煤炭洗選的主要設備之一，用于煤炭的分級、脫泥及磁選介質的回收，目前在我國選煤廠中得到了普遍的推廣與應用。而且結構可靠、運行穩定的大型香蕉篩已成為選煤工業用戶的首選。隨著香蕉篩跨度的不斷增加，對其本身的結構強度提出了更高的要求，同時在現場使用過程中，由于連續作業時間的不斷延長，對香蕉篩可靠性的要求也越來越嚴格。而從目前國內篩分設備的整體發展狀況來看，國產大型香蕉篩在可靠性方面與國際先進水平之間仍存在一定的差距，而且國內市場占有率一直很低，因此，自主開發制造高可靠性大型香蕉篩已成為篩分設備行業面臨的一個亟待解決的問題，同時也是未來一個重要的發展趨勢[1-4]。

本文以國內市場上常見的跨度為4.2 m的大型香蕉篩為例，采用ANSYS分析軟件研究其整體及各主要構件的內部von Mises應力分布規律，以期為大型香蕉篩的結構設計提供借鑒與參考。

1 香蕉篩的結構特點及工作原理

香蕉篩也稱為等厚篩，主要由篩箱、激振器、篩面、支撐裝置與傳動裝置等多個部件通過高強度螺栓或拉鉚螺釘連接組成的空間網狀結構[5-7]。香蕉篩結構圖如圖1所示。目前國內外香蕉篩篩面主要分為3，5和6角度。香蕉篩在工作時，隨著香蕉篩篩面傾角的逐步減小，篩面上的物料因透篩也逐步減少，物料的篩分運動速度同時降低，所以在篩分過程中，篩面上物料總能大致保持相同的篩分物料厚度。目前香蕉篩主要采用自同步原理的驅動方式，兩組箱式激振器分別安裝在驅動梁上，其產生的簡諧振動力方向與水平方向成固定夾角(國內一般采用45°)，安置在箱式激振器上的兩組偏心塊質量相同，在各瞬時做同步反向轉動，其所產生的離心力在法向的分力相互抵消，同時在振動方向的分力互相疊加，因此在運動過程中，始終形成單一的沿振動方向的簡諧激振力，同時在彈性支撐裝置的聯合作用下，驅使篩箱不斷沿斜上方做往復直線運動。

1.篩箱；2.激振器；3.篩面；4.支撐裝置；5.傳動裝置圖1 香蕉篩結構圖

香蕉篩結構具有如下特點：

(1)篩箱采用力封閉式形成的空間桁架式結構，這種結構形式能極大減少各種應力集中現象，在一定程度上提高了篩框的整體使用壽命。

(2)所有關鍵件的材料均采用優質合金結構鋼，它具有優異的耐低溫和沖擊韌性，并有良好的抗撕裂特點。

(3)橫梁采用矩形管，在橫梁及橫梁托板上噴涂聚脲耐磨防腐材料，提高了矩形橫梁表面耐磨損、耐腐蝕及耐沖擊等各項性能指標。

(4)激振梁為箱型結構，安裝、維護與使用方便。

(5)側板采用整塊鋼板，經等離子切割制成，可以保證在側板下料過程中整體結構無殘余應力的存在。

2 有限元模型的建立

首先根據香蕉篩的二維設計圖紙，采用SolidWorks三維建模軟件建立起其三維模型(圖2)，再結合ANSYS有限元軟件生成相應的三維有限元模型[8-10]。在有限元模型的建立過程中，考慮到香蕉篩各種零部件較多、連接方式多樣、結構特點復雜等問題，不可能按照香蕉篩的細節詳細建模，因此根據篩機與實際工況相似原則，在不影響其分析結果的情況下，忽略一些次要的因素，對模型的建立方法進行一些適當簡化處理。根據香蕉篩整體受力及構件的分布特點，對篩板、激振器等一些部件，及焊接、螺栓連接等接觸部位進行簡化，具體的方法為：①根據每個橫梁結構及受力的特點，把篩板的重量折合成力，分別施加在每個橫梁的槽鋼上；②由于激振器由多個部件組成，結構復雜，在計算過程中對于激振器采用質量塊來代替，施加在驅動梁的連接部位；③焊接與螺栓連接的方式采用MPC接觸算法進行粘接及剛化處理。

圖2 香蕉篩三維模型

根據現場的實際工況，在香蕉篩4個支撐座底板分別加上6個自由度的完全約束，篩框及復合彈簧使用Solide 186單元進行自由劃分，激振器質量塊采用mass 21單元與驅動裝置進行連接，通過控制有限元網格的大小實現對篩機的各個部件分別進行自由劃分。經過處理后，香蕉篩網格劃分模型如圖3所示。

圖3 香蕉篩網格劃分模型

3 基于有限元法的動力學分析

香蕉篩在運動過程中，在兩組箱式激振器上的偏心塊所產生的簡諧交變激振力的連續激振作用下，香蕉篩的一些主要部件(側板、橫梁、驅動梁等)會產生應力分布，而應力分布規律及數值大小對香蕉篩的整體可靠性有著極其重要的影響。因此，為研究與分析香蕉篩的可靠性，對香蕉篩的整體與各個部件進行動力學分析(諧響應分析)。

在香蕉篩的驅動梁相應位置的兩個質量塊上，分別加上計算折合后的簡諧激振力(圖4)，得出在其工作頻率(16.16 Hz)情況下，香蕉篩篩箱整體Von Mises等效應力分布圖，如圖5所示。

圖4 簡諧激振力

圖5 篩箱等效應力分布圖

從圖5可以得出，香蕉篩最大值Von Mises應力達到13 MPa，主要分布在橫梁法蘭與鋼管、驅動梁法蘭與矩形截面梁連接處。

為分析篩箱各部件(側板、驅動梁、橫梁)的Von Mises應力分布特點及規律情況，將各部件單獨進行分析，結果如圖6-8所示。

圖7 驅動梁應力分布圖

圖8 橫梁應力分布圖

由以上分析圖得出如下結論：

(1)從圖6看出：側板的von Mises應力主要集中于激振器側板附近、加強梁側板附件、中部橫梁側板附件。

(2)從圖7看出：驅動梁的von Mises應力主要集中于激振器及兩端法蘭附近。

(3)從圖8看出：橫梁的von Mises應力主要分布在橫梁中部與橫梁兩法蘭附近。

4 結論

通過動力學分析得出如下結論：該類型香蕉篩von Mises應力主要集中于橫梁法蘭與鋼管、驅動梁法蘭與矩形截面梁連接處以及加強梁或橫梁中間部分，但von Mises應力數值較小，結構強度達到設計要求，說明此類型香蕉篩整體結構穩定，布局合理。

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