試論振動篩振動與強度崔有權

馬路

摘 要：在礦山和冶金企業中，振動篩被廣泛應用于選礦、選煤，它是一種大型的機械設備。由于振動篩工作的時候是往復振動的，除了工作需要的振動還包含破壞機構的振動，振動篩的面積越大越容易產生變形，導致振動篩整體較快破損、使用壽命減少。所以說，以前的用經驗、類比和靜態設計方法設計機構已經遠遠不能滿足要求了。因此，必須采取有效的技術處理機械結構的動態強度問題，本課題特別為解決這一問題而做。通過模態試驗測出某型號香蕉篩的模態參數，用三維軟件對某型號高頻脫水篩進行建模，然后用ANSYS進行模態分析，計算出固有頻率、振型，研究后發現二者的固有頻率均遠離其工作頻率，避免了共振；這也是本文想要解決的問題。

關鍵詞：振動篩；動態特性；模態分析；有限元分析

1 前言

伴隨著振動篩功能越加齊全，人們對于振動篩結構強度越加關注。現階段，為了能夠解決振動篩振動強度問題，研究人員已經從多個方面進行了大量研究工作，基本上都是通過有限元軟件對動力學進行研究。但是由于振動篩有限元數量較多，進而整個研究成本及時間都較高。實驗模態分析方法對振動篩的振動與強度進行研究，具有重要現實意義。

2 香蕉篩實驗模態分析

模態分析產生于上世紀30年代，是以導納及機械阻抗作為前提條件，經過多代研究人員共同努力，現在已經形成了相對完善理論方案。近幾年，模態分析理論還是和自動控制、數理統計等知識相結合，并且按照自身發展特征，構建了全新理論體系，這也為模態分析奠定了堅實基礎條件。

2.1 試驗結構的支撐方式

試驗結構主要由兩部分構成，分別為原型及模型，對特殊結構及設計結構分析上主要應用模型試驗。模型試驗在應用振動篩分析研究過程中，需要按照有關理論制造模型，在考慮幾何相似情況下，還需要考慮振動篩動力相似性。任何試驗都需要考慮結構邊界，即便物體結構相同而邊界條件不同，結構所呈現出來的特性就會存在差別。按照模型實際結構情況，結構邊界條件主要可以分為三種類型，分別為固定支撐、原裝支撐及自由支撐。一般情況下，試驗主要選擇遠程支撐方式，本文也就選擇原裝支撐的支撐方式。

2.2 激振器與激勵方式

振動篩模態試驗分析過程中，最為關鍵的一個步驟就是激勵系統配置及安裝。激勵系統是否選擇及安裝合作，對最終試驗結果精度會造成直接影響。一般情況下，激勵裝置主要分別為兩種類型，分別為力錘錘擊法與激振器激勵。激振器體積較大，搬動難度較高，但是力錘攜帶方便，并且可以激振起香蕉篩，進而本文選擇力錘錘擊法。

按照模態試驗理論，從激勵數量及區域來說，激勵方式主要可以分為兩種類型，分別為單點激勵與多點激勵。單點激勵作為最常見的激勵方式，是一個點向一個方向所作出的激勵測試，并不需要其他坐標方向作為保證。多點激勵表示同時向多個點施加激勵的方式。多點激勵在應用過程中可以顯著增加激勵能量，但是整個激勵流程十分復雜，進而小型試驗無法開展多點激勵。按照現階段試驗室硬件配備來說，本文采取單點激勵方式。

2.3 激勵點及響應點的布置

一般情況下，無法立即就在實驗中找到最佳激勵點，進而必須具有一定耐心。傳感器自身就具有質量，進而傳感器在與振動篩相連接之后，振動篩需要承受附加質量，試驗檢測精確度就會受到影響。按照試驗理論分析可知，傳感器質量在低于全部構件十分之一情況下，可以暫時忽視傳感器的質量。傳感器在實際安裝過程中需要特別注意；（1）合理選裝傳感器的安裝位置，保證振動篩可以全面反應所檢測到的響應；（2）傳感器自身的質量對振動篩結構會造成一定影響，進而需要盡可能減少傳感器附加質量，進而保證實驗結果精確性。

2.4 模態試驗檢測結果

由于試驗時間較為緊張，本次試驗并未對香蕉篩進行振型向量檢測，僅僅對香蕉篩頻的頻率、振型、質量、剛度等參數進行檢測。

為了能夠保證模態實驗最終結果精確性，筆者特意測試了一下響應及錘擊狀態下香蕉篩情況。香蕉篩不管是在響應還是在錘擊狀態下，都和香蕉篩實際運行情況相吻合，進而本次實驗具有一定可操作性。

3 高頻脫水篩有限元分析

3.1 模態分析

3.1.1 正對稱約束時固有頻率及振型

為了能夠對高頻脫水篩正對稱約束固有頻率及振型深入了解，筆者對開展了多次試驗。在試驗之后發現，高頻脫水篩的正對稱約束時固有頻率及振型為107.58HZ，這也就表示高頻脫水篩額定頻率為24HZ，和運行頻率之間相差將近4.4倍，進而高頻脫水篩在運行中不會出現共振問題。

3.1.2 反對稱約束時的固有頻率和振型

在對高頻脫水篩前30個階段固有頻率及振型計算完畢之后，按照試驗所得到的數據結果顯示可知，高頻脫水篩反對稱約束的固有頻率為28.48Hz。

3.2 靜力學分析

3.2.1 整體的位移及應力

在經過分析計算之后，對高頻脫水篩的等效位移分布情況有了初步了解。高頻脫水篩所產生的最大應力應該位于螺栓上面，數值大約為35MPa。

3.2.2 靜力學結果分析

按照上述內容顯示可知，高頻脫水篩所產生的最高應力出現在主梁上面，應力數值為36.4854MPa。脫水篩箱體主要材料為鍋爐鋼，但是主梁的主要材料為碳素結構鋼。脫水篩箱體在運行過程中，會受到動態載荷約束，進而脫水篩所選擇的安全系數應該為5。

4 瞬態動力學分析

瞬態動力學分析也被稱之為時間歷程分析，主要了解結構隨著時間變化載荷所發生的變化。瞬態動力學分析可以在瞬態載荷、靜載荷、簡諧載荷等結構之下，了解位移、應力、應變隨著時間推移所發生的變化。在瞬態動力學分析中，時間及載荷是其中主要影響因素，在慣性力及阻尼數值較小情況下，瞬態分析可以用靜力學分析所替代。

瞬態動力學分析常見的方法有三種，分別為完全法、縮減法及模態疊加法。本文在對振動篩瞬態動力學分析中，應用模態疊加法分析。模態疊加法主要是借助模態所檢測到的振型，然后乘以因子，最終求得計算結構的響應數值。振型疊加法在應用過程中，主要分為兩個步驟，分別為計算固有頻率及動力響應。動力響應和低階模態之間有著一定關聯，動態響應決定著低階模態頻率。

4.1 積分方法的選擇

結構動力響應實際上受到較多因素影響，其中時間步長就是主要影響因素。對時間步長設置過程中，需要從計算精確度角度分析，確定振動篩最大時間步長。結構動力學有關問題分析研究中，主要應用隱式算法分析，進而對時間步長的要求僅僅體現在精度上面。本文在對振動篩瞬態動力學分析研究中，積分方案沒有任何穩定條件，進而本文應用隱式算法。

4.2 時間步長的計算

時間步長決定著瞬態分析計算結果的精確性，時間步長差值越小，瞬態分析計算結構精確度也就越高。但是時間步長要是過大，模態響應就會受到影響。所以，在對模態響應計算過程中，在盡可能選擇較小的時間步長情況下，還需要提升計算資源利用率。

可以將振動篩結構的動力響應，看成是每一個階段模態響應的結果。時間步長數值應該可以計算出振動篩整體響應最佳模態數值，應用隱式算法確定積分方案時，最為理想精度級結果為時間步長為最高頻率的倒數。

5 結論

本文對香蕉篩進行了實驗模態分析，對香蕉篩的固有頻率及模態質量等數值有了初步了解，然后對高頻脫水篩進行了有限元分析，初步了解高頻脫水篩運行情況。除此之外，本文還對振動篩的瞬態動力學進行了分析，最終得到了高頻脫水篩的時間位移曲線示意圖。

參考文獻：

[1] 宋書中，周祖德，胡業發.振動篩分機械發展概述及新型振動篩研究初探[J].礦山機械，2016（4）：71+74.