糧油籽粒振動清理篩結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性研究

王中營，王鳳成，原富林，郭永剛，何常銀

(1.河南工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，鄭州 450007； 2.國家糧食加工裝備工程技術(shù)研究中心，河南 開封 475200； 3.河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，鄭州 450007； 4.河南茂盛機械制造有限公司，河南 開封 475200)

振動清理篩是糧油加工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的清理設(shè)備之一，其作用是清除糧油籽粒中的大、中、小雜質(zhì)[1]，倘若配置吸風(fēng)分離系統(tǒng)還能清除糧油籽粒中的灰塵和輕雜。近年來，我國糧油加工企業(yè)逐漸向規(guī)模化、集成化和大型化的方向發(fā)展，對大型、高效、節(jié)能環(huán)保、高可靠性以及高穩(wěn)定性的振動清理篩的需求日益強烈[2]。然而，振動清理篩工作環(huán)境惡劣，受力狀況復(fù)雜，其主要零部件要長期承受周期性交變載荷，導(dǎo)致篩箱側(cè)板、橫梁等零部件時常發(fā)生斷裂事故，嚴(yán)重影響振動清理篩工作的可靠性和使用壽命[3-6]，給糧油加工企業(yè)帶來安全隱患和經(jīng)濟損失。

近年來，國內(nèi)眾多研究者對糧油籽粒振動清理篩進行結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真分析和試驗研究。余南輝[7]、高燕[8]、趙丹[9]等先后采用有限元法對不同型號的TQLZ型振動清理篩的篩箱進行了模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析，得到了不同結(jié)論。武文斌等[10]采用有限元法對TQLZ型振動清理篩的篩箱進行了結(jié)構(gòu)靜、動力學(xué)分析，并采用動態(tài)測量儀測量了篩體的機械強度，結(jié)果顯示最大應(yīng)力發(fā)生在篩體的支撐處。上述研究主要是針對篩箱進行了結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真分析，實際上進料箱和出料箱與篩箱是通過螺栓聯(lián)接的，進料箱和出料箱作為振動的一部分對篩箱振動和剛度的影響是不可忽略的。然而，有關(guān)進料箱、出料箱和篩箱以及機架作為一個振動整體的結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究尚不多見。

本文以TQLZ100×200型振動清理篩為研究對象，在建立振動清理篩的三維實體簡化模型后，采用有限元法對振動清理篩整機結(jié)構(gòu)進行動力學(xué)分析，以尋求振動清理篩整機結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型以及易斷裂部位，使振動清理篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計避免共振和斷裂，為今后開展動力學(xué)試驗研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 振動清理篩的結(jié)構(gòu)與工作原理

糧油籽粒振動清理篩的三維結(jié)構(gòu)見圖1。如圖1所示，振動清理篩主要由機架、篩箱、振動電機、進料箱、出料箱、篩格以及橡膠彈簧等部分組成。篩箱前、后端分別與進料箱和出料箱連接，篩箱內(nèi)安裝有兩層抽屜式篩格，篩箱兩側(cè)中心圓盤電機座上安裝有2臺振動電機，圓盤電機座與篩箱通過高強度螺栓聯(lián)接。篩箱由4組橡膠彈簧支撐在機架上，橡膠彈簧存在較大阻尼，使振動清理篩在啟動或停機時能有效地抑制產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，降低篩箱共振振幅。

圖1 振動清理篩的三維結(jié)構(gòu)

振動清理篩工作時，2臺振動電機以相同的角速度相向轉(zhuǎn)動，振動電機內(nèi)部偏心塊產(chǎn)生的離心慣性力沿篩體橫向方向上相互抵消，沿篩體縱向方向上相疊加，篩體在這一簡諧力的作用下做往復(fù)運動。松開圓盤電機座上的高強度螺栓，圓盤電機座可以繞其中心軸進行一定角度的旋轉(zhuǎn)，進而改變雙振動電機的激振力方向和振動清理篩的振動方向。通過調(diào)節(jié)振動電機內(nèi)部一對偏重塊的重疊面積，可以改變雙振動電機的激振力大小和振動清理篩的振幅。

2 振動清理篩有限元模型建立

2.1 簡化模型建立

綜合考慮振動清理篩的結(jié)構(gòu)形狀、邊界約束條件、載荷加載方式、計算時間成本及可行性等，在滿足工程精度的前提下，對振動清理篩三維實體模型的一些特征進行簡化：振動電機的整體剛度遠(yuǎn)大于篩箱外殼及橫梁的剛度，因此將振動電機簡化為剛性的實心變截面圓柱體，其質(zhì)量、安裝方式、外形結(jié)構(gòu)及尺寸與原型機一致；省略掉尺寸較小的倒角、圓角、螺栓、螺母、小孔等，并采用原實體材料進行覆蓋。在SolidWorks軟件中建立振動清理篩三維實體模型并導(dǎo)入ANSYS Workbench模態(tài)分析模塊中。

2.2 材料屬性

振動清理篩采用2種材料，如表1所示，在模態(tài)分析模塊中根據(jù)此表格輸入材料庫。

表1 材料屬性

2.3 接觸面定義

振動清理篩是由不同零部件裝配而成，在劃分有限元網(wǎng)格前需要明確各零部件之間的裝配關(guān)系，即各零部件接觸部位的作用方式，否則，機械結(jié)構(gòu)在實際運作中，各零部件之間的相互作用關(guān)系就會失效，在這種情況下做出的仿真分析，結(jié)果是沒有實際參考價值的。因此，在幾何結(jié)構(gòu)中將一起運動的零部件即篩箱、進料箱、出料箱、圓盤電機座、振動電機等各部件之間的接觸方式設(shè)置為粘貼，使其作為一個運動整體，同時將橡膠彈簧與機架和篩體的連接方式設(shè)置為綁定接觸。

2.4 有限元網(wǎng)格劃分

振動清理篩有限元網(wǎng)格劃分采用軟件自動網(wǎng)格劃分模式，根據(jù)部件的不同結(jié)構(gòu)和部件間的接觸面類型會產(chǎn)生不同的單元類型和不同的網(wǎng)格密度，劃分后見圖2。

圖2 振動清理篩有限元模型

如圖2所示，振動清理篩有限元模型生成的有限元單元73 365個，節(jié)點153 096個。

3 振動清理篩模態(tài)分析

3.1 約束與載荷施加

模態(tài)分析時外界載荷無需加載，只需要將機架4個腳與地面設(shè)置為固定約束即可。

3.2 模態(tài)分析結(jié)果

由振動力學(xué)理論可知，在機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動過程中，高階的固有頻率和振型因阻尼而迅速衰減，較低階的固有頻率和振型起主導(dǎo)作用，隨機振動90%的能量包含在前10階固有頻率中[2]，TQLZ100×200型振動清理篩的工作頻率是16 Hz，屬于低階振動，因此本文在對振動清理篩進行模態(tài)分析時，只需要提取前10階0～30 Hz的固有頻率和振型即可。表2為提取的振動清理篩前10階的固有頻率和振型描述，圖3為振動清理篩部分振型圖。振型圖反映了振動清理篩振動位移的相對變化規(guī)律，是位移比值，如果要求計算振動清理篩在激振力作用下的真實位移、應(yīng)力和應(yīng)變，需要進行諧響應(yīng)分析。

表2 振動清理篩前10階模態(tài)

圖3 振動清理篩部分振型圖

分析表2和圖3可以看出，前6階模態(tài)中振動清理篩僅沿某個方向或繞某軸做剛體平動或轉(zhuǎn)動，第7～10階模態(tài)是橡膠彈簧在做振動而篩體振型值幾乎為零，振動清理篩的工作頻率16 Hz介于第6階和第7階模態(tài)之間。因此，振動清理篩在穩(wěn)定工作狀態(tài)中不會產(chǎn)生共振，符合機械結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計要求。但是，振動清理篩在啟動和停機過程中會經(jīng)過1～6階的固有頻率，如果篩體左、右或者前、后受力差別較大，篩體會產(chǎn)生較強的剛性平動或扭轉(zhuǎn)振動，需要一段時間才能穩(wěn)定下來。因此，在振動清理篩的設(shè)計時必須計算好篩體的中心位置，使橡膠彈簧的彈性系數(shù)接近，雙振動電機的電氣參數(shù)和激振力大小盡量保持一致，這樣振動清理篩在啟動和停機過程中經(jīng)過共振區(qū)的時間很短暫，振幅也很小，對振動清理篩的結(jié)構(gòu)和振動特性的影響甚微。

4 振動清理篩諧響應(yīng)分析

4.1 約束與載荷施加

諧響應(yīng)分析過程與模態(tài)分析類似，諧響應(yīng)分析中簡諧載荷加載需要給定頻率、幅值以及相位角。參照文獻[11]給出的參數(shù)計算施加在篩體上的激振合力幅值為2.4×104N，設(shè)置圓盤電機座為載荷面，每個圓盤電機座施加1.2×104N載荷，振動方向角為30°，激振力加載后的模型如圖4所示。

圖4 施加載荷后的諧響應(yīng)分析模型

4.2 諧響應(yīng)分析結(jié)果

采用完全法對諧響應(yīng)進行計算，將簡諧載荷頻率設(shè)定在0～30 Hz之間，分析振動清理篩在該頻率段簡諧力作用下的動態(tài)響應(yīng)情況。

圖5為振動清理篩在16 Hz簡諧激振力作用下穩(wěn)態(tài)工作時的等效應(yīng)力云圖。

圖5 振動篩等效應(yīng)力云圖

如圖5所示，最大等效應(yīng)力發(fā)生在橡膠彈簧與篩體之間支撐板加強筋處，結(jié)果與文獻[10]試驗測量結(jié)果吻合。

圖6為振動清理篩在16 Hz簡諧激振力作用下的位移云圖。由圖6可以看出，整個篩體的振幅比較均勻，幅值為4.11 mm。在振動清理篩側(cè)壁上取4個測量點，如圖7中所示的前端點、中上點、中下點和后端點，研究測量點沿y向和z向的位移-頻率響應(yīng)曲線。

圖6 振動篩總體位移云圖

圖7 測量點取點位置

圖8為前端點的y向和z向位移-頻率響應(yīng)曲線。由圖8可以看出，在16 Hz時前端點y向和z向振幅均遠(yuǎn)離共振區(qū)域的振幅，其他點與該點擁有類似的響應(yīng)曲線。

圖8 位移-頻率響應(yīng)曲線

表3為通過位移-頻率響應(yīng)曲線得到的各測量點位移。

表3 各測量點的振幅 mm

由表3可以看出，前端點位移略大于后端點，差別僅為2.9%，從工程角度上可以認(rèn)為振動清理篩在做往復(fù)運動，篩體上下擺動幅度可忽略不計。

5 結(jié) 論

針對目前振動清理篩結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究存在的問題，采用有限元法對TQLZ100×200振動清理篩整機結(jié)構(gòu)進行動力學(xué)仿真研究，得出如下結(jié)論：

(1)振動清理篩前6階模態(tài)是沿某方向或繞某軸做剛體平動或轉(zhuǎn)動，第7～10階模態(tài)僅橡膠彈簧在做振動，且篩體振動型值幾乎為零，振動清理篩工作頻率介于第6階和第7階固有頻率之間，振動清理篩正常工作時不會產(chǎn)生共振。

(2)振動清理篩在啟動和停機過程中會產(chǎn)生短暫的共振，但由于時間短暫，對整機結(jié)構(gòu)和振動的影響可忽略不計。

(3)振動清理篩在設(shè)計時必須準(zhǔn)確計算振動電機的安裝位置，且使各組橡膠彈簧的彈性系數(shù)接近，雙振動電機的電氣參數(shù)以及激振力大小盡量保持一致，這樣能有效地降低振動清理篩在啟動和停機過程中經(jīng)過共振區(qū)的時間和振幅。

(4)振動清理篩在工作頻率下正常運行時最大等效應(yīng)力發(fā)生在橡膠彈簧與篩體之間支撐板加強筋處。

(5)振動清理篩篩體整體振幅比較均勻，幅值為4.11 mm，篩體前端點振幅略大于后端點，差別僅為2.9%，從工程角度上可以認(rèn)為振動清理篩在做往復(fù)運動。