基于有限元的香蕉型振動篩動態特性分析與結構優化設計研究

高福明

摘要：振動篩在長期連續工作下承受著來自物料的交變載荷的作用，為了避免香蕉型振動篩主要結構零部件的疲勞、斷裂等損傷失效，提高香蕉型振動篩的使用壽命，必須保證設計研制的香蕉型振動篩滿足設計強度和剛度需求。本文針對江蘇振強機械科技股份有限公司提出的ZD系列大型香蕉型振動篩使用需求作為工程研究背景，對企業所提出的特定工況條件對大型香蕉型振動篩的參數結構進行了設計研究，尤其是對安裝激振器的主梁部分進行了結構優化，保證了香蕉型振動篩的結構強度，避免了激振器主梁出現斷裂等現象，有效延長了振動篩的使用壽命。

關鍵詞：香蕉型振動篩;結構設計;有限元;ANSYS;動態分析

1? 振動篩的組成、工作原理及特點

1.1 振動篩的組成

主要的結構元件都有：激振器、工作篩箱、傳動裝置、減振裝置（彈性元件）和底座等，主要承載部件是由側板、激振器大梁、底梁、篩板、加強筋等組成的篩箱。

1.2 振動篩的工作原理及特點

振動篩主要是利用激振器所產生的復旋型振動而工作的。根據振動篩的結構分析可知，其工作時，兩個驅動電機反向同步轉動在激振器上施加兩個反向的激振力，篩網在振動篩篩箱的作用下做縱向運動，在激振力的作用下篩面上的物料沿拋射角做周期性拋射，從而物料被分離以完成篩分作業。

2? 香蕉型振動篩結構參數設計與有限元模型

香蕉型振動篩是一種結構體積龐大的大型礦用篩分機械設備，為避免在生產中出現橫梁斷裂、側板開裂的現象，基于Creo和ANSYS/Workbench軟件對香蕉型振動篩建立了有限元模型，對其結果參數展開設計，同時也為后續進行有限元分析計算奠定基礎。

2.1 香蕉型振動篩的結構原理與技術參數計算

2.1.1 香蕉型振動篩結構原理

根據分類香蕉型振動篩歸屬于直線型振動篩，是一種新型結構的直線振動篩，其工作原理與直線振動篩的原理類似。香蕉型振動篩傳動裝置內部的電動機，其驅動兩個振動器做反向旋轉運動，偏心塊在在X′方向上法向離心力相互抵消，在Y′方向上的振動分力相互疊加，導致篩箱可在平面內做直線往復運動。香蕉型振動篩為了使物料可以快速運動與快速分層，采用等厚篩分原理，在入料口采用了大傾角的設計并分成不同的篩面隔段，以更利于物料的透篩。篩面物料的減少及篩面傾角的減小導致物料的穿行速度降低，物料厚度保持一致使得其容易翻轉且容易松散，達到提高篩分效率及脫介效率的目的。

香蕉型直線振動篩相比較其它篩型振動篩而言，在篩分細小顆粒物料時具有非常好的優勢。香蕉篩也可替代常規的傾斜或水平篩，用于干濕式篩分，并且還具有處理更大篩選量的特點，且不需占用更多的面積，因此可以有效減少空間和降低成本，對于需要增加篩分量但又受到現場空間限制的選煤廠或選礦廠是很好的選擇。

2.1.2 香蕉型振動篩技術參數

振動篩的基本參數包括有：篩面規格、篩面面積、最大入粒粒度、篩面層數與段數、篩孔尺寸、篩面傾角、振動角、振幅、頻率以及生產能力等。而對于香蕉型振動篩的運動學以及動力學參數包括有：彈簧剛度、振動篩質量、激振力、振動強度等。

①篩面規格。選取香蕉型振動篩篩面的寬度是3600m，長度是6100m。

②篩面傾角。選取的篩面傾角分別為10°、16°、22°、28°、31°。

③振幅和頻率。振幅值選取9～10mm，頻率為13.8Hz。

④振動篩處理量。振動篩的處理能力指振動篩單位小時內處理物料的噸數，一般振動篩的處理量衡量了其工作能力的大小，該型香蕉篩的篩孔直徑為50mm，查閱資料可知，所以振動篩的處理量大約在850～900t/h。

⑤彈簧剛度。香蕉篩的彈簧可起到隔振作用，彈簧剛度的選取須考慮的參數有振動篩的總體質量、工作角頻率和振動篩頻率比等。鑒于香蕉篩的振動方向角為？琢=45°，折算到振動方向上隔振彈簧總剛度為。

⑥計算振動篩質量。香蕉型振動篩的總質量主要來源于兩部分：一是參與振動的振動篩各部件的質量，可由三維軟件直接計算得到，約為14813kg;二是來源于參與振動的物料的質量，得到的本文香蕉型振動篩總質量大約為15920kg。

⑦計算激振力。其大小為。

2.2 有限元分析方法在香蕉型振動篩中的應用

2.2.1 有限元分析法基本理論

有限單元法是建立在變分原理的基礎上，將工程結構問題離散為由連續地連接各種單元組成的計算模型，求解分析單元元素的位移、應變、應力特性以及本身固有特性等。由于描述單元節點的屬性不同從而使得有限元法中分析的結構已不再是原來的物體或結構，因此有限元分析計算所得的結果是系統的近似數值模型。一般情況下，單元劃分越細小，那么描述實際工程結構的變形越精確，但會導致計算量大的問題。

2.2.2 有限元法求解香蕉型振動篩問題的步驟

有限元法求解香蕉型振動篩的結構問題是對真實情況的數值近似模擬仿真，通過對分析對象模型劃分網格，求解有限個數值來近似模擬真實環境，有限元法分析處理香蕉型振動篩的結構問題一般包含六個步驟。

①物體結構離散化。首先需要將模型用合適的單元進行離散，單元選取是否恰當，單元類型應根據結構確定。

②確定位移模式。采用位移法將單元中的應力、應變等參數以節點位移來表示，一般須要根據單元位移的分布選取適當的位移模式來逼近原系統的位移場。較為簡便的方式是以多項式表示位移模式來進行有限元計算，如，ai其中是待定系數，？漬i是近似的單元位移多項式函數。

③單元特性分析。根據單元的位移模式，結合單元的材料性質、類型等利用變分原理求解出單元節點力和節點位移關系式，從而導出單元的應力矩陣和剛度矩陣。

④集合單元特性。把連續體有限個單元的剛度矩陣和單元應力矩陣通過結構的力平衡條件和邊界條件進行組合，集合形成一個整體的有限元方程組：[K]{？啄}={P}，其中，[K]是結構的剛度矩陣，{？啄}是節點位移矩陣，{P}是載荷矩陣。

⑤求解未知節點位移。根據上述有限元方程組[K]{？啄}={P}，求解出方程組中的節點位移{？啄}。

⑥計算單元應力應變。根據節點位移可利用結構力學相關方程進一步求解單元的應力應變，用云圖或表格的形式輸出并查看最后結果。

3? 香蕉型振動篩有限元模型的建立

3.1 香蕉型振動篩模型的簡化處理

針對較為復雜的香蕉型振動篩實體模型，在進行有限元分析時不可能完全按照實體模型進行仿真分析，應在保證合理誤差范圍的前提下，忽略振動篩結構工藝上的一些不重要的特征，將振動篩模型實施簡化，生成適合有限元分析的振動篩簡化模型。根據文獻對于振動篩有限元模型建立需考慮的因素，如是否需要建立二次隔振系統、是否需對模型進行對稱處理、應區分承載結構件與工藝件等，本文在建立該系列香蕉型振動篩有限元模型時，忽略了諸如安裝支架的角鋼、篩面等非承載結構件，忽略了篩箱本體的定位孔以及安裝孔，將篩箱本體中圓弧過渡簡化為直角過渡，以提高模型計算效率。最終在Creo軟件中建立的香蕉型振動篩簡化模型。

3.2 香蕉型振動篩三維造型設計

三維造型設計是在平面設計和二維設計的基礎上發展起來的新型設計方法，三維設計的實施是虛擬化、數字化設計平臺的前提，可以讓設計目標更加立體更加形象，本文對于香蕉型振動篩的三維造型采用Creo軟件，通過對香蕉型振動篩結構進行參數化造型，可以十分直觀方便的實現復雜的振動篩篩箱本體的三維實體造型。

由前面所述可知，香蕉型振動篩篩箱本體大致可以分為激振器主梁、側板、橫梁、加強筋、彈簧支架等構成。首先在Creo軟件的統一坐標系下對各個部件進行三維造型，然后將各個部件使用裝配操作逐一組建在一起，最終形成香蕉型振動篩篩箱本體。

3.2.1 香蕉型振動篩激振器主梁結構的三維造型

香蕉型振動篩的激振器主梁是最容易失效的部位，主梁結構分為主梁隔板以及中間的圓形鋼管，對主梁隔板進行三維造型時只需對其中一個隔板進行草繪，其厚度為30mm，通過陣列操作可生成三個隔板實體，對中間的圓形鋼管進行三維造型時需結合激振器的型號合理草繪鋼管的尺寸，可利用拉伸或旋轉操作得到實體特征，最終形成的激振器主梁三維實體結構。

3.2.2 香蕉型振動篩側板結構的三維造型

香蕉型振動篩的側板結構較為簡單，但側板部位有加強筋以及焊接生成的彈簧支架，增加了三維造型的難度。具體的操作主要是利用草繪操作生成側板的輪廓，并在側板表面“生長”出加強筋，之后再利用對稱特征生成另一個側板，而對于四個彈簧支架可以在裝配操作時一并裝配生成。

3.2.3 香蕉型振動篩橫梁結構的三維造型

由前所述，香蕉型振動篩的橫梁主要分為上支撐橫梁和下支撐橫梁，均通過法蘭盤由螺栓連接在側板，為簡化模型方便后續有限元分析，在三維造型時忽略法蘭盤和螺栓結構，以及篩網和篩板結構。在草繪橫梁截面時，應結合橫梁的端面形狀尺寸，并根據香蕉型振動篩的五段不同層次的傾角依次排列，再進行拉伸特征即可得到相對應的橫梁結構。

經過上述操作過程建立好各自的三維造型后，在Creo軟件里新建一個裝配圖，將建好的激振器主梁、側板、橫梁等部件分別導入，并根據設計尺寸要求裝配在一起，再將香蕉型振動篩剩余部件（如入料板、彈簧支架等）利用拉伸特征裝配在整體結構上，最終形成香蕉型振動篩三維結構模型。

3.3 香蕉型振動篩有限元模型

將上述香蕉型振動篩的簡化裝配模型在Creo軟件中保存并輸出為igs格式文件，由于igs格式是根據IGES標準生成的文件，可用于不同三維軟件系統的文件轉換以及有限元軟件的模型輸入，導入ANSYS/Workbench軟件后生成的模型。

ANSYS/Workbench的網格劃分功能實用方便，且智能化程度非常高。針對香蕉型振動篩進行有限元模型的重建過程，網格的關聯性設置為100（最高質量），“Use Advanced Size Function”項設置為On Curvature，“Relevance Center”項設置為Fine，采用四面體單元劃分，其他保持默認，軟件會根據結構的幾何尺寸自動采用不同的單元進行網格劃分。

參考文獻：

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