平動橢圓振動篩動態(tài)應力分析及改進

（南昌礦山機械有限公司，江西 南昌 330000）

礦石物料分級是提高礦產(chǎn)資源綜合利用的基礎，也是避免資源浪費和環(huán)節(jié)礦山環(huán)境壓力的前提，因此，加強礦石物料分級對礦山企業(yè)發(fā)展意義重大[1]。平動橢圓振動篩是礦石物料分級中常用的一種振動篩，該儀器設備是結(jié)合直線型振動篩圓型振動篩而形成的一種新型振動篩，在煤炭資源、金屬礦石、石油鉆井物料等分級中應用極為廣泛。自某礦山引入平動橢圓振動篩以來，雖然顯著的提高了礦石物料的分級處理能力，促進了礦山企業(yè)的經(jīng)濟效益。但是與礦山實際需求發(fā)展還有一定的差距，且平動橢圓振動篩在實際工作中仍然具有一定的問題，這與平動橢圓振動篩的性能關系密切，可能與平動橢圓振動篩工作時存在復雜的交變載荷作用密切相關，使得儀器設備容易出現(xiàn)疲勞工作[2]。因此，分析平動橢圓振動篩的動態(tài)應力就顯得極為重要。

1 平動橢圓振動篩及有限元模型

本次礦山引入的平動橢圓振動篩的振動篩篩箱重量為835kg，震動方向角為45°，振動篩的篩箱傾角為0°，篩箱材料為Q245鋼材，側(cè)板弧度為5mm。篩箱Q245鋼材的彈性模量為206GPa，密度為7850kg/m3。此外，在平動橢圓振動篩中通過2臺長型電機激振振動篩，其激振力大力分別為20kN和35kN，工作時的頻率均為24.5Hz[3]。長型電機具有更加穩(wěn)定的傳遞性能，因此，能夠有效的避免振動篩工作時應力集中的問題。由于平動橢圓振動篩在工作狀態(tài)容易出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，因此，分析振動篩的動態(tài)應力狀況是制定改進措施的基礎。同時，由于平動橢圓振動篩的動態(tài)應力模式較復雜，采用單一的分析方法無法準確的確定其運動狀態(tài)，也無法準確的確定調(diào)整方案，因此可利用有限元模型的方式直觀的分析動態(tài)應力狀態(tài)。鑒于此，本文以Autodesk Inventor三維軟件平臺為基礎，建立了相應的幾何模型，由側(cè)板、橫梁、激振部分、底梁和后擋板等幾部分組成，對分析結(jié)果影響不大的區(qū)域進行簡化處理，在基礎上進行后續(xù)分析。

2 動態(tài)應力分析

2.1 模型模態(tài)分析

平動橢圓振動篩的模態(tài)分析能夠確定振動篩的基本性能，為進一步了解振動篩結(jié)果對不同動力載荷響應奠定了基礎，如振動篩動態(tài)應力的振型、共振頻率等參數(shù)的確定，對制定措施緩解振動篩篩箱因共振作用而破壞有積極的作用。平動橢圓振動篩在運行狀態(tài)下起主要作用的是低階模態(tài)，而高階模態(tài)對結(jié)構震動的作用較小，并且震動響應衰減較快[4]。因此，平動橢圓振動篩的工作頻率遠低于振動篩固有的頻率，使得振動篩在工作狀態(tài)下一班不產(chǎn)生共振。雖然振動篩的啟動和關停過程中極易產(chǎn)生共振，但是該共振屬于低階共振區(qū)，且共振時間較短，因此，對振動篩的工作狀態(tài)影響不大。

2.2 穩(wěn)定運行狀態(tài)下動態(tài)應力分析

平動橢圓振動篩是結(jié)合直線型振動篩圓型振動篩而形成的一種新型振動篩，導致在穩(wěn)定運行狀態(tài)下的受力狀況極為復雜，主要受激振力和自身慣性力綜合作用，而篩分物料的慣性作用力對振動篩的影響較小，在本次模型分析中忽略不計。由于本次動態(tài)應力分析模型僅考慮激振力和自身慣性力，因此在模型中僅需加載激振力即可。上文已提及，平動橢圓振動篩中由2臺長型電機提供激振力，其激振力分別為20kN和35kN，因此在兩臺長型電機支座處獲得的激振力分別為10kN和17.5kN，以此為基礎獲得穩(wěn)定運行條件下平動橢圓振動篩的應力狀況。根據(jù)有限元模型分析可知，平動橢圓振動篩的最大應力可達50.86MPa，最大應力處為長型電機安裝版下方，屬于電機安裝位置；在有限元模型中的側(cè)板與后擋板的連接處上方具有較大的應力值，應力值為47.63MPa；有限元模型中其余部位的應力值則相對較小，一般在14MPa～18MPa之間，如底梁位置的最大應力值可達18MPa，而側(cè)板位置的最大應力值為14MPa。

平動橢圓振動篩的篩箱材料為Q245鋼材，其彈性模量為206GPa，密度為7850kg/m3，泊松比為0.29，因此，振動篩材料的屈服強度極限為245MPa，相對應允許的最大應力值為50.71MPa。本次通過有限元模型獲得穩(wěn)定運行條件下獲得不同位置的應力值小于允許最大應力值，充分說明平動橢圓振動篩的總體結(jié)構設計是合理的。但是，由于平動橢圓振動篩在運行條件下存在交變載荷作用，極易導致振動篩中材料出現(xiàn)疲勞損壞，進而嚴重影響振動篩的整體性能，對礦山資源篩分效率產(chǎn)生較大的影響，也是平動橢圓振動篩容易出現(xiàn)故障的主要原因。

2.3 基于共振區(qū)的動態(tài)應力分析

由于平動橢圓振動篩的工作頻率遠低于振動篩固有的頻率，使得該儀器在穩(wěn)定運行條件下一般不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，但是在振動篩啟動和關停過程中極易產(chǎn)生低階共振現(xiàn)象，雖然共振時間較短，且對振動篩的影響較小。但是，為了充分分析低階共振區(qū)時的動態(tài)應力分析，本文對振動篩過共振區(qū)時的動態(tài)應力分析。

當平動橢圓振動篩在啟動過程中，長型電機的偏心塊轉(zhuǎn)動頻率在低階共振區(qū)的頻率范圍內(nèi)，雖然啟動時間較短，但是產(chǎn)生的共振瞬間振幅可達穩(wěn)定條件下的5倍左右，導致彈簧的形變量在瞬間增大明顯。根據(jù)有限元模型分析可知，當振動篩在啟動過程中彈簧支撐板的最大位移量可達2.91mm，換算成彈簧的最大形變量為23.12mm，由于彈簧在豎向上的剛度為80000N/mm，可得出該彈簧在設備靜止條件因振動篩自重而產(chǎn)生的彈簧形變量為25.57mm，因此，在共振區(qū)條件下，彈簧的形變量最大為48.69mm，此時，彈簧支座受到的最大彈性力可達3872.6N，此時振動篩的振動最大應力值接近25MPa，其最大應力位置處于彈簧支座的邊緣部位，其應力值遠小于最大允許應力值（50.71MPa）。當平動橢圓振動篩在關停狀態(tài)下，其振動頻率由高逐漸降低，當頻率在低階共振區(qū)的頻率范圍內(nèi)時，也可產(chǎn)生低階共振，其振動應力狀態(tài)與平動橢圓振動篩啟動過程中的應力狀態(tài)基本一致。綜上所述，平動橢圓振動篩在啟動和關停狀態(tài)下最振動篩的影響不大，可以忽略不計。

2.4 振動篩改進措施及應用效果分析

通過上文有限元模型分析，平動橢圓振動篩的側(cè)板與后擋板的連接處的應力值在穩(wěn)定運行條件下變化較大，可達47.63MPa，接近最大允許應力值；長型電機安裝版下方的應力值最大，可達50.86MPa，略大于允許最大應力值。因此，上述兩個部位是振動篩常出現(xiàn)故障的區(qū)域，與礦山實際應用現(xiàn)狀基本吻合，因此，為了有效提高平動橢圓振動篩的生產(chǎn)效率和有效降低維護成本，還需對該儀器進行改進設計。本次改進的目標主要是針對應力值較為集中的區(qū)域，或者應力值變化較大的位置，而原裝置中該區(qū)域的材料形狀具有突變的特征，因此可以考慮通過改變突變形狀的方式優(yōu)化應力變化規(guī)律，故本次將后擋板上方的彎曲部位采用圓弧形狀的過渡板代替，在電機安裝版下部適當?shù)脑黾硬牧系暮穸龋倪M完成后結(jié)合Autodesk Inventor三維軟件平臺，建立相應的有限元模型，進行上文的重復分析過程。結(jié)果表明，通過本次的改進，在電機安裝版下部的最大應力值由原來的50.86MPa降低至33.92MPa，側(cè)板與后擋板連接處的最大應力值由原來的47.63MPa降低至31.72MPa，即平動橢圓振動篩的最大應力值均遠小于允許最大應力值50.71MPa。

綜上所述，根據(jù)有限元模型分析可知，本次改進方法效果明顯，能夠有效的降低振動篩中應力集中問題，理論上能夠降低振動篩故障率和維修成本。將改進后的平動橢圓振動篩投入生產(chǎn)5個月以來，振動篩故障率下降72.3%，工作效率也顯著上升，說明本次改進方法能夠推廣使用。

3 結(jié)語

綜上所述，礦山引進的平動橢圓振動篩的運行頻率遠低于振動篩的固有頻率，說明該儀器設備的整體設計結(jié)構是合理的。在穩(wěn)定運行條件下振動篩的最大應力值雖然小于允許最大應力值，但是在激振力、自身慣性力等綜合因素的影響下，可能導致振動篩中局部區(qū)域應力值過于集中，進而在慣性力等作用的影響下造成振動篩疲勞損壞嚴重，縮短了振動篩的使用壽命。通過有限元模型分析可知，振動篩中長型電機安裝版下部和側(cè)板與后擋板的連接部位應力較集中，通過增加安裝版下部材料厚度和將后擋板上部彎曲改為圓弧形，顯著的降低了該區(qū)域的集中應力，降低了振動篩故障率和維修成本，并在實際應用中取得了良好的應用效果，說明本次改進措施是成功的。