用于移動(dòng)破碎設(shè)備的振動(dòng)篩箱體有限元?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)分析

于 沖，楊龍崗（唐山冀東裝備工程股份有限公司，河北 唐山 ）

0 前言

近年來(lái)，隨著環(huán)保要求越來(lái)越高，在礦山開采以及建筑垃圾破碎工藝中，移動(dòng)破碎設(shè)備呈突破式快速發(fā)展的趨勢(shì)。移動(dòng)破碎設(shè)備正常工作時(shí)，物料通過(guò)給料機(jī)給料進(jìn)入振動(dòng)篩，通過(guò)振動(dòng)篩的篩分作用將物料篩選，成品物料可直接進(jìn)入出料設(shè)備，大塊物料進(jìn)入破碎機(jī)進(jìn)行破碎，從而提高設(shè)備的破碎效率，減小了功耗。因此，振動(dòng)篩是移動(dòng)破碎設(shè)備上不可或缺的部分。然而，振動(dòng)篩箱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度問(wèn)題是至今仍未得到很好解決的十分突出的問(wèn)題[1]。振動(dòng)篩工作時(shí)，同時(shí)受靜態(tài)以及周期性交變載荷作用，因此，對(duì)振動(dòng)篩箱體進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析是很有必要的。

1 振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

用于移動(dòng)破碎設(shè)備的振動(dòng)篩，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該振動(dòng)篩由箱體、振動(dòng)電機(jī)、篩板、支撐裝置等組成，兩臺(tái)振動(dòng)電機(jī)平行安裝，振動(dòng)電機(jī)的兩個(gè)外伸部分各裝有一對(duì)偏心塊。振動(dòng)篩工作時(shí)，通過(guò)兩側(cè)振動(dòng)電機(jī)內(nèi)偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生周期性交變載荷即激振力驅(qū)動(dòng)振動(dòng)篩產(chǎn)生振動(dòng)。

圖1 振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)圖

2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

本文使用ANSYS Workbench軟件對(duì)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。

2.1 模態(tài)分析

為了解箱體的振動(dòng)特性，需要對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。通過(guò)模態(tài)分析方法搞清楚箱體結(jié)構(gòu)在某一頻率范圍內(nèi)各階主要的模態(tài)特性，就可得到該結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部動(dòng)載荷作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。

（1）有限元模型建立及加載。本文對(duì)振動(dòng)篩箱體進(jìn)行有限元建模，為了計(jì)算方便在保證計(jì)算結(jié)果的精度以及控制模型的規(guī)模[2]的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行了線性簡(jiǎn)化處理，即忽略箱體上的工藝孔及螺栓孔、將各焊接件看成一個(gè)整體。振動(dòng)篩工作時(shí)通過(guò)支撐裝置內(nèi)的彈簧來(lái)減緩設(shè)備對(duì)下方固定面的沖擊，因此本文在建模時(shí)對(duì)箱體四個(gè)支點(diǎn)根據(jù)彈簧剛度建立對(duì)地彈簧連接。

（2）后處理。箱體結(jié)構(gòu)在振動(dòng)時(shí)，高階固有頻率由于阻尼的作用衰減的很快，對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的貢獻(xiàn)很小，因此本文只選取箱體的前6階模態(tài)進(jìn)行分析，模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果見表1，其對(duì)應(yīng)的振型見圖2～7。

表1 前6階模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果

圖2 第1階振型

由圖2～7可以看出，第1、2、3階基本無(wú)振型，第4階振型為X軸方向平動(dòng)，第5階振型為Z軸方向的平動(dòng)，第6階振型為兩側(cè)板的彎曲振動(dòng)。振動(dòng)篩中正常工作時(shí)外部激振頻率為50 Hz，本文計(jì)算得到的前6階固有頻率均遠(yuǎn)離外部激振頻率，因此箱體正常工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。

由此，通過(guò)分析得到該箱體的固有頻率和振型，為下一步進(jìn)行諧響應(yīng)分析做好準(zhǔn)備。

2.2 諧響應(yīng)分析

在振動(dòng)篩工作時(shí)，周期性交變激振力會(huì)通過(guò)振動(dòng)電機(jī)梁作用于箱體上。當(dāng)激振力頻率與箱體的固有頻率相近時(shí)，則會(huì)發(fā)生共振，這不僅會(huì)影響振動(dòng)篩的正常工作，還可能造成箱體的損壞，因此需要對(duì)箱體進(jìn)行諧響應(yīng)分析。

圖3 第2階振型

圖4 第3階振型

圖5 第4階振型

根據(jù)振動(dòng)篩工作的實(shí)際情況，取兩個(gè)振動(dòng)電機(jī)的激振力為80kN，取初相位φ=0。由于振動(dòng)電機(jī)激振力頻率為50Hz，因此本文選擇研究外激振頻率范圍為0～80Hz時(shí)箱體對(duì)受迫振動(dòng)以及自激振動(dòng)的響應(yīng)，如圖8所示。

由圖8可知激振頻率在0～80Hz的范圍內(nèi)最大主應(yīng)力首先隨頻率的增大而迅速增大，在3～4Hz時(shí)到達(dá)最大值，隨后隨著頻率的增大主應(yīng)力減小，當(dāng)激振頻率增大至50Hz左右時(shí)，箱體上最大主應(yīng)力已衰減至遠(yuǎn)離共振區(qū)。

圖6 第5階振型

圖7 第6階振型

圖8 最大主應(yīng)力的頻率響應(yīng)

4 結(jié)論

本文通過(guò)有限元分析軟件對(duì)振動(dòng)篩箱體進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，首先通過(guò)模態(tài)分析得到箱體前6階固有頻率和振型，然后根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行諧響應(yīng)分析，以此得到了振動(dòng)篩箱體在正常工作及起停過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性：振動(dòng)篩啟停過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷時(shí)間很短的共振區(qū)，隨著頻率迅速增大至正常工作頻率，箱體不會(huì)再發(fā)生共振。由此可以確定該箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。