茶葉振動篩結構設計及模態分析

史俊超，陶然，葛小樂

（黃山學院機電工程學院，安徽 黃山 245041）

1 引言

我國是產茶大國，茶葉種植面積和茶葉產量均位居世界第一位。茶葉除雜是茶葉精細加工過程中的一個重要環節，茶葉的除雜效率和除雜水平直接影響茶葉的生產效率和生產品質。振動篩是常用的除雜、分選設備，在農產品加工、礦物處理、建筑等領域都有著廣泛的應用。很多學者都對不同類型振動篩的結構進行過設計和改進。渠麗宏對洗煤用的振動篩進行了有限元分析，并根據有限元分析結果對振動篩的橫梁結構進行了改進，取得了較好的優化效果。高福明對大型香蕉篩的動態特性進行了有限元分析，并對香蕉篩的主梁結構進行了局部優化，有效提高了主梁的強度。蔡培良等人設計了一種煙草振動篩，并采用ANSYS Workbench對煙草振動篩進行了模態分析，結果表明，所設計的煙草振動篩不會產生共振，能夠滿足使用要求。柴保明等人針對直線振動篩設計了不同類型的篩板加強筋結構，并進行了靜力學和模態分析，根據仿真結果確定了較優的加強筋形狀。

由上述研究內容可以看出，目前對振動篩的結構設計主要以大型工業礦用振動篩為主，而對小型家用茶葉振動篩的設計相對較少，雖然兩者的工作原理相同，但是，對于具體工況的結構件選擇、加工制造等方面還存在差異。隨著我國茶產業的蓬勃發展，茶葉產量和規模不斷擴大，茶葉除雜設備的需求量也不斷增多，小型茶葉振動篩具有良好的市場前景。基于此，本文設計了一種小型家用茶葉振動篩結構，完成了茶葉振動篩的三維建模，并對茶葉振動篩進行了模態分析，得到了不同階次的固有頻率和振型。

2 茶葉振動篩結構設計

2.1 整體結構設計

茶葉振動篩整體結構如圖1所示。所設計的茶葉振動篩主要由底座、振動電機、彈簧、振動架、篩箱、支撐調節架等部分組成。底座對整個茶葉振動篩起到了支撐作用，底座上方安裝有四個彈簧，彈簧底部與底座相連，彈簧頂部與振動架相連。底座和振動架都為方形空心鋼并通過焊接組裝在一起。振動電機通過V字型支撐桿與振動架通過螺栓相連，茶葉振動篩的振動能量都由振動電機提供。篩箱兩側通過伸出軸與支撐座中的軸承相配合，支撐座通過螺栓固定在振動架上，篩箱可以在兩側的兩個支撐座中轉動。篩箱后端連接到支撐調節架上，支撐調節架可以通過旋轉中間的調整軸實現篩箱后端的上升和下降，進而實現篩網傾斜角度的變化以適應不同工況的篩分要求。支撐調節架中的調整軸兩端設計有方向相反的絲桿，并與調節架兩端的調整螺母相連，當沿某一方向旋轉調整軸時，兩側的調整螺母同時往內或同時往外運動，使篩箱后端的高度上升或下降，達到調整篩網傾角的目的。接料盤通過螺栓固定在底座上，以便于篩上物的收集。茶葉振動篩各結構件都較簡單，易于加工，且各部分主要采用焊接和螺栓連接等常規方法進行裝配，裝配難度小，生產成本較低，符合家用振動篩低成本的設計要求。

圖1 茶葉振動篩整體結構

茶葉振動篩的長、寬、高分別為1200mm、850mm和1300mm。由于茶葉振動篩的整體尺寸較小，待篩分的茶葉物料較輕，因此，振動電機的轉速選為1000r/min。

2.2 工作原理

當進行茶葉篩分作業時，首先打開振動電機，此時，振動電機開始工作，振動電機產生的周期性激振力通過支撐桿傳遞到振動架上，帶動振動架產生周期性振動。由于篩箱固定在振動架上，當振動架產生周期性振動時，篩箱中的篩網也產生周期性的振動。當待篩分的茶葉從入料斗中下落到篩箱中時，在篩網的振動作用下細小的碎茶葉末、茶莖等雜質透過篩網下落，而尺寸較大完整的茶葉則由篩面上方下滑到接料盤中，從而實現細碎茶末、茶莖等的除雜分離。當需要調整篩網的傾斜角度時，只需轉動支撐調節架中的調節軸到適當位置并將調節后的調整螺母位置鎖定，使其在振動的過程中保持該位置不變即可。該茶葉振動篩的工作過程簡單，篩網傾角的調節便捷，占地面積小，在茶葉精細加工中具有良好的應用前景。

3 茶葉振動篩模態分析

每個機械系統都有其固有頻率，當機械系統的固有頻率接近外部振動源的頻率時，機械系統會產生共振。產生共振后會使機械系統的振幅增大，易造成結構件的損壞，對整個機械系統的運動也會產生較大的危害，因此，在實際工程應用中應避免產生共振。為確定所設計的茶葉振動篩在工作時是否會產生共振，需對其進行模態分析，通過模態分析可以確定茶葉振動篩的固有頻率和振型，進而為共振的判斷提供依據。

3.1 茶葉振動篩模態分析模型的建立

采用ANSYS Workbench對茶葉振動篩進行模態分析。為了便于分析，首先將茶葉振動篩三維模型進行簡化，去除對振動過程影響較小的接料盤和入料斗，隨后將簡化后的茶葉振動篩模型導入ANSYS Workbench中進行參數設置。茶葉振動篩各結構件的材料都設置為Q235-A，密度為7800kg/m3，彈性模量為2.06E+11Pa，泊松比為0.3。采用自動網格劃分方法對茶葉振動篩進行網格劃分，網格尺寸設置為6mm，對于尺寸較小的結構進行局部加密處理，劃分后的網格共有318738個單元、850008個節點。將茶葉振動篩的四個支撐底面設置為固定約束。由于在機械系統的振動中大部分能量都集中在前6階，高階模態對振動的影響較小，因此，本文只求解茶葉振動篩的前6階模態。

3.2 模態分析結果

茶葉振動篩的前6階固有頻率如表1所示。

表1 茶葉振動篩的各階固有頻率

由表1可以看出，茶葉振動篩的第1階固有頻率為4.387Hz，第2階固有頻率為25.795Hz，第3階固有頻率為27.78Hz，第4階固有頻率為28.745Hz，第5階固有頻率為33.711Hz，第6階固有頻率為39.82Hz，隨著階數的逐漸增加，茶葉振動篩的固有頻率不斷增大。茶葉振動篩振動電機的激振頻率為16.667Hz，介于第1階固有頻率和第2階固有頻率之間。由振動穩定性準則可知，為了避免共振，機械系統的固有頻率和振動源的頻率應滿足下述關系：

0.85f＞fp或1.15f＜fp

其中，f為系統固有頻率，fp為激振頻率。

可以求得系統固有頻率的合理范圍為：f＞ 19.608Hz或 f＜ 14.493Hz。而系統的第1階固有頻率為4.387Hz，小于14.493Hz，系統的第2階頻率為25.795Hz，大于19.608Hz，滿足振動穩定性準則，因此，茶葉振動篩在工作過程中不會產生共振，能夠滿足篩分作業要求。

茶葉振動篩在不同階次下的振型如圖2所示。

圖2 不同階次下的茶葉振動篩振型圖

茶葉振動篩的第1階振型主要表現為振動電機及支撐桿沿X方向的水平擺動，第2階振型表現為振動篩篩面前端沿Z方向的上下擺動，第3階振型表現為茶葉振動篩支撐調節架沿Y方向的水平擺動，同時，伴隨振動篩篩面前端沿Z方向的上下擺動，第4階振型表現為振動篩篩箱后擋板沿Z方向的轉動，第5階振型表現為振動篩篩箱后擋板及支撐調節架沿Y方向的水平擺動，第6階振型表現為振動篩篩面前端和振動篩篩面后端在篩面中間位置處沿X方向的轉動。介于茶葉振動篩固有頻率之間的第1階振型和第2階振型總體表現為在X方向的小幅度擺動和Z方向的上下擺動，對茶葉振動篩的振動不會產生明顯的干涉。

總的來看，茶葉振動篩的固有頻率與激振源的頻率錯位較大，滿足振動穩定性準則，在工作過程中不會產生共振，振型也較為合理，這表明所設計的茶葉振動篩能夠滿足實際使用要求。

4 結語

本文進行了小型茶葉振動篩的整體結構設計，并對所設計的茶葉振動篩進行了模態分析，得出了茶葉振動篩的前6階固有頻率和振型。振動電機的激振頻率位于第1階固有頻率和第2階固有頻率之間，激振頻率與第1階固有頻率和第2階固有頻率之間的差值滿足振動穩定性準則，茶葉振動篩在工作時不會產生共振，能夠滿足實際使用要求。