直线振动筛振动特性分析

本文作者：吴丽娟 李惠彬 (北京理工大学 机械与车辆工程学院)

摘 要: 采用软件对某厂设计的型直线振动筛进行了模态分析和谐响应分析，计算出了该振动筛的前30阶固有频率，模态振型和工作频率下的动应力响应，找出了振动筛在额定载荷作用下各部位的应力和变形的分布规律。利用计算结果对该振动筛的设计进行了局部修改。

1、引言

随着煤炭深加工技术的推广和应用，作为洗选煤的主要设备—振动筛正向着大型化、高速化发展，但大型振动筛价格昂贵，而且使用寿命较低。振动筛的损坏形式主要有下横梁断裂，两侧筛帮开裂，出料口横梁及前帮开裂。工作过程中，振动筛承受激振器产生的激振力，物料在筛面上运动的作用力等。在这些力的作用下，振动筛各结构件的多阶固有模态可能被激发出来，从而发生共振，导致振动筛的破坏。因此，在振动筛结构的设计和改进阶段，应该对其模态有足够的认识。为此，国内有许多同行采用工程分析软件pro /E 或者1-DEAS对不同型号的振动筛进行动态分析或模态分析。本文运用有限元技术，采用工程分析软件ANS YS对某厂设计的ZKZ21537 型直线振动筛进行了模态分析，了解该振动筛的模态振型，同时计算了振动筛的谐响应。振动筛结构的固有特性对动力响应有很大影响，动力响应是固有特性与激振力作用的综合表现，进行动态分析可以了解在额定载荷下各部位的应力分布规律。

1、振动筛有限元模型的建立

ZKZ21537 型直线振动筛的整个筛箱由4个橡胶弹簧支撑，筛箱侧板支撑方向加有纵向加强筋板，侧板中部和安装弹簧支撑座处的外侧衬有加强板。两侧板与两根联轴节、8根上横梁、6根下横梁均通过焊接连接。激振横梁两端安装有偏心块激振装置，通过电动机联轴节和传动齿轮带动其上的8个偏心块，从而驱动整个振动筛结构作直线强迫振动。

从有限元单元种类这一角度来看，筛箱是一个比较规则的空间板梁组合结构。为了在计算模态时不丢失模态，将筛箱整体划分有限元网格，在不影响精度的条件下，对筛箱进行简化计算模型如图 1所示。

该模型分析采用了ANSYS中的板壳单元SHELL63、弹簧单元 COMBIN14和质量单元MASS21。侧板、联轴节、上下横梁、内外衬板、筛箱侧板支撑方向的纵向加强筋板、筛框、入料箱横向加强筋、出料嘴和入料箱均按壳单元划分；联轴节中心处加质量单元；支撑弹簧按弹簧单元划分。在该模型中，共有61892个节点，总质量约www.csir.com.cn。

质心坐标为XC=www.csir.com.cn m，

YC=www.csir.com.cn m，

ZC=www.csir.com.cn m 。

共有18488个SHLLE63单元,12个COMBIN单元,4个MASS21单元,其分析频率范围为2-8HZ,以评估该振动筛的设计合理性.

3、载荷工况和筛箱受力的简化

在振动工作过程中，激振力主要是激振器偏心质量旋转所产生的惯性力， 即惯性力起主导作用，阻尼力忽略不，因此在对筛箱进行强度分析时，筛箱所受载荷为激振力。

4、模态分析

该振动筛的有限元计算模型具有多阶自由度，其无阻尼自由振动方程为

  5、振动筛模态振型及动力响应分析

从表1中可以看出振动筛第9阶模态振型为侧板的弯曲振动"其模态频率为www.csir.com.cn,接近工作频率16Hz容易发生共振。

振动筛在工作过程中，不仅承受较大的激振力，而且侧板和上、下横梁上还分布着很大的惯性力，使得侧板和梁产生较大的动应力。通过有限元分析，可以得出任意时刻筛箱整体结构的响应，包括应力分布，变形情况等，据此可以判断强度是否满足条件，变形是否合乎要求。筛箱整体结构的动画显示可以再现整体结构随时间变化的整个过程。

本文对ZKZ21537型直线振动筛进行了动态分析，求出了侧板和梁上的动应力响应，进而找出了筛箱动应力的分布规律，其工作转速是960r/min,振动加速度按5g计算。图5即为该振动筛在工作频率16Hz处的动应力分布云图，从图上可以看出，最大动应力发生在侧板出料端与上横梁的连接部位，其值为www.csir.com.cn，而其他部位的应力值都比较低，均小于许用应力24MPa，这说明在激振力的作用下，出料端上横梁与筛箱侧板的连接部位变形及应力值最大，表2列出了主要部位的最大应力值。   

为了避免发生共振以及由于应力值太大而造成破坏，可以在靠近出口端处再加一根上横梁，这样第9阶模态频率就变为www.csir.com.cn,离开工作频率较远，不会发生共振。应力集中的情况也得到了明显的改善，改进后的应力分布情况见图6，此时最大动应力www.csir.com.cn，小于许用应力24MPa。改进后的振动筛模态计算结果见表3。

5、结 论

 （1)、振动筛结构的模态分布主要为结构整体的刚体平动,俯仰振动,弯曲振动和扭转振动.从低阶模态振型来看,侧板弯曲变形较大. 高阶模态的频率均较高,远离工作频率。在实际工作中不会引起共振。

（2）、振动筛第9阶模态振型为侧板的弯曲振动，其模态频率为www.csir.com.cn，接近工作频率16Hz，振动筛在工作过程中，筛箱侧板与上横梁的接触部位存在四个应力集中区，其中最大动应力值达到了www.csir.com.cn。

（3）、为了避免在工作过程中发生破坏而造成严重后果，在靠近出口端处再加一根上横梁，改进后最接近16Hz 的频率为www.csir.com.cn，这样就避免了共振的发生。同时应力集中的情况也会得到改善，最大动应力只有www.csir.com.cn，

其他各个部位动应力值也都比较低，小于许用应力24MPa，故筛箱侧板满足动强度要求。 

参考文献

（1） 张书辉  “振动筛的损坏原因及其结构改进”。应用技术与实例分析 

（2） 朱维兵 侯勇俊 张明洪 "GW-1型振动筛动态特性的Pro /E分析” 石油矿场机械 

（3）和世超 赵尚民 "振动筛筛框模态分析及动态响应"焦作工学院学报"自然科学版

（4）博嘉科技 "有限元分析软件-ANSYS融会与贯通"北京 中国水利水电出版社

（5）方同 薛璞 "振动理论及应用" 西北工业大学出版社

（6） 朱维兵 "在振动筛动态特性分析中的应用"应用技术与实例分析

（7）萧龙翔 张文德 ZKB3675直线振动筛动力特性的判断  天津大学学报

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