单梁激振筛有限元分析

左英杰，姚新港，董 浩

ZUO Ying-jie,YAO Xin-gang,DONG Hao

（中国矿业大学 机电工程学院，徐州 221116）

0 引言

筛分是煤炭生产中的重要中间环节之一，煤炭工业的迅速发展向筛分设备提出了更多的技术要求，如筛面大型化、降低能耗、运行可靠和环境保护等。近三十年来，筛分作为煤炭生产中的一个中间环节，筛分效率不仅影响着煤炭产业的生产率，而且直接关系到煤炭资源的合理利用率。振动筛在使用过程中容易出现各种各样的问题，如不能及时的维修难免会影响工程的进度。本文以4DLS3682单梁激振筛为研究对象，用动力学基本原理作为基础，以有限元分析软件Ansys作为分析工具，结合单梁激振筛的结构特点，建立单梁激振筛的系统动力学模型，对其进行有限元分析，从而提高该振动筛的使用寿命。

1 单梁激振筛的结构及原理

单梁激振筛具有比一般振动筛高一倍的抛射强度，这点是目前其他结构振动筛都难以做到的。它主要使用在大中料筛分中，不容易堵孔，配以活动杆筛板也可以使用在细粒料的筛分，消除了筛孔的堵塞。图1所示为单梁激振筛的结构示意图。筛箱1用弹簧支撑在机架5上，激振器2安装在大梁7上，激振器产生的定向激振力，带动筛箱作简谐往复运动。

2 单梁激振筛系统动力学分析

机械结构系统的动力分析工作通常主要由系统的动力特性分析（即求解结构系统的的固有频率和模态振型）和当系统受到一定载荷时的动力响应分析两部分构成。

图1 单梁激振筛的结构示意图

2.1 有限元模型的建立

在对单梁激振筛筛箱进行有限元分析时，首先必须正确的建立单梁激振筛筛箱的有限元模型。4DLS3682单梁激振筛的结构如图2所示。单梁激振筛的结构主要有筛箱、激振器、减振弹簧和支撑装置，筛箱总长8200mm，每段筛箱长2000mm、宽3600mm、高1000mm，工作频率为960r/min。

由于4DLS3682单梁激振筛筛箱的结构零部件比较多，要想建立和设计结构完全相同的筛箱，工作量很大，也不需要。本文根据建模经验对其进行简化，简化后的4DLS3682单梁激振筛筛箱模型，如图3所示。

图2 4DLS3682单梁激振筛

图3 4DLS3682单梁激振筛筛箱模型

2.2 单梁激振筛筛箱的模态分析

模态分析作为动力学分析的起点，主要用于分析结构系统的振动特性（固有频率和振型），系统的固有频率和模态振型是承受动态载荷的重要参数，单梁激振筛工作在高频振动状态下，筛箱的振动特性直接关系到单梁激振筛的使用性能。对单梁激振筛筛箱进行模态分析，获得筛箱的固有频率和模态振型，并分析筛箱是否产生共振。

2.2.1 筛箱Ansys分析模型的建立

本文根据单梁激振筛的结构特点，选用了下列单元类型来建立单梁激振筛筛箱的分析模型：质量单元SOLID45，梁单元BEAM4，弹簧单元COMBIN14，壳单元SHELL63。根据单梁激振筛材料的选择设置模型的材料参数，具体如下，E=210GPa，v=0.3，ρ=7850kg/m3。在模型建立过程中单元网格划分起着至关重要的作用，所有分析都是在这个基础上进行的。按照划分原则，得到该振动筛的网格划分模型，如图4所示。

图4 振动筛筛箱的网格划分

2.2.2 筛箱模态分析的结果

应用ANSYS中的绘图显示功能可以看出各阶主振型的振动形态和方向，图5～图7为振动筛筛箱的前6阶模态振型。

图5 第一和第二阶模态振型

图6 第三和第四阶模态振型

由模态分析结果可得到如下结论：

图7 第五和第六阶模态振型

振动筛筛箱的固有频率值的发生变化，但是工作频率很好的被控制在第5阶和第6阶频率之间，频率裕度分别为43.9%和26.9%，能够满足设计要求，振动筛不会发生共振在此结构后，侧板和横梁处横向刚度得到加强，整体变形量明显减小，说明此方案是可行的。

3 结束语

针对单梁激振筛存在的诸多问题，基于Ansys对其进行有限元分析，使振动筛稳态工作时的应力值降低，提高结构的合理性，避免出现断梁问题，而且可以更大程度的增大振动强度，有利于提高单梁激振筛的筛分效率和处理能力；本文所运用的分析及试验测试方法不仅能提高单梁激振筛结构设计的合理性，使其运动可靠性大大提高，而且更能降低其生产成本，为单梁激振筛的推广提供理论依据。

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