振动筛侧板及筛框动态设计

孙 良

（唐山永春机械设备有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

作为冶炼工艺的关键设备之一，振动筛由于要经常在高温、高粉尘等极其恶劣的条件下工作，因此常会受到周边环境的影响，从而产生一定的扭曲变形，导致最后的产品结构存在很大问题，严重影响产品的正常使用。由于周边环境的不可改变性，故改善振动筛的设计方案就显得尤为重要。通过有限元对振动筛模型进行分析，并将模型导入相关软件模拟工作场景，可以帮助了解不同振动筛设计的实际工作性能，进而获得抗高温性能良好、使用寿命长久、产品结构良好的振动筛，对于冶金工业有着极大的帮助。本文通过构建振动筛模型，并利用有限元对模型进行分析，提高振动筛性能，更好地为冶金行业服务。

1 振动筛侧板的动力学结构改进

对于振动筛的动力学特征来说，设计的主要目的在于改善结构固有频率，进而使得振动筛的固有频率与实际工作时的工作频率产生一定的差值，防止共振现象发生，保护振动筛的同时减少工作时的噪声。侧板的相关参数和物理特征可以利用CAD建模并导入相关数据计算获得，并在已有的数据基础上在Pro/E软件中进行三维动态振动筛的模型建立，当将振动筛已知数据导入软件中进行计算就能很方便地得出软件的质心位置、转动模量和材料的弹性模量等相关参数，给实验的模拟提供宝贵的数据。

完成以上工作后，就要进行模型的模拟分析。利用ANSYS软件中的model对模型进行分析，计算时采用先进的Lancozs模态求解方法对侧板的10阶模态进行求解，大大提高了计算的效率和精度，该法也很好地还原了真实情况下振动筛的力学特征，有很好的参考价值。

表1为香蕉筛侧板前10阶固有频率，表2为香蕉筛侧板与加强板前10阶固有频率。由于软件中的单位不一致，表格中的数据在进行处理时应乘以1000。振动筛的工作频率为16 Hz，而从表1和表2中可以看到在第5阶的频率与工作频率很接近，这会对侧板造成很大的影响，从表1中还可以看到侧板具有比较密集的低阶模态，所以处于工作频率附近的模态应尽量消除。下面对该结构进行动力学改进，方法是在侧板中部垂向尺寸较大的一侧局部增加加强板，并与侧板组合后进行模态分析，可以得出更加精确的数据，给振动筛的设计提供更真实的数据依靠。根据设计要求，振动筛的工作频率必须远离其固有频率上下10%以上。从表中可以看出，组合后侧板的第1阶模态频率达到32 Hz，而工作频率为16 Hz，已经远离了工作频率10%以上，即可认为这种结构是一种合理的结构。

2 振动筛筛框的动力学结构改进

完成了振动筛侧板的模态分析之后，现在来讨论振动筛筛框的动力学改进问题。筛框是由板和梁铆接而成的具有对称结构的弹性体，尽管筛框的结构具有对称性，但仍必须按整体进行分析，因为在动态分析中求得的各阶振型并非完全以结构对称面而对称，如按对称结构取其一半进行分析就会丢掉偶数阶振型，使计算结果失真。

表1 香蕉筛侧板前10阶固有频率（工作频率：16 Hz）

表2 香蕉筛侧板与加强板前10阶固有频率（工作频率：16 Hz）

用ANSYS软件系统中的model进行模态分析，计算时采用最先进的Lancozs模态求解方法对筛框的模态进行求解，表3即筛框所对应模态的8、9、10阶固有频率及工作频率。

表3 香蕉筛筛框前10阶固有频率（工作频率：16 Hz）

从表3可以很明显地看出，与所设计的振动筛的频率比较接近的为第8、9阶的固有频率。而根据以上分析我们知道，重新设计振动筛的目的就是为了改变其振动频率，使其与工作频率有一定的距离，防止工作时发生共振，引起振动筛破坏。因此，为了满足这一要求，应该保证固有频率与工作频率的差值在10%以上，而表格中数据显示所设计的振动筛频率不能满足要求，因此该设计会导致振动筛发生共振，使用效果不佳。需要对该振动筛进行改进，保证其固有频率远离工作频率。在软件中，可以通过调整振动筛的设计尺寸及结构方式来改变振动筛的频率。

经过一系列设计实验验证之后，发现可以采用纵向边框拉伸的方法提高振动筛固有频率，增加纵向矩形梁提高振动筛受力时的刚度也能改变其固有频率，也可以提高振动筛的横向加筋，提高结构的整体稳定性来提高结构的抗力。经过改进的振动筛在进行软件分析模拟后得到的相关数据如表4所示。

表4 改进后的香蕉筛筛框前10阶固有频率（工作频率：16 Hz）

表中数据显示，通过加筋等方式来改善结构特性的做法对于结构在承受外界荷载时的频率产生了显著影响。具体原理为改变构建刚度成功避开了工作频率，使得设计振动筛的固有频率偏离工作频率10%以上，满足了相关实验的要求，有着很好的动力性能。同时，通过对比设计前后的振动筛可以发现，尽管振动筛的固有频率发生了变化，但振动筛的振型并没有发生太大改变，可见这种方法在提高振动筛使用寿命和结构性能的同时并未对其工作性能造成不良影响。

3 现有振动筛的优势

相比传统振动筛，新设计的振动筛主要有以下几方面优点：（1）设计振动筛的生产工艺更加良好，更能满足冶金工艺的需求。传统振动筛由于强度不稳定，在使用过程中常会因振动筛自身性能破坏导致其生产加工的构件存在很大误差，很多构件甚至无法满足使用要求，只能回炉重新加工，浪费了大量时间，无法满足日益增长的需求；而新设计的振动筛由于其结构稳定性得到很大改善，因此在工作时能保证振动筛的稳定，生产的产品也能较好地满足使用要求。（2）传统振动筛由于固有频率与工作频率比较接近，在使用过程中会因为发生共振最终导致振动筛的破坏，即使不发生突然变形也会因长时间承受荷载导致寿命减短，不能满足使用需求；而新设计的振动筛通过改善固有频率，避免了工作时共振现象的发生，极大地延长了振动筛的工作寿命，节省了成本，也保证了冶金工艺的正常运行，因此设计振动筛有着更好的经济效益和社会效益。（3）传统振动筛由于其设计造型考虑简单，对工作时所要面对的环境问题分析不足，因此常会造成振动筛无法工作的现象，总的来说，传统振动筛对环境的适应能力较差，不能满足各种各样的环境条件，这在技术快速发展要求设备适应能力更强的现代显然无法满足要求；而设计的振动筛通过采用先进的设计理念，并引入计算机技术对设计模型进行分析实验，得出与事实相接近的实验数据，大大节省了试验时间，并通过分析实验数据得出不同振动筛的设计问题，及时进行改善，使得振动筛的利用率更高，环境适应能力更强。

4 结语

传统振动筛由于结构问题在工作时容易发生扭曲、断裂等现象，工作性能较差。针对此情况，利用计算机软件模拟技术对现有振动筛进行改进，改变其固有频率，找出设计中不合理之处进行改进，极大地提高了振动筛的工作性能，对于推广振动筛的使用、提升冶金工艺的效率和产品质量有着显著意义。

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