平动椭圆振动筛动态应力分析及改进

（南昌矿山机械有限公司，江西 南昌 330000）

矿石物料分级是提高矿产资源综合利用的基础，也是避免资源浪费和环节矿山环境压力的前提，因此，加强矿石物料分级对矿山企业发展意义重大[1]。平动椭圆振动筛是矿石物料分级中常用的一种振动筛，该仪器设备是结合直线型振动筛圆型振动筛而形成的一种新型振动筛，在煤炭资源、金属矿石、石油钻井物料等分级中应用极为广泛。自某矿山引入平动椭圆振动筛以来，虽然显著的提高了矿石物料的分级处理能力，促进了矿山企业的经济效益。但是与矿山实际需求发展还有一定的差距，且平动椭圆振动筛在实际工作中仍然具有一定的问题，这与平动椭圆振动筛的性能关系密切，可能与平动椭圆振动筛工作时存在复杂的交变载荷作用密切相关，使得仪器设备容易出现疲劳工作[2]。因此，分析平动椭圆振动筛的动态应力就显得极为重要。

1 平动椭圆振动筛及有限元模型

本次矿山引入的平动椭圆振动筛的振动筛筛箱重量为835kg，震动方向角为45°，振动筛的筛箱倾角为0°，筛箱材料为Q245钢材，侧板弧度为5mm。筛箱Q245钢材的弹性模量为206GPa，密度为7850kg/m3。此外，在平动椭圆振动筛中通过2台长型电机激振振动筛，其激振力大力分别为20kN和35kN，工作时的频率均为24.5Hz[3]。长型电机具有更加稳定的传递性能，因此，能够有效的避免振动筛工作时应力集中的问题。由于平动椭圆振动筛在工作状态容易出现疲劳现象，因此，分析振动筛的动态应力状况是制定改进措施的基础。同时，由于平动椭圆振动筛的动态应力模式较复杂，采用单一的分析方法无法准确的确定其运动状态，也无法准确的确定调整方案，因此可利用有限元模型的方式直观的分析动态应力状态。鉴于此，本文以Autodesk Inventor三维软件平台为基础，建立了相应的几何模型，由侧板、横梁、激振部分、底梁和后挡板等几部分组成，对分析结果影响不大的区域进行简化处理，在基础上进行后续分析。

2 动态应力分析

2.1 模型模态分析

平动椭圆振动筛的模态分析能够确定振动筛的基本性能，为进一步了解振动筛结果对不同动力载荷响应奠定了基础，如振动筛动态应力的振型、共振频率等参数的确定，对制定措施缓解振动筛筛箱因共振作用而破坏有积极的作用。平动椭圆振动筛在运行状态下起主要作用的是低阶模态，而高阶模态对结构震动的作用较小，并且震动响应衰减较快[4]。因此，平动椭圆振动筛的工作频率远低于振动筛固有的频率，使得振动筛在工作状态下一班不产生共振。虽然振动筛的启动和关停过程中极易产生共振，但是该共振属于低阶共振区，且共振时间较短，因此，对振动筛的工作状态影响不大。

2.2 稳定运行状态下动态应力分析

平动椭圆振动筛是结合直线型振动筛圆型振动筛而形成的一种新型振动筛，导致在稳定运行状态下的受力状况极为复杂，主要受激振力和自身惯性力综合作用，而筛分物料的惯性作用力对振动筛的影响较小，在本次模型分析中忽略不计。由于本次动态应力分析模型仅考虑激振力和自身惯性力，因此在模型中仅需加载激振力即可。上文已提及，平动椭圆振动筛中由2台长型电机提供激振力，其激振力分别为20kN和35kN，因此在两台长型电机支座处获得的激振力分别为10kN和17.5kN，以此为基础获得稳定运行条件下平动椭圆振动筛的应力状况。根据有限元模型分析可知，平动椭圆振动筛的最大应力可达50.86MPa，最大应力处为长型电机安装版下方，属于电机安装位置；在有限元模型中的侧板与后挡板的连接处上方具有较大的应力值，应力值为47.63MPa；有限元模型中其余部位的应力值则相对较小，一般在14MPa～18MPa之间，如底梁位置的最大应力值可达18MPa，而侧板位置的最大应力值为14MPa。

平动椭圆振动筛的筛箱材料为Q245钢材，其弹性模量为206GPa，密度为7850kg/m3，泊松比为0.29，因此，振动筛材料的屈服强度极限为245MPa，相对应允许的最大应力值为50.71MPa。本次通过有限元模型获得稳定运行条件下获得不同位置的应力值小于允许最大应力值，充分说明平动椭圆振动筛的总体结构设计是合理的。但是，由于平动椭圆振动筛在运行条件下存在交变载荷作用，极易导致振动筛中材料出现疲劳损坏，进而严重影响振动筛的整体性能，对矿山资源筛分效率产生较大的影响，也是平动椭圆振动筛容易出现故障的主要原因。

2.3 基于共振区的动态应力分析

由于平动椭圆振动筛的工作频率远低于振动筛固有的频率，使得该仪器在稳定运行条件下一般不会出现共振现象，但是在振动筛启动和关停过程中极易产生低阶共振现象，虽然共振时间较短，且对振动筛的影响较小。但是，为了充分分析低阶共振区时的动态应力分析，本文对振动筛过共振区时的动态应力分析。

当平动椭圆振动筛在启动过程中，长型电机的偏心块转动频率在低阶共振区的频率范围内，虽然启动时间较短，但是产生的共振瞬间振幅可达稳定条件下的5倍左右，导致弹簧的形变量在瞬间增大明显。根据有限元模型分析可知，当振动筛在启动过程中弹簧支撑板的最大位移量可达2.91mm，换算成弹簧的最大形变量为23.12mm，由于弹簧在竖向上的刚度为80000N/mm，可得出该弹簧在设备静止条件因振动筛自重而产生的弹簧形变量为25.57mm，因此，在共振区条件下，弹簧的形变量最大为48.69mm，此时，弹簧支座受到的最大弹性力可达3872.6N，此时振动筛的振动最大应力值接近25MPa，其最大应力位置处于弹簧支座的边缘部位，其应力值远小于最大允许应力值（50.71MPa）。当平动椭圆振动筛在关停状态下，其振动频率由高逐渐降低，当频率在低阶共振区的频率范围内时，也可产生低阶共振，其振动应力状态与平动椭圆振动筛启动过程中的应力状态基本一致。综上所述，平动椭圆振动筛在启动和关停状态下最振动筛的影响不大，可以忽略不计。

2.4 振动筛改进措施及应用效果分析

通过上文有限元模型分析，平动椭圆振动筛的侧板与后挡板的连接处的应力值在稳定运行条件下变化较大，可达47.63MPa，接近最大允许应力值；长型电机安装版下方的应力值最大，可达50.86MPa，略大于允许最大应力值。因此，上述两个部位是振动筛常出现故障的区域，与矿山实际应用现状基本吻合，因此，为了有效提高平动椭圆振动筛的生产效率和有效降低维护成本，还需对该仪器进行改进设计。本次改进的目标主要是针对应力值较为集中的区域，或者应力值变化较大的位置，而原装置中该区域的材料形状具有突变的特征，因此可以考虑通过改变突变形状的方式优化应力变化规律，故本次将后挡板上方的弯曲部位采用圆弧形状的过渡板代替，在电机安装版下部适当的增加材料的厚度，改进完成后结合Autodesk Inventor三维软件平台，建立相应的有限元模型，进行上文的重复分析过程。结果表明，通过本次的改进，在电机安装版下部的最大应力值由原来的50.86MPa降低至33.92MPa，侧板与后挡板连接处的最大应力值由原来的47.63MPa降低至31.72MPa，即平动椭圆振动筛的最大应力值均远小于允许最大应力值50.71MPa。

综上所述，根据有限元模型分析可知，本次改进方法效果明显，能够有效的降低振动筛中应力集中问题，理论上能够降低振动筛故障率和维修成本。将改进后的平动椭圆振动筛投入生产5个月以来，振动筛故障率下降72.3%，工作效率也显著上升，说明本次改进方法能够推广使用。

3 结语

综上所述，矿山引进的平动椭圆振动筛的运行频率远低于振动筛的固有频率，说明该仪器设备的整体设计结构是合理的。在稳定运行条件下振动筛的最大应力值虽然小于允许最大应力值，但是在激振力、自身惯性力等综合因素的影响下，可能导致振动筛中局部区域应力值过于集中，进而在惯性力等作用的影响下造成振动筛疲劳损坏严重，缩短了振动筛的使用寿命。通过有限元模型分析可知，振动筛中长型电机安装版下部和侧板与后挡板的连接部位应力较集中，通过增加安装版下部材料厚度和将后挡板上部弯曲改为圆弧形，显著的降低了该区域的集中应力，降低了振动筛故障率和维修成本，并在实际应用中取得了良好的应用效果，说明本次改进措施是成功的。