宽筛面强迫同步直线振动筛强度分析及优化

河北联合大学硕士学位论文-PAGE54-摘要在煤炭领域中，振动筛的应用非常广泛，作为对物料进行筛分的重要机械，具有洗涤、脱水、分级、脱介等多种功能。振动筛种类繁多，其中，直线振动筛不仅能够获得更好的分级效果，同时工作效率更高，检修更加容易。振动筛的动态特性的好坏，对其工作效率与使用周期之间产生影响。研究振动筛动力学响应与系统结构，优化其结构，提高性能从而达到生产与设计要求，具有一定必要性。以ZK3648-SH振动筛作为主要研究对象，由动力学与静力学两方面出发，有针对性的研究我国振动筛使用寿命与底梁断裂情况，并通过使用软件ANSYS有限元分与析软件分析研究振动筛。文章对需要研究振动筛的参数提前设计与选择，基于振动筛基本工作原理，分析并研究筛面上振动筛力力学与物料运动学，建立振动筛的力学模型；其次用三维设计软件Creo建立三维模型，导入基于有限元法的ANSYS软件对大型直线振动筛进行静力学、模态、时间历程响应分析，与试验模态分析相结合，优化结构，确保振动筛能正常工作。最后，由于一些大型直线振动筛普遍表现出较低的使用寿命，需要预测振动筛核心位置疲劳寿命，作为设计、安装以及应用振动筛所需的参考。采用有限元分析和实验模态分析等动态设计方法，为解决振动筛强度问题提供了一种新的结构改进方案，对振动筛的设计和制造具有指导意义。图52幅；表9个；参43篇。关键词：直线振动筛；动力学分析；有限元；结构优化；强度分类号：TH222

AbstractInthefieldofthecoal,vibratingscreenhasaverywiderangeofapplications,asanimportantpartofmaterialprocessingmachinery,withwashing,dewatering,classification,mediumandotherfunctions.Therearemanydifferentkindsofvibratingscreenandstraightvibratingscreenproductionefficiencyisbetter,notonlycangetbetterclassificationeffect,anditsefficiencyishigher,andeasymaintenance.Vibratingscreendynamiccharacteristics,andcanbehavingadirecteffectonitsworkingefficiencyandservicelife.Therefore,itisnecessaryforvibratingscreenandthein-depthstudyofthedynamicbehaviorofthe,andcarriesonthestructureoftheoptimization,maximumefficacyintoplay,itenhancestheworkingefficiencyofthecoaloperation.InZK3648-SHshakerforthestudy,fordomesticshakerbasebeamsweremorepronetofracture,therelativelyshortlifeofthesetwosignificantproblemsfromdifferentanglesstaticsanddynamics,finiteelementanalysisusingANSYSsoftwareanalysisandresearchoftheshaker.Papersselectedshakerdesignandrelatedparametersstudied,andtheshakerworksanalyzedusingknowledgemovementmechanicsnotedmovementonthevibratingscreenmaterial,anditsdepthanddetailedanalysisandresearch,mechanicalmodelshaker;followedbytheestablishmentofathree-dimensionalmodelofthree-dimensionaldesignsoftware,Creo,importANSYSsoftwarebasedonfiniteelementmethodforlargelinearvibratingscreenstatics,modaltimehistoryresponseanalysis,andexperimentalmodalanalysiscombinedoptimizethestructuretoensuretheshakertoworkproperly.Thelastlarge-scalelinearvibratingscreenforlowlifecharacteristicsofthefocuspositionoftheshakerfatiguelifeprediction,provideareferencefortheshakerdesign,installationanduse.Dynamicdesignmethodusingfiniteelementanalysisandexperimentalmodalanalysis,etc.,tosolvetheproblemshakerintensityprovidesanewstructureimprovementprogram,withguidanceforthedesignandmanufactureofvibratingscreen.Figure52;Table9;Reference43Keywords:linearvibratingsieve,dynamicanalysis,Finiteelement,Structureoptimization,strengthChinesebookscatalog:TH222河北联合大学硕士学位论文目次目次TOC\o"1-3"\h\z引言 1第1章绪论 21.1课题的研究背景及意义 21.2振动筛国内外研究状态 31.2.1国外振动筛研究现状 31.2.2国内振动筛研究现状 51.3课题主要研究内容 71.4小结 8第2章宽筛面直线振动筛的工作原理及参数设计 92.1振动筛工作原理 92.1.1宽筛面直线振动筛的主要结构 92.1.2宽筛面直线振动筛的工作原理 102.2宽筛面直线振动筛物料运动与工艺参数分析 112.2.1筛面物料运动分析 112.2.2直线振动筛工艺参数选择 132.3宽筛面直线振动筛的设计参数分析 152.3.1振动筛参振质量 152.3.2激振器偏心距的计算 162.3.3激振弹簧刚度 172.3.4筛箱重心及激振器位置分析 172.3.5振动筛振幅及电机功率计算 182.4小结 20第3章振动筛有限元模型的建立 213.1有限元建模需考虑的问题 213.2筛箱模型简化 213.3单元的选取 233.3.1实体单元的选取 233.3.2弹簧—阻尼单元的选取 243.4筛箱有限元模型 243.4.1定义材料属性 243.4.2筛箱有限元模型 253.5筛箱有限元模型载荷与约束 263.5.1激振器的模拟 263.5.2筛箱的约束施加 273.6小结 28第4章振动筛箱的动力学分析 294.1筛箱模态分析 294.1.1模态分析概述 294.1.2筛箱模态分析结果 314.2筛箱谐响应分析 404.2.1谐响应分析概述 404.2.2筛箱谐响应分析结果 424.3小结 46结论 47参考文献 48致谢 51导师简介 52作者简介 53学位论文数据集 54引言-PAGE19-引言我国是制造业大国，随着经济的高速发展，我国机械制造业迎来了良好的发展契机。振动筛分技术就是基于我国先进的机械制造业而逐渐发展起来的，已经被应用到矿山、冶金、建材、化工等诸多领域。振动筛分机械对推动我国资源开采和利用发挥着非常重要的作用，在矿山、冶金、建材、化工等方面的表现尤为突出。国内外振动筛技术具有一定发展目标，都向着标准化、大型化以及中性化方面不断延伸。实现标准化与大型化振动筛，可降低在设备管理、购买、类型以及数量上投入的费用，降低设备在初期的费用投入，占地面积也随之降低。大型振动筛有以下优点：性能可靠性强、运行效率高、处理数据量大等特点，受到国内外专家学者的一致青睐。随着振动筛体积的不断增加，必须要对振动筛的结构进行优化，进而实现小型振动筛无法实现的功能。大型振动筛在设计制造方面，由于振动筛所具有的承重能力逐渐加大，所需振动前端基本要求提高，振动筛宽度成为之前的两倍，并逐渐增大管梁应变力，伴随着大型机械大负荷的工作强度，必须增加大型振动筛的强度与刚度，确保大型振动筛的使用寿命。振动筛需要定期进行检修，对可能存在的问题需要及时进行处理。影响振动筛使用寿命的主要因素有很多，比如我们常见的现象，横梁出现断裂、筛帮发生开裂、下梁出现断裂、出料口意发生开裂等。振动筛处于工作状态下，受到多种力的共同作用下，会激发出振动筛不同结构件的多阶固有模态，产生共振，最终造成振动筛受到损坏。振动筛受到的力包括物料位于筛面上运动作用力与激振器产生的激振力等。振动筛具有较复杂的结构，由多种零部件组合加工而成，如果单纯的对某一部分的零部件进行检修，则无法确保振动筛整体能够达到最大的工作效能。同时，振动筛各个零部件之间所形成的整体结构是通过计算得出的，若要将振动筛的动态性能进行检查，必须要借助动力学原理来完成。因此，传统中使用的静态设计方式、经验以及类比无法达到基本需求。可以使用更行之有效的计算对机械结构动态强度进行处理，本文课题主要针对该问题而出发。本文所选取的振动筛为直线振动筛，型号为ZK3648-SH，通过对其进行分析和研究，指出其中所存在的动态设计方面的问题，并对存在的问题提出了相关的解决策略。直线振动筛是振动筛中最为常见的，通过对直线振动筛的分析和研究，能够对振动筛的动态性有更加清楚的认识，不仅具有较高的理论研究价值，对于推动大型工程建设也具有非常积极的作用。第1章绪论第1章绪论1.1课题的研究背景及意义20世纪末至今，人们加大了资源开采的力度，这也使振动筛分机械得到了迅猛的发展，并以此来完成各种不同的工艺过程。目前广泛用于各种工业部门，如：水利电力、选矿、石油化工、轻工、冶金、建筑、交通运输等。不同类型的振动筛运动轨迹大不相同，这是由于国民经济中各个行业的需求不同，所以需要采用不同的筛分方式，并产生不同形式的筛分机械，在各个工业部门中实现广泛使用。例如在建筑工程中需要各种大型的筛机对沙石进行分级；在选煤厂，普遍用概率筛、圆振动筛、直线振动筛和等厚筛来完成对末煤、精煤和粗煤的分级、脱水和脱介等工艺；在焦化厂则采用直线振动筛对焦碳进行筛分工作。振动筛正向着高效、自动化和精密方向发展，这种变化趋势主要是由于科学技术和生产尤其是制造技术、计算机辅助设计的发展。随着目前产品的结构的日益复杂化，对振动筛分机械的工作性能的要求也随之提高。振动筛分机械受力状况比较复杂，同时筛分机械所处的环境较为恶劣，并且多为长时间作业，因而容易造成机械零件疲劳和失效，各种温湿环境也会对筛分机械的金属体造成腐蚀，其中最为明显的就是筛分机械两侧的筛帮开裂，前帮开裂、下梁断裂、配料口横梁断裂等。振动筛在工作时会进行振动，并且产生极大的噪音，会对操作者的身体健康造成严重损害，同时，设备的损坏将严重导致经济效益的降低，并且也会严重的破坏环境问题，所以严格满足筛分机械结构的动态、静态特性、低噪声、小振动的要求是我们在振动筛的设计与生产过程中的前提条件。传统的设计方法对于当前工作强度逐渐增大的使用需求而言已经落伍，必须要推陈出新，采用新设计来解决振动筛所存在的问题。如今在筛分机的设计方法上主要有两种，一种是类比设计方法，另一种是常规的设计算法，对振动筛结构强度未考虑局部结构和高阶的动态特性的影响，只作静强度计算和分析研究。强大的交变载荷激振力的作用使振动筛筛箱容易发生疲劳损坏，导致振动筛箱体不同程度的损伤。实验证明，即便是在筛框能够满足静强度的情况下，振动筛的筛框也会受到不同程度的损伤。可见，必须要加强振动筛的设计，通过振动筛的设计来对各种结构和参数进行优化，增强振动筛的工作强度，延长振动筛的使用寿命。对于大型振动筛而言，由于振动筛存在动态特性，这使振动筛能够适应当前大强度的振动作业，但在动态特性的分析中，必须要融入动力学原理的相关知识。通过对振动筛结构上实现动态设计，以满足大型筛分机械在高强度工作条件下的使用需求，对振动筛的结构进行创新，延长工作筛工作寿命，提高振动筛的稳定性以及可靠性。下表是近年来我国大型振动筛的使用情况[1]：表1筛面面积＞24m2的振动筛运行状况Table.1OperationStatusofVibratingScreenwithAreaLargerthan24m2制造商型号使用情况结果分析德国KHD公司USL3675(27m2)使用年限＞5年，横梁断裂，侧板开裂。根据横梁断裂部位与形状进行判断，侧板裂纹是高强度疲劳损坏，振筛刚度低，存在亚共振。日本神户制钢3.2×7.5（24m2）使用年限＞3年，纵梁断裂，产生较大噪音。振动筛刚度小，存在亚共振，同步后应力较大，并产生较大噪音。洛阳矿山机械厂3.6×7.5（27m2）使用年限＞3个月，纵梁断裂、螺栓松动，产生较大噪音。振动筛刚度小，存在亚共振，同步后应力较大，并产生较大噪音，螺栓松动是人为因素导致。唐山分院ZK30525运行稳定性差，存在“漂振”、过度横摆。振动筛刚度小，存在亚共振，产品存在质量问题，侧板与轴承座不垂直，两孔同轴度无法保障。另外，国内生产的大型直线振动筛，无较长的使用寿命与无故障运行时间，与国外发达国家对比，还存在较大差距。所以，设计、研究以及生产大型直线振动筛，成为当前情况下我国研究振动筛遇到的主要问题。随着计算机辅助设计的发展，有限元法是目前我国主要是利用对振动筛进行了强度方面的研究的方法。本文就是应用动力学分析的方法对ZK3648-SH大型直线振动筛进行动态仿真和有限元分析，提高振动筛使用可靠性以及寿命，使筛体的结构能够尽可能的合理的满足振动筛在设计上的基本需求。1.2振动筛国内外研究状态1.2.1国外振动筛研究现状发达国家筛分机械在技术上相对更加成熟。16世纪，英国设计建造了全球第一台煤炭用固定筛，但这时的筛分机械发展缓慢，直到18末世纪才得到长足的发展[2]。19世纪至今，全球能源消耗大幅度的增加，这主要是由于工业的迅速发展，矿业开采依托于科学技术的发展在全球的经济比重不断上升，对发展筛分机械具有推进作用。德国申克集团具有260种筛选设备品种齐全，技术水平高；KHD公司生产超过200种规格的筛分设备；1976年，德国生产了单处理能力在千吨级/时的振筛机械。由美国公司自主研发的DFN双频振动筛激振器能使用不同的速度。瑞典斯维达拉公司生产的在印度尼西亚的黄金振动筛已成为最大的双直线振动筛。从事解决潮湿细粉煤筛分的英国，研制成功旋转概率筛。苏联也研制了多用途自同步直线振动筛。为了容易对细粒度进行分类，日本rexnoro通过纵向分析周期和旋转运动研发出气流筛。在科学技术的推动下，国外仿真技术发展也非常迅速，同时应用有限元分析，使振动筛的发展步入了新的纪元。欧美发达国家极其重视机械产品的结构动态设计，并将其作为重点发展方向。对于振筛机械横梁的强度方面俄罗斯人走在了前面，前苏联BH巴杜拉耶夫在对结构力学进行研究的基础上，计算了平面刚架结构的主要内力—弯矩，主要是将筛框进行简化使之成为平面刚架结构，对振动筛的筛体进行了结构强度分析和研究。其分析结果表明振动筛的横梁自身强度不足，使梁产生弯曲与扭转，在振动筛的整体结构中，筛框是最易发生损坏的部分，同时截面尺寸以及结构动力受力不均，则是造成横梁断裂的主要原因。巴拉度耶夫等人基于对冷矿筛的研究，在理论上实现了振动筛的结构优化，但在其推导的过程中是处于一种无干扰的理想状态，在实践中的可行性存在局限。苏联研究团队Voinov.O.V等人于1990年指出振动筛筛框侧板不仅会在水平面内有弯曲变形，用有限元法对振动筛全部强度进行计算，并提出振动筛侧板与地面处于垂直状态仍然会表现出弯曲。此外，这个研究团队在对筛箱受力状况进行研究后，将古典结构力学中的冗余假设进行精简，削弱了古典结构力学中的各种限制因素，使计算结果的精度更高，更能直观反映振动筛实际情况[3-5]。国外振动筛的发展正在向大型化、规模化、专业化、高效化方向发展，并且拥有较为完善的结构体系[6]，对应用振筛机械的各个行业发挥着非常重要的作用。发达国家振筛机械在技术方面更加先进，针对不同的生产条件能够生产出与之对应的振筛机械，并且在功能上也更加完备，同时在大型振筛机械的研发方面更为突出，极大的提升了振筛机械的效率，在全球范围内被广泛应用。国内大型振筛机械的发展相对比较落后，大部分市场份额被国外振筛机械企业所吞占。国外对于振筛机械的研发在理论方面数量更多，其中对振动筛工作过程中应力下降所进行的实验模态分析有相关介绍，同时还有对振动筛、搅拌机、非对称双容器等结构的动态特性分析等[7,8]。国外在进行振动筛，尤其是设计与研发新型振动筛，都采用计算机仿真技术创建试验机，由两方面出发分析振动筛动力学，并对其结构合理性进行测试，采用有限元中的两种测试方法，分别为静力学测试与动力学测试，对振动筛不同结构受力进行分析与研究，根据上述应力应变设计与图形，评价已研发的振动筛。若不合格，通过计算机完成优化与改进，达到与最终结果相同。国内外专家学者采用有限元动力学分析与静力学分析两种方式设计与研究新产品，以获得的数据作为根本。目前，已经广泛应用的两种有限元分析软件分别为ADAMS与ANSYS。下表是国外大型振动筛的生产情况：表2国外公司生产的大型振动筛Table.2Thelargescreensmadeinforeigncompanies公司宽(m)长(m)筛分面积（m2）德国筛子技术公司5.51050德国申克公司48.534日本神户制钢所8美国RNO公司3.77.327日本川崎重工41248德国洪堡特和韦达克公司4.56.75301.2.2国内振动筛研究现状煤炭能源目前是我国最主要的能源之一，占我国能源的75%以上。我国煤炭资源的特点是产量丰富，储量多，品种齐全。由于我国经济的高速发展，采掘煤矿已经不断提升使用的机械化程度，需要更多能源需求量作为支持，因此研发大重型振动筛具有一定重要性，重点为容量较大的振动筛，需求量逐渐凸显，在振动筛分机械的工作效率和处理能力的要求愈来愈高。我国对筛分机械主要经历了三个研制阶段：第一、仿制阶段。第二、自行研制阶段。第三、提高阶段。我国筛分机械的发展在仿制国外先进产品的同时，在技术上不断进行创新，进而培养出振筛机械方面的专业人才。20世纪70年代，基于国外振筛机械研究基础，我国自主研发出具有创新意义的新型振筛机械，其中有两系列共同振筛分别为15平方米与30平方米、重型振动筛1.5×3米系列、等厚概率筛系列、自同步直线振动筛系列、煤用单轴、双轴振动筛系列、冷热矿筛系列等。这些设备研制成功在一定程度上满足了国内对振动筛的需求，虽然存在着部分技术和质量上的问题，但是这对我国进行独立研发筛分机械奠定了良好的基础。20世纪末，我国筛分机械的发展上升到了新的阶段，自主研发出多种新型振动筛系列，包括振动概率、箱式激振器、旋转概率以及自同步振动筛等。我国振动筛的发展经历了几十年，尽管取得了一些成就，但仍然无法达到尖端振筛机械的研发水平，对大型振动筛的研制并没有取得明显进展，与很多发达国家相比，技术水准，在生产能力，劳动生产率等方面还有相当大的差距。振动筛结构强度问题是发展大型振动筛的关键问题之一[9]。筛箱不仅承受了很大的激振力，而且还承受了被筛分物料的重量，这是由于振动筛在较高振动频率下工作，对筛箱结构有一定的要求，必须要确保筛箱能够有一定的强度与刚度，这对我国在大型振筛机械的研究方面具有非常重要的意义。当筛宽扩大为原来的2倍，那么梁的应变力将要相应增加至原来的17倍[10]，所以为了不严重影响筛分机械的使用寿命，梁径也会随之增加一样的倍数。振筛机械在结构上不断增大，内部激振力也会随之增大，因而所产生的负荷也会增加，因而必须要对振筛机械的强度也有了更高的要求。目前国外筛分机的使用寿命可达10年，而国内一般却在8年以下。由振动筛设计规范出发，从两方面要求振动筛动力响应，首先是运动要求，两个侧板之间的振幅差小于0.5mm，筛箱横向摆动小于1mm；另一方面动应力要小于24.5MPa[11]。振动筛筛箱的强度问题主要是侧板、大梁和横梁的强度，这些部件是重要的承重与受力部件，为了加强这些部件的支撑力，学者进行了不懈的努力。1975年，韩二忠率先确定出横梁受力最大的位置，用结构力学对横梁的内力分布进行演算，但受到计算机的约束，仅研究了桥梁强度[12]。计算机技术处于不断发展中，学者采用工程技术软件对振动筛进行了立体式的动态分析，也推动了采用有限元法对振筛机械所进行的研究。由日本学者通过使用软件KASTAN，研究日本生产的振动筛分机械，长度为12米，宽度为4米，总面积为48平方米的筛分面积，对其中惯性振动筛的振动强度进行计算，指出振动筛在预定转速中，构建应力值的变化并不明显，并且构建之间并不存在共振点，以此证明振动筛的可靠性；傅莉运用SAP91软件对振动筛进行强度分析，研究对象为2ZKX1760，表示振动筛主要应力点分布在横梁与筛箱的接触部位，振筛机在振动的过程中应力值始终较低，其他部位应力也不高，强度储备可以进行释放，可以降低振筛机的重量，进而降低振筛机的制造成本[13]。李永志则对SXJ4261型香蕉筛振筛机的动态性进行研究，对筛机各部位进行了应力校核，通过分析得出筛机工作在远共振区[14]；刘金生对三电机振动筛进行研究，应用有限元法对其中的动态性以及应力进行研究[15]；侯勇俊运用有限元法对振筛机的结构强度进行研究，通过对XRZS-Z振筛机的结构进行研究后，指出其最大应力在许用应力范围内，能够满足强度使用的要求[16]。目前，国内外振动设备方面的专家学者主要研究的内容有：闻邦椿在对振筛机不断深入分析与研究，并提出了相关理论，包括物料运动理论、振动筛振动质量、系统阻尼计算设计、弹簧刚度与强度等内容，通过对现代机构创新及机械系统动态优化设计理论与方法对弹性连杆式、惯性式、电磁式振动筛进行了动力学分析，并在振动筛设计领域的应用进行了深入研究[26]。刘初升、赵跃民主要对大型圆振动筛分析其动力响应、模态分析等，并研究双自由度大型振动筛自身具备的可靠性，并对筛分理论进行了详尽的阐述。他编制了振动筛的仿真用软件，建立了多激振器振动筛的数学模型，并对仿真结果进行了测验，还对通过超静定网梁结构创建的大型振动筛的自身功能展开了深入的分析[27]。沈惠平针对筛分特性特别是筛分效率进行了专门的详细的实验验证，并对关于非平面筛面并联运动振动筛筛分机理与设计理论进行了分析[28]。林超等学者对双驱动卷扬机多流传动系统所具有的各种非静止类性能展开了分析，在考虑支承弹簧弹性下的系统耦合振动模型采用功率键合图理论和方法建立双驱动卷扬机多流传动系统，并展开了实验探究[29]；美国著名学者Mehta对精密类振动筛选择曲线的数学分析展开了深入研究[30]。1.3课题主要研究内容文章重点研究与分析的课题对象为由某矿山机械公司使用的型号为ZK3648直线振动筛，宽筛面ZK3648型强迫同步直线振动筛的横梁在实际使用过程出现裂纹，通过高阶实体单元创建振动筛筛箱的有限元模型，并对谐响应与模态展开研究，确定振动筛工作状态下的动态应力分布，找出最危险截面。同时用Creo2.0软件建立振动筛三维实体模型，确定质心位置，对原设计提出改进方案，并对改进后的结构进行分析计算。其研究内容如下：首先与振动筛分基本原理与结构相结合，并对直线振动筛工作原理更加深入的分析，创建有关直线振动筛力学模型，通过应用振动筛动力学参数可更加方便采用动态方式分析与计算。根据振动筛结构特性及工程图纸，通过三维建模软件创建类型为ZK3648的直线振动筛筛箱实体模型，将简化后的实体模型转化为ANSYS软件有限元模型，并实现规划网格，并建立筛箱有限元模型。基于Ansys，采用动力学方式分析筛箱。应用模态分析方式，可得到位于前二十二阶筛箱具有的振型与频率，对振动筛处于工作状态下是否会出现共振现象研究。4）寻找筛箱存有哪些缺陷，通过动力学研究数据，侦测振动筛是不是存有应力集中或位移突出的故障点。1.4小结本文基于当前筛分技术发展形势之上对本文的研究背景和意义进行阐述，介绍了筛分作业的方式以及筛分机械的种类和特点，阐述了本论文的主要研究内容及研究方案。第2章宽筛面直线振动筛的工作原理及参数设计第2章宽筛面直线振动筛的工作原理及参数设计2.1振动筛工作原理2.1.1宽筛面直线振动筛的主要结构组成大型直线振动筛的结构的部分较多，一般都包括筛箱、筛网、筛框、减振弹簧、传动装、电机台座、支撑装置、振动电机等。由电机带动激振器主轴回转，利用万向联轴器，实现激振器与电机之间的连接，让筛箱发生振动，该振动是由位于激振器上偏心轮在作用下产生的离心惯性力[37]。橡胶弹簧作为筛框的主要支撑部分，弹簧可分为六组。橡胶弹簧具有较大阻尼以的特点，可以抑制筛体产生的共振现象。筛框核心部件主要为侧板、排料咀和后挡板以及横梁等。侧板是利用环槽铆钉或者强度比较高的螺栓与后挡板、横梁、排料咀连接。激振器通过铆钉安装在筛框侧板上，如图1。每个激振器分别由一根联结轴、两组偏心轮（其中单组偏心轮又分为主、副偏心轮）、两套轴承座以及大游隙轴承等组成。激振器产生的振动力是通过两组偏心轮的回转而形成的。可以通过调整偏心轮的配重进而实现对振动力幅值的改变。万向联轴器能够实现激振器与电机的同步结合。图1激振器位置示意图Fig.1Sketchmapofthepositionofthevibrator型号为ZK3648振动筛筛面长度与宽度分别为4.8m与3.6m，组成部分分别为筛箱、筛网、筛框、电机设备、激振器、支架、隔振弹簧等，下图2所示：1—表示偏心块；2—表示电机；3—表示弹簧图2ZK3648振动筛基本工作原理Fig.2ZK3648VibratingScreenOperatingPrinciple2.1.2宽筛面直线振动筛的工作原理直线振动筛采用双振动电机驱动，筛机的以直线作为运动轨迹，由偏心块产生的激振力与电机轴垂直的力相互叠加成为一种合力，可实现两台电机同步与反向旋转，与电机轴线相平行的方向实现抵消。与筛面相对的两电机轴之间存在倾角，物料在筛面上被抛起跳跃式向前做直线运动，与此同时在物料自重力和激振力的合力作用下，达到对物料进行分级和筛分的目的[38]。常用的直线振动筛有以下四种：DZSF型直线振动筛、ZKB型直线振动筛、FS直线振动微粉筛以及型号为DZSF-KD型直线振动筛等。我国科学家以我国基本需求作为基础，研发出ZK系列直线振动筛，是一种新型系列振动筛，基于吸收与消化国内外先进振动筛特性，并根据多年相关设计经验，进一步研发的具有高效性筛分设备，适合在多种部门中应用，分别为污水处理、选煤、发电、选矿、制盐、制糖等。通过采用该振动筛，可按照不同的湿度类型对细物料实现干、湿式粒度作业，可分为脱水、脱泥以及脱介等，与不同类型直线振动筛相同，两台电机完成反向与同步旋转，通过双电机驱动方式，两台激振器具有相同偏心距离与偏心质量进行反向同速旋转，在平行于电机轴线的方向其偏心块所产生的激振力相互抵消，在垂直于电机轴方向采用叠合方式成为合力[39]。力学原理作为基础，两偏心质量可完成自动同步运动，位于振动方向振动筛可完成直线型运动与往复直线运动。物料通过给料机慢慢地进到筛分机中，在经过层层筛选后不同类型的物料在指定的排口排出，最终可实现分析与筛选物料。2.2宽筛面直线振动筛物料运动与工艺参数分析2.2.1筛面物料运动分析1）筛面运动方程直线振动筛按照振动方向的筛面向展开直线型运动，它的位移为[40]： （SEQ公式\*ARABIC1）式中：；基于与筛面保持平行状态的x方向、与筛面保持垂直状态的的y方向把筛面运动进行位移分解，能够获取下述数值： （SEQ公式\*ARABIC2） （SEQ公式\*ARABIC3）根据上述两个算式对的一阶导数与二阶导数，能够获取筛面顺着x、y方向所形成的加速度与速度： （SEQ公式\*ARABIC4） （SEQ公式\*ARABIC5） （SEQ公式\*ARABIC6） （SEQ公式\*ARABIC7）公式中：表示为振动方向角，物料与筛面跳离的瞬间产生的夹角，被称作抛射角。文章研究的振动筛夹角是45°。2）分析筛面物料运动筛面物料运动状态类型较多，可分为相对静止、反向滑动、正向滑动、抛掷运动等，筛面选择的运动状态按照振幅频率与筛面倾角确定。抛掷运动表示物料颗粒的一种运动模式，本论文就抛掷运动的基本理论进行分析，物料被抛起时沿工作面向前做抛物线运动。物料筛面上做抛掷运动时在的受力情况如图3所示[41]：图3筛面上物料颗粒的实际受力状态参考图Fig.3Forcestateofmaterialgranulesonthescreensurface基于简单分析的目标，只需对单个物料粒在晒面上形成的运动状态进行分析而忽略颗粒间的相互摩擦力。图中，筛面沿S方向振动，N为筛面对物料所形成的法向反力，F表示筛面对物料所形成的摩擦力，其中单颗物料的具体受力值的计算公式如下： （SEQ公式\*ARABIC8） （SEQ公式\*ARABIC9）物料颗粒能够进行抛掷运动需要满足这个条件：顺着y方向的正压力值是0，也就是说相对加速度值是0： （SEQ公式\*ARABIC10） （SEQ公式\*ARABIC11）式中：消去m得： （SEQ公式\*ARABIC12） （SEQ公式\*ARABIC13） （SEQ公式\*ARABIC14） （SEQ公式\*ARABIC15）式中：若物料抛掷指数值时，存在解值并保持在0~180°中；时，则没有解。2.2.2直线振动筛工艺参数选择振动筛工艺参数指标主要包括抛射角、振幅、振动篩频率、筛面倾角等结构参数直接影响着振动筛的工艺效果。1）振动强度与抛掷指数的确定一般小于8，许用值（代表了振动筛的强度值）〔K〕=4~6。，通过可以通过高速抛掷方式进行物料的筛选与分类，其中直线振动筛通常选择2.5~4.0；并且，通常选择2.5~5，可选择中速抛掷方式。此类方式对振动筛机体的性能（如强度和刚度）要求也不高，并且产量和筛分效率都很高[42]。2）筛面倾角安装后筛面与水平方向的夹角是筛面倾角。筛面倾角小时，筛分效率高，并且生产量低，物料移动的较慢。直线振动筛物料采用斜抛方式，通常采用水平方式安装，产生的倾角为0。处于直线振动情况下，颗粒较大的物料容易堵塞筛孔，筛面属于平面型，为避免此类情况的出现应该对筛面晃动速度提出更高标准要求，晃动速度不仅无法高于指定范围，同时无法超过临界值。筛孔直径与临界晃动速度之间成正比。在屏面上安装的振动筛一般要选择中、小颗粒的筛孔。造成圆振动筛的筛面倾角弧度很大的原因在于圆振动筛的抛射角度大，不过基于筛面之上的物料滑动速度不快，只有增大筛面倾角才能加快物料滑动速度，进而提高工作效率[43]。3）振动方向角直线振动筛最关键一个参数就是振动方向角，它指的是夹角和筛箱的一种整体运动方向，也被称之为抛射角。通常起角控制在30°~65°内，我国普遍选择45°。4）振幅与频率振动筛在工作期间最重要的一个参数值就是振幅值，其中振动筛频率表示在一分钟内筛箱总振动次数。各种类型的振动筛具体振幅要求不同。直线振动筛振幅控制在4~6mm内，圆振动筛振幅控制在3~4mm内。其中筛箱的速度大小及加速速度大小决定振幅及振率。其中筛箱运动的加速度为[44]： （SEQ公式\*ARABIC16）从上式中可以看出，振动筛在工作时要使物料在筛面上抛起需要足够的加速度才能完成，这就要求振动筛要有足够的振次与振幅，筛箱加速度提高后，筛箱的振动次数与振幅均提高，与振动次数对比，更大程度影响筛箱加速度。若产生的加速度较高，要求具备较高的振动筛内部结构。由经验提出，筛箱最佳加速度处于70~85m/s2最合适。5）物料运动速度物料在筛面上转动，产生的速度通常情况根据经验公式来计算，这是由于理论值与实际值相差很大。对于直线振动筛，物料的运动速度按下式进行计算： （SEQ公式\*ARABIC17）式中：表3倾角对物料平均速度的影响系数Table.3Influencecoefficienofangleeffectsonmaterialsaveragespeed倾角α°-15-10-50510150.6~0.80.8~0.90.9~0.9511.05~1.11.2~1.41.5~2.0表4物质层厚度影响系数Table.4Influencecoefficienofmateriallayerthickness物料层厚度筛孔a的倍数薄料层（1~2a）中厚料层（3~5a）厚料层（10~20a）料层厚度影响系数0.9~10.8~0.90.7~0.8表5滑行运动影响系数Table.5Influencecoefficienofangleeffectsonmaterialsaveragespeed抛掷指数522.53———1.1~1.151.05~1.11~1.0516）生产率通过下文使用的两种方法对生产率计算：（1）流量法 （SEQ公式\*ARABIC18）式中：（2）平均法 （SEQ公式\*ARABIC19）式中：2.3宽筛面直线振动筛的设计参数分析2.3.1振动筛参振质量对直线振动筛来说，参振总质量包括两个部分：一部分是参加振动的物料的质量；一部分则是参加振动的振动筛各部件的质量（包括激振器、筛箱、支撑装置的上弹簧座等的质量），其参振总质量对于固有频率以及惯性力影响较大： （SEQ公式\*ARABIC20） （SEQ公式\*ARABIC21）式中： （SEQ公式\*ARABIC22）式中：其中，每个激振器的质量为1583kg；联轴器的质量为40kg；联轴器罩质量为10kg；弹簧座质量为320kg；筛面宽度为3.6m；长4.8m；物料松散密度为0.9×103kg/m3；筛面上物料厚度为200mm。通过采用上文公式，得到直线振动筛整体参振质量是13790公斤。2.3.2激振器偏心距的计算偏心块发挥关键作用的是主副偏心轮，它的重量与回转半径需要达到下述条件： （SEQ公式\*ARABIC23）式中：其中振幅A属于设计值，取3~5mm；偏心轮组数为8；单组偏心块的质量为设计值75.4kg；偏心块质量是75.42kg，偏心距94.76mm。2.3.3激振弹簧刚度任何振动机械都会产生交变载荷，所以振动机械都应该具有减振装置，否则向基础传递的交变载荷会损坏基础设施，弹簧的功能是降低对交变载荷值的依赖性，在直线振动筛中利用6组橡胶弹簧具有一定支撑作用，下面是计算刚度使用的公式： （SEQ公式\*ARABIC24）式中：；，取5400rad/s；。每个弹簧的刚度： （SEQ公式\*ARABIC25）式中：该大型直线振动筛橡胶弹簧规格为φ240×240×φ50；静刚度为315±10N/mm；弹簧刚度为313N/mm。2.3.4筛箱重心及激振器位置分析直线振动筛的重心可以按照下列式子进行计算： （SEQ公式\*ARABIC26） （SEQ公式\*ARABIC27）式中分别表示为第个构件的质量和其X，Y坐标。2.3.5振动筛振幅及电机功率计算1）系统的振动方程激振器产生的简谐激振力构成该振动筛系统所受到的外力。由于激振器产生定向的简谐力，振动筛体将在其作用下产生定向振动。大型直线振动筛系统在振动运行时，筛箱与弹簧会各自形成不同类型的力，比如惯性力、弹簧力等，基于达朗贝尔工作理论，系统振动公式如下所示： （SEQ公式\*ARABIC28） （SEQ公式\*ARABIC29）式中：由前文分析可知，在方向激振力总是抵消，所以在式（28）的解为零，整理式（29）的右端，可得： （SEQ公式\*ARABIC30）在计算过程中，如果系统阻尼较小，可以忽略系统阻尼，这样可以方便计算，所以方程可改写为： （SEQ公式\*ARABIC31）2）振动筛筛箱的振幅振动筛的振动在激振力的作用下属于稳态的强迫振动，通过振动筛力学模型所获取的振动公式能够得到具体的筛箱振幅值，振幅会随着能量的消耗而逐渐降低，因此在计算时只要求得特解就可以，该值是： （SEQ公式\*ARABIC32）对上分别求其一阶、二阶导数，得： （SEQ公式\*ARABIC33） （SEQ公式\*ARABIC34）将式（32）和式（33）代入式（34）中，于是： （SEQ公式\*ARABIC35）求解得振幅为4.166mm。3）电机功率计算振动筛的电机功率满足下式： （SEQ公式\*ARABIC36）式中：（1）振动阻尼消耗的功率振动阻尼消耗的功率主要是由激振器为克服振动筛筛箱的运动阻力而消耗的功率，其表达式为： （SEQ公式\*ARABIC37）式中：（2）摩擦力消耗的功率摩擦力的损耗通常指的是在运行工作中，激振器需要应付轴承形成的摩擦力，其损耗功率主要取决于激振力或筛箱运动的惯性力，这部分的表达式为： （SEQ公式\*ARABIC38）式中：2.4小结本章通过物料运动与工艺参数以及振动筛的工作原理对直线振动筛进行了运动学分析，介绍了直线振动筛的主要结构与运行原理，并且还对物料的运作模式与振动筛工艺具体参数值进行了研究。第3章振动筛有限元模型的建立-PAGE45-

第3章振动筛有限元模型的建立3.1有限元建模需考虑的问题位于有限元分析内，创建模型作为最重要的一部分，模型质量高低与最终得到分析数据的准确性有直接关系。在创建模型时，可对部分次要因素忽略，从而减少计算机运行周期、降低建模工作量、减少运算过程对硬件资源的需求量等，在简化后不会出现较大误差的情况下，简化部分实体。创建振动筛有限元模型过程中必须重点考虑以下几个方面：1）选择有限单元选择单元作为建立有限元模型中最重要的一部分，建立模型过程中需要考虑的问题类型较多，主要包括各个学科领域、模型维数、模型对称性、该单元支持的计算机特性与单元、设置单元关键字选项、设置单元实常数与截面属性、连接各个单元、限制单元、输出单元结果数据等。2）创建一一般模型分析与否振动筛模型的结构具有对称性，在激振器大梁两侧安装相应的激振器，由此可见，筛箱载荷同样具有对称性。建立有限元分析对称性模型，建模过程变得更加简单，计算机运算量很大程度降低。3）创建振动筛二次隔振系统模型与否振动结构中，二次隔振系统具有一定重要性，可降低来自振动筛对地基产生的冲击性。文章中提到位于有限元分析过程中，二次隔振系统不会对振动筛应力产生较大影响，未创建该模型。4）模拟激振器与增加激振力创建振动筛模型时遇到问题是关于如何完成激振力的增大与模拟激振器。文章在该方面做了深入研究，通过质量点单元对大偏心块质量的激振器进行模拟，利用刚化区域的方式在激振器安装座上完成质点刚化。3.2筛箱模型简化按照振动筛的实际结构对大型直线振动筛建立振动筛有限元模型时需要对其进行适当的简化处理，这样不仅能有助于提高工作效率，更能便于简化分析模型。模型质量的高低将会对有限元信息精准度产生最为重要的影响。相对其他结构而言大型直线振动筛实体模型比较复杂，不可能完全用实体模型的原型利用相关软件对其进行有限元分析，因此要将其实体模型简化，但前提是必须确保有限元分析数据不会出现较大误差，在建模时必须对忽略部分细节特性与和工艺结构。在建立直线振动筛有限元模型的过程中应该考虑到以下几点：1）建立模型进行分析考虑是否取其二分之一直线振动筛得产生的激振力是按照对称模式而组织的，其结构组织亦是如此。对于此类振动筛而言，其产生的应力、应变亦是对称而成。所以在对有限元进行研究时可通过振动筛模型的二分之一、四分之一或八分之一进行计算。但是这种模型的简化不适用于对振动筛的动力学分析当中，仅仅适用于静力分析。因为在动力学分析过程中不存在变形为零且位置不变的平面，结构中的所有参量都是波动的。若是选择平面对称模型往往会导致信息不精准。此次研究课题与谐响应相关，所以会通过整体模型展开对直线振动筛的研究。2）二次隔振系统在建立振动筛模型时是否需要在机体工作时需要考虑用到二次隔振系统来减少机体对基础的冲击力作用，结合二次隔振系统对筛箱应力所形成的具体影响值而决定应不应该创建二次隔振系统，在本研究课题中不创建二次隔振系统。3）区分承载件和工艺饰件建立有限元模型时承载件不可随意忽略或简化，却可以忽略工艺饰件。承载件承担筛箱受力，真实的反映筛箱的实际受力情况，需要尽量保留其原有的结构形状。由于工艺饰件，在建有限元模型时可以忽略，由于其主要作用不在于提高结构的强度。基于上述标准，在参考其他成功案例的基础上，对创建规模庞大的直线振动筛有限元模型的具体信息进行提炼：（1）忽略仅仅为满足使用上的要求而设置的构件：木楔座、筛板以及一些非承载构件如作为安装支架的角钢等，对筛箱基于动力学展开研究时此类元件可不在考虑范围内，因为它们无法增强筛箱强度。（2）不考虑筛箱工艺孔与定位孔，因为此类小孔忽略对筛箱的强度和刚度并不会造成大的影响却能减少这些工艺孔和定位孔在划分网格时大量增加的网格数量。（3）为提高模型计算速度，可以将构件的圆弧过渡简化成为直角过渡。通过使用软件Creo2.0，建立振动筛的三维模型。刚度不会产生较大影响的条件下，简化振动筛，主要包括简化铆钉连接部分，采用刚性连接，可增强刚度；可对横梁、主梁以及后档板去除，可在一定程度上减小刚度，以上简化方式具有可行性。同时也可以对筛体上小尺寸的铆接孔与倒角去除，不会对筛体刚度与强度产生影响，在离散化过程中造成小孔位置网格细化，不会投入太大计算时间。运用软件Creo2.0对振动筛体整体进行绘制，并对三维模型进一步简化，下图4表示：图4ZK3648振动筛Fig.4ZK3648vibratingscreen3.3单元的选取3.3.1实体单元的选取对比大部分通过梁单元与壳单元划分的网络网格，之间采用不同的有限元分析，网格划分振动筛应用实体单元。可看做振动筛的组成部分为各个空间板梁。在振动筛中应用梁单元与壳单元的方式划分网格，主要优势在于降低计算所需时间，节点与单元之间的数目减少等。采用壳单元方式对结构模拟，在结构中其中一个方向与其他方向尺寸对比，远远小于，这时将沿厚度产生的应力忽略，处于有限元模型中，通常梁单元会通过直线的方式进行表达，此外，侧板和横梁的切面会通过一个点进行表达，这就将导致计算结果不准确，主要原因就是在接触部位的应力值急剧增大。为了避免上述问题的出现进行网格划分时将采用实体单元：对ZK3648振动筛进行网格划分选用实体单元SOLID187、点质量单元MASS21、弹簧单元COMBIN14。筛箱中包含弹簧支撑管梁，划分时利用SOLID187单元实现。应用SOLID187单元可对各个模型进行模拟，SOLID187单元中含有10个不同节点单元，处于X、Y、Z坐标系中，任意节点都会出现平移自由度。单元具有非常强的变形能力，能满足多种不同需求。3.3.2弹簧—阻尼单元的选取四组不同的橡胶弹簧可对振动筛支持，文章利用COMBIN14弹簧-阻尼单元完成模拟。COMBIN14单元的主要功能是完成扭转、轴向拉力等，COMBIN14轴向单元中含有一维压缩与拉伸，无需对扭转与弯曲进行考虑，在X、Y、Z坐标系中存在三个方向的自由度，COMBIN14单元只能实现各项无法实现轴向拉压，只能进行纯扭转，作为纯扭转单元的一部分。工作时中振动筛会受到很多不确定因素的影响，致使筛箱可能产生三维空间的运动，因此有限元模型需要对弹簧具有的横向刚度考虑在内。文章利用创建横向弹簧单元方式对橡胶弹簧横向刚度进行模拟，对弹簧单元在划分过程中，重点关注该线上的单元数量，若线上已划分两个单元火车超过两个单元，这时可实现与多个单元之间的串联。本文所研究的振动筛模型总共创建了十二个轴向型弹簧单元与八个横向型弹簧单元，第二种使用的刚度为121.7N/mm，第一种应用的刚度为365N/mm，与轴向钢都对比，是其三分之一。MASS21单元包含六个方向的自由度，其功能是对具有质量的点元素进行展示，不同可赋予不一样的质量与转动惯量。在对弹簧单元划分过程中，利用两个节点的方式建立弹簧单元。文章在划分筛箱与弹簧时，可由管梁使用SOLID187实现划分单元。抱箍作为支撑管梁与橡胶弹簧之间的连接部分，因此，通过建立刚性区域法可连接弹簧支撑管梁与弹簧单元，利用支撑管梁的中心位置创建主节点，可通过MASS21单元对各个质量较高的点元素表示，存在6个方向自由度，在各个方向上都存在相应的转动惯量与质量。文章利用MASS21单元对各组内激振器偏心轮质量进行模拟，该单元质量是25公斤，包含8个偏心轮点质量单元。除此以外，由点质量单元建立支撑惯量，实现刚性区域中心节点的创建，无法忽略质量问题。3.4筛箱有限元模型3.4.1定义材料属性利用软件ANSYS分析与研究振动筛精力与动力，必须对材料材质明确化，设计数据作为基础，选择Q235-A钢作为之下振动筛体材料。下表6表示材料性质：表6材料属性参考表Table.6Materialproperty弹性模量泊松比密度2.06×1011Pa0.37.85×10³kg/m³3.4.2筛箱有限元模型将连续的构件离散成为有限数量的单元网格就是有限单元法，过密的网格则会耗费大量的计算时间，基于离了而言，网络数量愈多，有限元研究数据就愈精准，不过计算机需要大量的内存。所以在对振动筛进行单元格划分时，要选取合理的网格数，使其既满足精度要求，又能保证计算速度。ANSYS软件可以根据振动筛结构的形状结构有突变的位置或者构件的连接处会将网格自动细化，对振动筛进行自动的智能划分，若是在很难形成应力的部位，所形成的网络也不是非常紧密，那么不仅可以获取比较精准的数据，还能够节省单元网格、节约计算时间。基于上述标准设计ZK3648直线振动筛模型，首先需要对它进行网格划分，共划分成300多万个单元、将近600万个节点，并施加边界条件，其有限元模型如图5所示。图5ZK3648振动筛有限元模型Fig.5ZK3648vibratingscreenfiniteelementmodel3.5筛箱有限元模型载荷与约束3.5.1激振器的模拟整个直线振动筛的筛体通过内部两组激振器所形成的激振力而实现一种近似直线型的往复运动。因此在ANSYS软件中，激振力和激振器的模拟是重点同时也是难点，在SAP软件中，可使用虚梁把激振器中心节点和周围节点相连接，虚梁就是指只考虑刚度而不考虑质量虚设的梁，在ANSYS软件中也存在着一个类似的功能，把激振器看作点质量单元，即设定刚性区域，将质量单元建立在四组偏心轮的旋转中心处，这四个点质量单元就是即为每组偏心轮的质量，同时在筛框的侧板上设置十六个节点，对激振器和侧板中共同的法兰盘进行仿真实验，把点质量单元视为关键节点，把其他环绕分布的其他十六个节点看作从节点，通过运用软件ANSYS中有关刚性区域指令，可连接关键节点与从节点，处于运动或者变形状态下，可保持上述两个节点之间的距离，在进一步传递激振力至筛体目标内。由激振器偏心块可产生一定离心力，可向振动筛提懂对应的激振力。 （SEQ公式\*ARABIC39）式中：(，，)型号为ZK3648振动筛激振器运行速度为1480分钟每转，产生的速度比为1.63。可对激振器回转角速度速度进行计算，得到的是95.08rad/s，产生的激振力时255348N。创建型号为ZK3648振动筛有限元模型过程中，利用MASS21单元对各组中的激振器偏心轮质量进行模拟。该振动筛中包含两组不同的振动器，该振动器组成部分包括四个偏心块，一个点质量模块能够发挥一组激振器偏心块的作用，借助刚性区域法将其与激振器安装座之间结合起来。在模型上采用谐响应分析假定体载荷与简谐规律产生的变化相符。在其中输入不同的频率范围、相位角以及幅值等三条信息来指定一个完整的简谐载荷。双轴振动筛装置中旋转偏心轮过程中，会产生两对不同的离心力，坐标系作为基础，得到投影数据后，可得到四对相位不同频率相同的简谐力，对筛箱进行谐响应分析，将简谐力按上述加载方式施加在筛箱模型上，如图6：图6ZK3648振动筛激振力施加图Fig.6ZK3648vibratingscreenvibrationforcefigure3.5.2筛箱的约束施加橡胶弹簧横向刚度通过建立横向弹簧单元来模拟，通过公共节点将筛箱的横向与轴向弹簧相结合对管梁起着重要的支撑作用，在另一端会采取全方位约束房方式，如图7所示。图7ZK3648振动筛约束施加图Fig.7ZK3648vibratingscreenconstraintsimposedfigure振动筛座耳在连接时可利用机架支座与弹簧完成，具有支撑作用的为起轴。基于平面旋转可实现振动筛正常运行，筛箱按照激振力方向而实现直线振动，不过在实践应用中，很多未知因素都会对振动筛造成一定干扰，因此，可通过有限元模型对横向刚度与轴向刚度对三维空间运动模拟。3.6小结第三章通过应用三维软件CREO针对振动筛内不同部件创建了相应的三维模型，并做了一定简化，并在软件ANSYS中导入简化模型，实现模型的简化，实现通过ANSYS软件完成三维模型的网格划分，得到数据精确的运算结构，对振动筛边界条件、材料属性以及加载力进一步确定。第4章振动筛箱的动力学分析

第4章振动筛箱的动力学分析4.1筛箱模态分析4.1.1模态分析概述结合有限元分析技术，作为结构动力学领域中主要的模态分析技术，由上世纪六十年代开始，到现在已经发展的更加成熟。基于大量试验而形成模态分析，通过结合理论实验的方式对工程中有关振动问题进行处理，该方法作为“逆问题”分析法。模态分析的功能为，对系统内的模态参数识别、分析结构系统振动特征、优化与设计结构动力特征、诊断振动问题等，以上作为基础可实现目标。以下介绍的为模态分析技术的应用与总结：1）评价使用的结构系统动态特性；2）设计新产品时，对结构动态特征预估与优化；3）诊断并预报结构系统内存在的问题；4）控制结构辐射与噪音；5）识别系统结构载荷。模态作为机械结构中原有的振动特征，因此，各阶模态中都包含频率固定的以及所对应的固态模型。通常情况下，采用实验或者计算方式得到上述各个模态参数，计算上述模态参数与分析诗分析实验过程，总称为模态分析。对于大型直线振动筛，在满足静力分析的前提条件下也要进行模态分析，对该大型振动筛进行评价，根据其振型和固有频率，验证增加后挡板横梁厚度后的振动筛的固有频率是否远离工作频率，避免产生共振。承受胴体载荷结构中具有一定重要性的参数包括振型与固有频率，模拟分析结构还有可得到两个不同参数。应用模态叠加法中的瞬态动力学分析与谐响应分析具有一定必要性。应用于模态分析中的分类方式与研究手段可划分为三种类型，分别为试验模态分析、理论模态分析以及在前两者的基础上发展起来的理论——试验模态分。在设计动态结构与诊断设备问题时采用模态分析法具有一定重要性。在ANSYS软件中对结构机型模态分析所需流程如下：1）创建模型：其中一个章节介绍创建有限元模型，该模型可看作是振动筛模态分析的分析对象；2）施加载荷并求解：在模态分析中不考虑结构的外载，只需要对其进行位移约束。同时还要设定所求解模型的阶数，也就是求出振动筛前多少阶的固有频率；3）扩展模态：这一过程主要是把求解出的振动筛阵型写入到结果文件中去，为后处理中的观察模型做准备；4）察看结果和后处理：这是模态分析的最后一个流程，在此过程中需要严格观察振动筛模型的固定频率与振型，通过动画对振动筛振型进行察看。动筛的筛箱，通常所需的组成部分包括钢板以及具有断面形状的梁。上述钢制构建作为一种弹性构件，振动筛处于工作状态下，该弹性中包含大量振动形态。振动频率具有较宽的频带，范围为低于1赫兹到高于一百赫兹。工作时由于原料会冲击筛体，产生相应的谐波共振、超谐波共振以及次谐波共振等。基于设计振动筛的基本需求，必须在一定程度上避免出现该问题。因此，设计筛箱结构时其中比较重要的工作时分析振动筛模态。通过线性振动系统采用的叠加基本原理可得到该系统产生的整体势能与动能，由各个振型具有势能与动能的总和。共振振型对结构振动存储能量方式与形态进行表示。利用模态分析的方式，可对筛箱结构不足的地方与环节不断完善。在展开模态研究时，第一要对研究频率领域、模态阶数进行确定。基于振动理论得知，当结构处于振动状态时，因为与工作频率相差甚远，高阶固定频率在激发方面存在限制，此外还受阻尼的影响而非常容易衰减的情况，能够对结构响应起到的积极作用非常小。所以在此研究课题中，把振动筛的前20个阶展开模态研究。振动筛的模态分析，该模态分析重点应用于筛箱，通过使用有限元方式，实现结构离散化，与结构强度分析对比，单元划分与数据模型采用的方式大致相同，区别在于实施模态分析过程中，数据模型应用结构整体模型，不会受到筛体结构对称性影响，而使用一般结构创建数学模型。在转动惯量与质量中采用结构连续方式完成分布与计算，若全部在某几个节点中凝聚。如下为产生的模态分析微分方程： （40）假设外载荷列阵的值为零时，可变换上式为结构系统自由振动方程组，如下： （SEQ公式\*ARABIC41）通过模态分析过程中，由于阻尼对值产生的影响较小，在计算过程中可忽略，如下为结构系统内无阻尼自由振动方程： （SEQ公式\*ARABIC42）此式是系数线性齐次微分方程组，其解为： （SEQ公式\*ARABIC43）把式（43）代入式（42）后，得： （44）式中：故针对某个结构模态分析，采用固定的圆周率为，与振型，通过上述矩阵方程都可以获得。方程（44）中产生的根为，表示特征值；i的取值范围由1开始，到全部自由数值结束，对应的向量为，表示特征向量。为特征值的平方根，通过该结构的自然圆频率（单位为弧度/秒），可计算得到自然频率为。由特征向量对振型表示，假设结构为频率产生振动后的形状。通过提取模态的方式作为描述特征变量与特征值进行计算的基本术语，一定假设条件作为前提，在Mechanical模块中对上文方程求解，[M]与[K]均指的是常量。若该材料为线性弹性材料，应用小挠度理论，其中含有一定非线性特征；不具有[C]值，其中未存在非线性特性，造成该结构假设不具有激励。还需要关注的部分为，应用模态分析过程中作为一个相对值，并非时绝对值。系统自身具有的振动特性进行研究，第一步为创建系统使用的动力方程。在建立自由度运动方程时应用较多原理，主要包括达朗伯原理、牛顿第二定律、哈密顿定理以及拉格朗日方程等。4.1.2筛箱模态分析结果文章通过使用有限元法对软件结构进行分析，由筛箱被改进前与改进后两种模态分析，可针对筛箱增加边界约束，改进前的分析结果如图8～图27，改进后的分析结果如图28～图47所示：图8大型直线振动筛第1阶模态振型Fig.8Thefirstmodeformationofthelargelinearvibrationscreen图10大型直线振动筛第3阶模态振型Fig.10Thethirdmodeformationofthelargelinearvibrationscreen图12大型直线振动筛第5阶模态振型Fig.12Thefifthmodeformationofthelargelinearvibrationscreen图9大型直线振动筛第2阶模态振型Fig.9Thesecondmodeformationofthelargelinearvibrationscreen图11大型直线振动筛第4阶模态振型Fig.11Thefourthmodeformationofthelargelinearvibrationscreen图13大型直线振动筛第6阶模态振型Fig.13Thesixthmodeformationofthelargelinearvibrationscreen图14大型直线振动筛第7阶模态振型Fig.14Theseventhmodeformationofthelargelinearvibrationscreen图16大型直线振动筛第9阶模态振型Fig.16Theninthmodeformationofthelargelinearvibrationscreen图18大型直线振动筛第11阶模态振型Fig.18Theeleventhmodeformationofthelargelinearvibrationscreen图15大型直线振动筛第8阶模态振型Fig.15Theeighthmodeformationofthelargelinearvibrationscreen图17大型直线振动筛第10阶模态振型Fig.17Thetenthmodeformationofthelargelinearvibrationscreen图19大型直