平動橢圓振動篩動態應力分析及改進

（南昌礦山機械有限公司，江西 南昌 330000）

礦石物料分級是提高礦產資源綜合利用的基礎，也是避免資源浪費和環節礦山環境壓力的前提，因此，加強礦石物料分級對礦山企業發展意義重大[1]。平動橢圓振動篩是礦石物料分級中常用的一種振動篩，該儀器設備是結合直線型振動篩圓型振動篩而形成的一種新型振動篩，在煤炭資源、金屬礦石、石油鉆井物料等分級中應用極為廣泛。自某礦山引入平動橢圓振動篩以來，雖然顯著的提高了礦石物料的分級處理能力，促進了礦山企業的經濟效益。但是與礦山實際需求發展還有一定的差距，且平動橢圓振動篩在實際工作中仍然具有一定的問題，這與平動橢圓振動篩的性能關系密切，可能與平動橢圓振動篩工作時存在復雜的交變載荷作用密切相關，使得儀器設備容易出現疲勞工作[2]。因此，分析平動橢圓振動篩的動態應力就顯得極為重要。

1 平動橢圓振動篩及有限元模型

本次礦山引入的平動橢圓振動篩的振動篩篩箱重量為835kg，震動方向角為45°，振動篩的篩箱傾角為0°，篩箱材料為Q245鋼材，側板弧度為5mm。篩箱Q245鋼材的彈性模量為206GPa，密度為7850kg/m3。此外，在平動橢圓振動篩中通過2臺長型電機激振振動篩，其激振力大力分別為20kN和35kN，工作時的頻率均為24.5Hz[3]。長型電機具有更加穩定的傳遞性能，因此，能夠有效的避免振動篩工作時應力集中的問題。由于平動橢圓振動篩在工作狀態容易出現疲勞現象，因此，分析振動篩的動態應力狀況是制定改進措施的基礎。同時，由于平動橢圓振動篩的動態應力模式較復雜，采用單一的分析方法無法準確的確定其運動狀態，也無法準確的確定調整方案，因此可利用有限元模型的方式直觀的分析動態應力狀態。鑒于此，本文以Autodesk Inventor三維軟件平臺為基礎，建立了相應的幾何模型，由側板、橫梁、激振部分、底梁和后擋板等幾部分組成，對分析結果影響不大的區域進行簡化處理，在基礎上進行后續分析。

2 動態應力分析

2.1 模型模態分析

平動橢圓振動篩的模態分析能夠確定振動篩的基本性能，為進一步了解振動篩結果對不同動力載荷響應奠定了基礎，如振動篩動態應力的振型、共振頻率等參數的確定，對制定措施緩解振動篩篩箱因共振作用而破壞有積極的作用。平動橢圓振動篩在運行狀態下起主要作用的是低階模態，而高階模態對結構震動的作用較小，并且震動響應衰減較快[4]。因此，平動橢圓振動篩的工作頻率遠低于振動篩固有的頻率，使得振動篩在工作狀態下一班不產生共振。雖然振動篩的啟動和關停過程中極易產生共振，但是該共振屬于低階共振區，且共振時間較短，因此，對振動篩的工作狀態影響不大。

2.2 穩定運行狀態下動態應力分析

平動橢圓振動篩是結合直線型振動篩圓型振動篩而形成的一種新型振動篩，導致在穩定運行狀態下的受力狀況極為復雜，主要受激振力和自身慣性力綜合作用，而篩分物料的慣性作用力對振動篩的影響較小，在本次模型分析中忽略不計。由于本次動態應力分析模型僅考慮激振力和自身慣性力，因此在模型中僅需加載激振力即可。上文已提及，平動橢圓振動篩中由2臺長型電機提供激振力，其激振力分別為20kN和35kN，因此在兩臺長型電機支座處獲得的激振力分別為10kN和17.5kN，以此為基礎獲得穩定運行條件下平動橢圓振動篩的應力狀況。根據有限元模型分析可知，平動橢圓振動篩的最大應力可達50.86MPa，最大應力處為長型電機安裝版下方，屬于電機安裝位置；在有限元模型中的側板與后擋板的連接處上方具有較大的應力值，應力值為47.63MPa；有限元模型中其余部位的應力值則相對較小，一般在14MPa～18MPa之間，如底梁位置的最大應力值可達18MPa，而側板位置的最大應力值為14MPa。

平動橢圓振動篩的篩箱材料為Q245鋼材，其彈性模量為206GPa，密度為7850kg/m3，泊松比為0.29，因此，振動篩材料的屈服強度極限為245MPa，相對應允許的最大應力值為50.71MPa。本次通過有限元模型獲得穩定運行條件下獲得不同位置的應力值小于允許最大應力值，充分說明平動橢圓振動篩的總體結構設計是合理的。但是，由于平動橢圓振動篩在運行條件下存在交變載荷作用，極易導致振動篩中材料出現疲勞損壞，進而嚴重影響振動篩的整體性能，對礦山資源篩分效率產生較大的影響，也是平動橢圓振動篩容易出現故障的主要原因。

2.3 基于共振區的動態應力分析

由于平動橢圓振動篩的工作頻率遠低于振動篩固有的頻率，使得該儀器在穩定運行條件下一般不會出現共振現象，但是在振動篩啟動和關停過程中極易產生低階共振現象，雖然共振時間較短，且對振動篩的影響較小。但是，為了充分分析低階共振區時的動態應力分析，本文對振動篩過共振區時的動態應力分析。

當平動橢圓振動篩在啟動過程中，長型電機的偏心塊轉動頻率在低階共振區的頻率范圍內，雖然啟動時間較短，但是產生的共振瞬間振幅可達穩定條件下的5倍左右，導致彈簧的形變量在瞬間增大明顯。根據有限元模型分析可知，當振動篩在啟動過程中彈簧支撐板的最大位移量可達2.91mm，換算成彈簧的最大形變量為23.12mm，由于彈簧在豎向上的剛度為80000N/mm，可得出該彈簧在設備靜止條件因振動篩自重而產生的彈簧形變量為25.57mm，因此，在共振區條件下，彈簧的形變量最大為48.69mm，此時，彈簧支座受到的最大彈性力可達3872.6N，此時振動篩的振動最大應力值接近25MPa，其最大應力位置處于彈簧支座的邊緣部位，其應力值遠小于最大允許應力值（50.71MPa）。當平動橢圓振動篩在關停狀態下，其振動頻率由高逐漸降低，當頻率在低階共振區的頻率范圍內時，也可產生低階共振，其振動應力狀態與平動橢圓振動篩啟動過程中的應力狀態基本一致。綜上所述，平動橢圓振動篩在啟動和關停狀態下最振動篩的影響不大，可以忽略不計。

2.4 振動篩改進措施及應用效果分析

通過上文有限元模型分析，平動橢圓振動篩的側板與后擋板的連接處的應力值在穩定運行條件下變化較大，可達47.63MPa，接近最大允許應力值；長型電機安裝版下方的應力值最大，可達50.86MPa，略大于允許最大應力值。因此，上述兩個部位是振動篩常出現故障的區域，與礦山實際應用現狀基本吻合，因此，為了有效提高平動橢圓振動篩的生產效率和有效降低維護成本，還需對該儀器進行改進設計。本次改進的目標主要是針對應力值較為集中的區域，或者應力值變化較大的位置，而原裝置中該區域的材料形狀具有突變的特征，因此可以考慮通過改變突變形狀的方式優化應力變化規律，故本次將后擋板上方的彎曲部位采用圓弧形狀的過渡板代替，在電機安裝版下部適當的增加材料的厚度，改進完成后結合Autodesk Inventor三維軟件平臺，建立相應的有限元模型，進行上文的重復分析過程。結果表明，通過本次的改進，在電機安裝版下部的最大應力值由原來的50.86MPa降低至33.92MPa，側板與后擋板連接處的最大應力值由原來的47.63MPa降低至31.72MPa，即平動橢圓振動篩的最大應力值均遠小于允許最大應力值50.71MPa。

綜上所述，根據有限元模型分析可知，本次改進方法效果明顯，能夠有效的降低振動篩中應力集中問題，理論上能夠降低振動篩故障率和維修成本。將改進后的平動橢圓振動篩投入生產5個月以來，振動篩故障率下降72.3%，工作效率也顯著上升，說明本次改進方法能夠推廣使用。

3 結語

綜上所述，礦山引進的平動橢圓振動篩的運行頻率遠低于振動篩的固有頻率，說明該儀器設備的整體設計結構是合理的。在穩定運行條件下振動篩的最大應力值雖然小于允許最大應力值，但是在激振力、自身慣性力等綜合因素的影響下，可能導致振動篩中局部區域應力值過于集中，進而在慣性力等作用的影響下造成振動篩疲勞損壞嚴重，縮短了振動篩的使用壽命。通過有限元模型分析可知，振動篩中長型電機安裝版下部和側板與后擋板的連接部位應力較集中，通過增加安裝版下部材料厚度和將后擋板上部彎曲改為圓弧形，顯著的降低了該區域的集中應力，降低了振動篩故障率和維修成本，并在實際應用中取得了良好的應用效果，說明本次改進措施是成功的。